第八章 水下噪声

第八章 水下噪声

噪声定义：是指在特定条件下不需要的声音。

水下噪声：

（1）海洋环境噪声和舰船的自噪声

它们是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

它是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（对抗与反对抗）：

（1）建立水下噪声的规律和特性，提高声呐设备的性能。

（2）降噪处理，提高自身隐蔽性。

8.1 噪声的基本概念

1、噪声的描述

噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：

噪声的概率密度函数：

()()1

1110p 1p p p p p P lim

t ,p 1∆∆Φ∆+<<=→ 噪声的概率分布函数： ()()⎰

+=+<<111p p p 1111dp t ,p t ,p p p p P ∆Φ∆

平稳随机过程： ()()τΦΦ+=t ,p t ,p 11

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为：

()()22

2p e 21p σμπσΦ--=

为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：

()()()()⎰⎰∞

∞-∞

∞--=-===dp p p p pdp p p 222ΦμμσΦμ

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：

()()()()()⎰⎰∞

∞---∞→=-⋅=τ

τωττωτd e R S dt t p t p T 21lim

R j T T T 若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。

噪声声压有效值e p ：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：

⎰∞

∞-==dp )p (p I 22Φσ 或时间平均表示：

⎰

-∞→==2/T 2/T 2T 2dt )t (p T 1lim

I σ 噪声声压有效值： ⎰-∞→==2/T 2/T 2T e dt )t (p T

1I p lim 2、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；而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：

（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。

声强平均频谱密度：

i

i i f I S ∆∆=

声强频谱密度函数： ()df dI f I lim

f S i

i 0f i ==→∆∆∆ 带宽内的总声强： ()⎰=21

f f df f S I

海洋环境噪声级：

N I I lg

10NL = 式中，N I 为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)f (S 和其相应是均匀的，则有：

f S I N ∆⋅=

则有：

0I S lg 10f lg 10NL +=∆ 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，甚至是两种的迭加。

3、水下噪声的指向特性

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。 注意：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。

8.2 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。

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海水静压力变化的原因，它们是低频噪声源。

（2）地震扰动

地震是海洋中的极低频噪声源。

（3）海洋湍流

湍流产生噪声方式：

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——四极子元，衰减会，不是主要源；

湍流区内部压力的声效应。

地海洋湍流是海洋中的低频噪声源。

（4）行船

行船是50Hz~500Hz 频率范围内主要噪

声源，与风和天气无关。

（5）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。V . O.

Kundson 总结出著名Kundson 曲线。

（6）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：

-

NL-

-

=

+

115

E

20

DI

f

lg

式中，DI为指向性指数，单位dB；E为转换效率，单位dB；f频率，单位kHz。

2、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地普遍规律性，被认为最具代表性的深海噪声谱曲线。

深海环境噪声谱地例子如上图，谱由斜率的不同的五部分组成，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。

（2）谱斜率为-8~-10dB/倍频程，与风速仅有很微弱的关系，最可能的噪声源是海洋湍流。（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，噪声源是离测量点不远的粗糙海面。

（5）海水介质分子热运动噪声，谱线斜

率为6dB/倍频程。

工程上，为预报海洋环境噪声级，

需要不同条件下的平均典型自然噪声

谱，见右图。图中画出了不同航运和风

速条件下的预报用曲线。使用时，选择

适当的航运和风速条件曲线，和相邻频

段的曲线连接起来，近似地预报自然噪

声谱。