第7章水下噪声

pe
I
lim 1 T / 2 p2 (t)dt T T T / 2
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
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频谱没有意义；而随机过程功率谱函数是 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： （1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周 期信号频谱就是线谱信号； （2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期 信号频谱就是连续谱。
结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度
函数表示源自文库：
p
1
p 2
e 2 2
2
为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：
p ppdp
2 p 2 p 2 pdp
常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。
第7章 水下噪声
概述
噪声定义： 指在特定条件下不需要的声音。
水下噪声： （1）海洋环境噪声和目标（舰船、潜艇、鱼雷等）的自噪声
声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。 （2）目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声
被动声呐系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。 水下噪声研究的意义（水声对抗与反对抗）： （1）提高被动声呐设备的检测和识别能力； （2）减振降噪处理，提高自身隐蔽性和安全性。
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
声强平均频谱密度：
Si
I i fi
声强频谱密度函数： S f lim Ii dI
f fi 0 i df
带宽内的总声强： I f2 S f df f1
注意：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
7.1 噪声的基本概念
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
噪声声压有效值：介质特性阻抗为单位值时平均声强平方根。
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：
I 2 p2 ( p)dp
时间平均表示：
I 2 lim 1 T / 2 p2 (t)dt T T T / 2
噪声声压有效值：
种的迭加。
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
7.1 噪声的基本概念
3、水下噪声指向特性
水下噪声具有指向性： 噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等原因。 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。 注意： 工程上将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
1、深海中的环境噪声源
（3）海洋湍流 海洋中无规则随机水流形成的湍流，以多种方式产生噪声，
是一种低频噪声源。 海洋湍流产生噪声机理：
湍流会使水听器、电缆等颤动或作响，产生自噪声，它不是 自然噪声； 湍流运动引起压力变化辐射噪声，在湍流区以外海水中产生 噪声。它是四极子源，随距离衰减快，对环境噪声贡献不大； 湍流区内部压力变化的声效应。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
Wenz根据湍流理论和实验关系，推导的湍流压力谱。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（4）波浪非线性作用引起的低频噪声 海面波浪运动产生的压力随深度增加迅速变小； 两个反方向传播的行波波浪相遇，可能相互作用形成驻波， 产生的压力不随深度增加而变小，其频率是形成它的波浪频率 的两倍； 波浪非线性作用引起的噪声是低频噪声源。
2、噪声频谱分析
海洋环境噪声级：NL 10lg I N I0
水听器工作带宽 内的噪声总声强
假设水听器工作带宽f 内噪声谱S( f )和其响应是均匀的，则：
IN S f
NL 10lg f 10lg S
I0
注意：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
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
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。
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：
R lim 1 T pt pt dt T 2T T
S R e j d
若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（5）远处航船噪声 远处航船噪声是几十赫兹至几百赫兹频率范围内的主要噪声源。
测量结果表明： 然噪声与风和天气无关，且到达深水水听器的噪声来自水平方向； 在50Hz~500Hz范围内，航船频繁海区的自然噪声量级高于航船稀少 海区的测量值； 在50Hz~500Hz范围内，观测到的自然噪声谱有一段突起或平坦部分， 与传播的辐射噪声谱极大值相符合。
7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
采用海底深水水听器，在低于1Hz~100kHz频段内对深海噪声 进行测量研究，研究结果表明： 噪声源是多种多样的，环境噪声是这些源的综合效应； 环境噪声在不同频段有不同特性，各种噪声源发声机理不同； 环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。
7.2 海洋环境噪声
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：
（1）噪声的概率密度函数：
p1，t
lim
p1 0
P p1
p p1
p1
p1
（2）噪声的概率分布函数：
P p1 p p1 p1，t1
p1 p1
p1
p，t dp
（3）平稳随机过程：
p1，t p1，t
7.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景； 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，为声呐设备设计、研制提供 必要的数据； 利用噪声与信号场在时空统计特性方面的差异，设计信号处理 方案，提高设备的抗干扰能力。
1、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： （1）潮汐和波浪的海水静压力效应
潮汐和海面波浪是海洋内部引起海水静压力变化的原因， 是低频噪声源。 （2）地震扰动
地震扰动是海洋中的极低频噪声源。 地震扰动在海水中产生的压力：
p 2 f ca
式中，a为地震扰动引起的地球表面垂直振幅。
7.2 海洋环境噪声