按发声频率介绍海洋环境噪声

按发声频率介绍海洋环境噪声
海洋背景噪音包括：海洋环境噪声和技术噪声。

海洋动力噪声和生物噪声又被称为海洋环境噪声。

通常讲，海洋动力噪音是由海浪、洋流和风产生的，生物噪声是由各种海洋生物，如鱼、虾、哺乳动物等所产生的。

技术噪声是由舰船的机械和港口的技术装备引起的。

静音潜艇研究海洋噪声对于水声设备的设计和使用，以及水雷、鱼雷等水中兵器的改进和减小潜艇的噪声都是必不可少的。

相反海洋噪声对舰艇的作战行动也有着非常大的关系。

海水的背景噪音是90分贝，海狼级噪音量只有95分贝。

这就是所谓的静音潜艇
不同声源场产生不同频率和声级的噪声，同一频率范围的噪声可能由一个或多个声源产生，下面按照频率范围，介绍海洋环境噪声的影响因素。

01
极低频噪声
（1）低频震动
地壳运动，火山爆发、潮汐、海洋湍流、波浪的海水静压力效应等声源、水下生物等是水下声场的贡献因子：
有一种很强烈且几乎是连续的震动形式就是微震，其具有1/7Hz 的准周期性;
单次大地震和远处火山爆发等间歇地震动也是深海低频噪声的来源；
反向传播的海面波浪非线性相互作用会产生频率为5～10Hz以下的环境噪声；
湍流是由海洋中或大或小的无规则水流形成，它会使水听器、电缆颤动或作响，其内部压力产生声效应。

湍流压力的变化还会辐射到一定距离外，即在湍流以外的海水中产生噪声。

海洋湍流所产生的声谱在1～20Hz的十倍频程内；
水下生物声源部分也是海洋中极低频噪声源的构成因素，部分海洋哺乳动物，如须鲸类可发出低频呻吟声，蓝鲸和长须鲸的发声信号
频率为10～20Hz，估计声源级可达190dB 。

（2）大气声源耦合
大气声源发出声波耦合进入水下声场，其中雷鸣声可产生30Hz以下的极低频声谱，并在10Hz以下能探测其能量。

（3）水下爆破施工
进行水下爆破时，爆炸瞬间的声波频率受炸药性质及装药量的轻微影响，频率为4～10Hz;随后受水的摩擦力和黏滞力的影响，冲击波逐渐钝化为声波，频率也会发生改变，变化后卓越频率为10～105Hz。

02
超低频、甚低频噪声
（1）低频超电磁噪声
海洋环境中出现的超低频电磁噪声多与潜艇相关，主要由轴频电场和工频电场在超低频频段内的分量产生，并与潜艇航速有直接关系。

已知对潜艇通信的有效手段主要以甚低频(3～30kHz)和超低频(30～300Hz) 通信为主，潜艇进行水下超低频通信时会受到工频噪声的干扰，可推断出潜艇周围的电磁噪声为超低频电磁噪声。

（2）船舶航行和地质勘探
在船舶航行频繁的海区，在5～500Hz的频率范围内，自然噪声谱与船舶的辐射噪声谱极大值相当符合，在此低频内，船舶航行是全球海洋噪声的主要来源。

地质勘探也是海洋低频声音的一个贡献因子，它是探测海底矿物储量的主要手段，在地质勘探中使用的空气枪，产生的噪音主要以超低频率(5～300Hz) 为主。

（3）各类低频声纳
拖曳阵列低频主动监视系统(SURTASS-LFA) 在100～500Hz频率范围工作的垂直阵列中使用，该阵列多达18个声源发射器，每个声源器的工作声源级为215dB左右。

此外，据报道：美国海军舰壳AN/SQS-53C战术声纳在1～5kHz 频带发射脉冲，工作声源级为235dB;AN/SQS-56声纳在5～10kHz 频带发射脉冲，工作声源级为223dB。

根据不同应用，商用声纳一般
工作在中心1～200kHz或更高的窄频带，某些声纳换能器的声源级高达250dB。

（4）工业和建设活动
从位于海边的电厂到打桩、疏浚、造船、运河水闸结构作业以及港口的日常活动，其类别相当广泛，许多活动( 如冲击式打桩、电厂工作、工业机械运转、疏浚中的机械运动、风力发电等)均产生各种声源。

油气工业采用的钻探技术需要许多设备，如钻探船、钻塔、钻探平台及钻探时的补给船、飞机等，在所有使用的钻探设备中钻探船产生的噪声是最嘈杂的，其跨越频带为10Hz～10kHz( 其中10～30Hz 频率段为极低频) ，声源级高达190dB。

（5）海面粗糙度和海面降雨
在频率为500Hz～25kHz范围内，自然噪声级与海况有直接关系，并与用水听器测量期间当地的风速有关，在此频率范围内，海面粗糙度产生的噪声为甚高频段自然噪声的噪声源。

海面降雨对海洋中的声波也有贡献。

研究发现，在1～10kHz频段，暴雨的噪声谱近于“白噪声”，而在10kHz处，暴雨的噪声级超过无雨时18dB;在几百赫兹至20kHz以上的宽广频率范围，降雨噪声级能增加自然环境噪声水平达35dB。

