水声学第八章 水下噪声

噪声的基本概念
水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海 洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性； 远处航船的辐射噪声—水平指向性。
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海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的 目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的 依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报， 为声纳设备设计、制作提供必要的数据。 深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、 数学期望、方差、相关函数、功率谱。
白噪声
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变 换即为功率谱密度函数：
Rlim1 T ptpt T2T T
dt
S Rejd
功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。
1 T/2p2(t)dt T T T/2
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确 定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义； 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反 映了该过程的各频率分量的平均强度。
根据信号频谱曲线形状划分： 线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周 期、准周期信号的频谱就是线谱信号； 连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬 态非周期信号的频谱就是连续谱。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 行船 行船是50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声源， 与风和天气无关。 海面波浪 海面波浪噪声是500Hz~
25000Hz频率范围内的噪声 源，与海况直接相关。
Kundson海洋环境噪声谱
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度， 等效热噪声谱级：
第八章 水下噪声
本章主要内容
舰船和鱼雷的辐射噪声（了解）
辐射噪声源概要 舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级 辐射噪声的测量
舰船、潜艇和鱼雷的自噪声（了解）
舰船自噪声源及其一般特性 自噪声的传播路径 自噪声级 舰船自噪声的测量
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本章主要内容
舰船噪声控制简介（了解）
舰船噪声控制方法分类 机械噪声的控制 螺旋桨噪声的控制 水动力噪声的控制
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噪声的基本概念
噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。 水下噪声
海洋环境噪声和舰船自噪声 它们是声纳系统的主要干扰背景之一，限制装备 性能。
目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声 它是被动声纳系统的声源，通过接收该噪声实现 目标检测。
水下噪声研究的意义（对抗与反对抗） 提高设备性能、提高自身隐蔽性
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程 描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布
函数。 平稳随机过程 描述：如果一个随机过程经过时间平移后，其统计 特性保持不变，即
p 1 ,t p 1 ,t
则称这过程为平稳随机过程。 提示：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关，为
N L 1 1 2l5 0 f g D E I
式中，DI为指向性指数，单位dB； E为转换效率，单位dB； f 为频率，单位kHz。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱
Wenz谱级图：在一般 情况下，它能够比较细致 地描写出环境噪声的普遍 规律性，被认为最具代表 性的深海噪声谱曲线。
潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的 原因，它们是低频噪声源。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 海洋湍流 湍流产生噪声的方式： 湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声 （不是自然噪声）； 湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离 迅速衰减，不是主要源；湍流区内部压力的声 效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。
处理上的方便，往往把水中噪声视为平稳随机过程
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噪声的基本概念
高斯噪声 若噪声的声压概率密度函数表示为：
p 1 ep222
2 上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯 噪声。其均值和方差为：
ppdp 2 p2pdp
提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯 噪声。
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
噪声声压有效值 p e
定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 I 的平
方根。
如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则 它的方差便等于平均声强：
I2 p2(p)dp
I2lim 1 T/2p2(t)dt T T T/2
lim pe I
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子
如右图，谱由斜率不同的 五部分组成，解释如下：
1）1Hz以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 2）谱斜率为-8~-10dB/倍频 程，与风速仅有很微弱的关 系，最可能的噪声源是湍流。 3）自然噪声谱变平，远处 行船是主要噪声源。 4）具有-5~-6dB/倍频程，噪 声源是不远处的粗糙海面。 5）海水介质分子热运动噪 声，谱线斜率为6dB/倍频程。
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析
声强平均频谱密度
Si
Ii fi
声强频谱密度函数
SflimIi dI
f fi0 i df
带宽内的总声强：I f2 Sf df f1
提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 海洋环境噪声级
N L10 lgIN/I0
假设水听器工作带宽内噪声谱为 S(f ) 、且其响应 是均匀的，则有：
因此有
IN Sf
N 1 Ll0 g f 1l0 g S/I0
提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪 声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可 能是连续谱，甚至是两种的迭加。
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源自文库13