（6）大气声源、地质声源与海冰效应
雷鸣是海洋噪声天然出现的一种大气声源，不仅包括30Hz 以下的极低频声谱，还包括30Hz～1kHz以上的超低频与甚低频声谱。

地壳运动能产生极低频噪声，其中，地震的水下声波在短距离内可将频率延伸至100Hz以上，并能持续几秒至几分钟。

除地壳运动外，海底海流的运动引起沉积物运动，能产生频率从1～200kHz以上的环境噪声谱。

海面上的冰盖能从根本上改变海洋噪声场。

附近冰块的相对运动可在大块浮冰内产生声波，刚性冷冰的机械应力引发的爆裂释放出更高强度的声波，冰川的冰裂和冰皱产生的机械噪声水平也非常高。

在离活动冰脊的距离为100m、水深为30m 处，在声波频率为10～100Hz间测得声压谱的密度级为97dB。

1) 鱼及海洋无脊椎动物
许多种鱼可通过各种机制发出声波，声波大小随不同的生态系统及日间、季节等时间尺度发生变化，发出的声波为5Hz～5kHz，大多数为1kHz以下的脉冲信号，主要用于通信、捕食、游泳以及其它行为。

与鱼类相比，海洋无脊椎动物的发声种类较少，研究较多的是海胆与鳌虾。

海胆摄食时，牙齿磨擦珊瑚礁能发出几百赫兹左右的声音，同时其硬壳也会让声音产生共鸣，这种噪音能导致海胆身上的刺以一定频率振动，可使周围环境噪声级提高20～30dB。

鳌虾在其聚居地可发出2～200kHz频带范围的声音，其中30～200 kHz范围为高频噪声。

2) 海洋哺乳动物
虽然海洋哺乳动物发声频率涵盖较广，其发声频率主要集中在30Hz～30kHz。

大多数的大型须鲸类，如南露脊鲸、北极鲸、灰鲸、座头鲸可记录到1kHz以下、声源级在180dB以上的发声，在2000年3月初( 繁育季节) 记录到鲸豚的发生频率为100～150Hz、250～350Hz、600～650Hz 的最高声级。

齿鲸类( 海豚和齿科鲸) 可发出1～25kHz的哨音，部分种类的海豚也可发出129Hz～30kHz的哨音。

03
高频噪声
（1）高频声纳
高频声纳(10kHz以上)应用于数十至数千米距离的武器和反武器场合，猎雷系统所用的高频声纳从数十千赫的探测到数百千赫的定位，系统使用脉冲信号并且指向性很强。

与军用声纳相比，民用声纳一般在更高的频率下工作，其中商用声纳设计用于特殊用途，如测障碍物、测深、探鱼等。

根据不同应用，商用声纳一般在中心频率为1～200kHz 或更高的窄频带内工作。

（2）热噪声
由分子扰动产生的热噪声是深海自然环境高频噪声的主要噪声源，通过对Wenz 谱级图的分析可以得出，热噪声频率在10kHz以上的频谱带上且主要集中在30kHz以上。

能进行高频发声的海洋生物大多限于海洋哺乳动物，鳌虾在其聚居地可发出频带为30～200kHz的高频噪声。

海洋哺乳动物发出高频声音主要用于回音定位，齿鲸( 海豚和齿科鲸) 能发出种群特有的咔哒声，峰值能量远高于100kHz，并能发出谐波高达100kHz的哨音。

斑海豹在空气中能发出40kHz 的高频声音，海豚在水下使用频率在200～350kHz以上的超声波进行“回音定位”。

04
例子
声学所声场声信息国家重点实验室，2017年秋季在南海和西太平洋海域获得包含台风过程的海洋环境噪声，台风经过时噪声谱与国家海洋预报中心提供的风速对比图如下图所示。

05
噪声场
（1）噪声场指向性
海洋不同地区不同季节不同种类的噪声源构成的海洋环境噪声场，特征不同，通常以噪声的功率谱、振幅的空间分布和空间相关性等统计学的参数来表达，其中研究得较多的是平均功率谱。

海洋环境噪声的功率谱，是一种连续谱。

各类水下噪声源在空间的分布是无规则的，但它们本身都有方向性。

海况和气象条件引起的海面状况和水文条件的变化及海底特性不同，都会影响噪声场的指向性。

此外,风速和航运量的变化,生物噪声的间歇性，温度和盐度的时空变化，潮汐、昼夜和季节的影响，都会使噪声场呈明显的周期性或随机的变化。

由于水下噪声场有指向性，故场的时空相关特性的研究十分重要。

（2）深海、浅海噪声场
大量的实测数据表明，深海的环境噪声谱相当稳定。

浅海噪声受水文条件、海底特点、近岸工业设施和鱼类回游的影响，随地区和季节的变化较大。

海湾和港口附近的工业设施和潮汐等噪声源，有较强的昼夜和季节性的变化，因此只能粗略地绘出不同海
湾、港口和附近地区的环境噪声谱级。

尽管如此，从长期的大量取样所获得的环境噪声平均谱，仍然是很有实用价值的。

（3）噪声场对于声纳影响
对于设计和使用声纳设备和水下声学仪器来说，海洋环境噪声是一种干扰源。

必须测出不同海区和不同季节的海洋环境噪声场的功率谱特征、指向性及时间与空间的相关特性，并在水听阵和电路设计中采取相应措施，以提高信号噪声比的增益。

海洋生物噪声谱是海洋生物研究和海洋捕捞的重要判据。

随着检测和数据处理技术的进展，对环境噪声和接收深度的关系，噪声场的方向性，冰下噪声谱，噪声级瞬时值的统计特性，及对低于10赫甚至 1赫以下的噪声源的探索等方面的研究，都有较大的进展。