水下噪声

水声学
第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
2、深海环境噪声谱

20世纪60年代，Wenz
提出环境噪声的 Wenz谱 级图。

较细致地描述了环境
噪声的普遍规律性，被 认为最具代表性的深海
噪声谱曲线。
水声学
第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
2、深海环境噪声谱
深海环境噪声谱由斜率 的不同的五部分组成： （1）频段Ⅰ，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）频段Ⅱ，谱斜率为8~-10dB/倍频程，与风速仅 有很微弱关系，最可能噪声 源是海洋湍流。
1 R lim T 2T

pt pt dt
T T
S R e j d
若噪声的功率谱是均匀的，则称之为白噪声。
水声学 第7章 水下噪声 5
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：
7.2 海洋环境噪声
2、深海环境噪声谱
工程上，为预报海洋环境
噪声级，需要用到不同参数 表示典型自然噪声谱。 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，综合考虑 航运条件、蒲氏风级、噪声 频率、海况等因素，近似地 预报自然噪声谱。

水声学 第7章 水下噪声 25
S NL 10 lg f 10 lg 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，最可能是 两种谱的迭加。
水声学 第7章 水下噪声 10
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
水声学
第7章 水下噪声
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7.1 噪声的基本概念
3、水下噪声指向特性
f2 f1
注意：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
水声学 第7章 水下噪声 9
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
海洋环境噪声级：NL 10 lg 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：
I N S f
1
2

e
p 2
2 2
p p pdp

p
2 2
2 p p dp
常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。
水声学 第7章 水下噪声 4
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
表征噪声统计特性的统计量有：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：
（3）平稳随机过程： p1，t p1，t 结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
水声学 第7章 水下噪声 3
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
短时间内水中噪声可视为平稳随机过程，且噪声声压服从高 斯分布，称为高斯噪声，其概率密度函数为：
p
其均值和方差：

水声学 第7章 水下噪声
Knudson海洋环境噪声谱
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7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（7）热噪声 海洋分子热噪声限制水听器高频灵敏度，等效热噪声谱级：
NL 15 20lg f DI E
DI—为水听器指向性指数，单位dB； E—为水听器转换效率，单位dB；
f—频率，单位kHz。
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：
工程上通常将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
水声学 第7章 水下噪声 12
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： 研究噪声场的时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出 其规律，预报NL值，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；

海洋环境噪声短时间内是平稳的，长时间则是非平稳的。
水声学
第7章 水下噪声
30
7.2 海洋环境噪声
4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性
（2）空间相关性


对声呐基阵设计具有重要意义；
为降低环境噪声的干扰，基阵基元间距应大于环境噪声的空间 相关半径，提高基阵输出端的信噪比； 噪声的空间相关性：指海中相隔开的水听器接收到噪声的乘积 对时间平均。
两个相距为d各向同性单频噪声相关系数为：
(d ) sin kd / kd
水声学 第7章 水下噪声 31
7.2 海洋环境噪声
4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关
Cron和Sherman对噪声源分布无限大平面上、噪声源指向性 为 cosm 噪声场相关系数进行研究。 水平方向和垂直方向上的相关系数随间距d做衰减振荡，曲线 与各向同性的单频噪声场具有相同形状；

水平方向和垂直方向上的相关系数第一个零点分别位于0.8和 0.3附近；

海面粗糙度形成噪声 场具有 cos 2 指向特性。

水声学
第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性
（3）相关延时与噪声源 如果把两相隔开的水听器的输 出信号进行相关分析，则相关峰 位置的延时值表示了信号到达两 个水听器的时差，相关峰的幅值、 形状表示了两个信号的相关特性。
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： （1）提高声呐设备的检测和识别能力； （2）提高目标自身的隐蔽性和安全性。
水声学 第7章 水下噪声 2
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
噪声是一个随机过程。
（1）噪声的概率密度函数：
p1，t lim
P p1 p p1 p1 p1 0 p1
p1 p1 p1
（2）噪声的概率分布函数：
P p1 p p1 p1，t p，t dp

利用噪声场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。

水声学
第7章 水下噪声
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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，在宽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；
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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：

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自然噪声与风和天气无关，且到达深水水听器噪声来自水平方向；
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。
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，分 析噪声声压幅值频谱没有意义。 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。
p 2 f ca
式中，a为地震扰动引起的地球表面垂直振幅。
水声学 第7章 水下噪声 15
7.2 海洋环境噪声
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；
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海水静压力随深度增加迅速变小，直至 消失；

理论上，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。
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第7章 水下噪声
长岛海峡东端海深为36米海域测得的降雨自然噪声谱
水声学 第7章 水下噪声 27
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
不同降雨率的降雨噪声谱理论估计值
水声学 第7章 水下噪声 28
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
（2）自然噪声的易变性

产生原因：
——噪声源的易变性；
——传播条件的改变，影响来自远处噪声源的声传播，从而改 变了噪声强度。
水声学 第7章 水下噪声 7
7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
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第7章 水下噪声
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7.1 噪声的基本概念
2、噪声频谱分析
声强平均频谱密度： S i
I i f i
声强频谱密度函数： S f lim I i dI f i 0 f df i 带宽内的总声强： I S f df
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
（1）间歇源的噪声源 一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 海洋生物噪声：
甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；
降雨噪声： 提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。
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7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性

百慕大群岛垂直阵测量结果：
—低风速时，噪声源为远处航船 和风暴；高风速时，噪声源为海 面噪声源。
水声学 第7章 水下噪声 33
7.2 海洋环境噪声
5、深海环境噪声指向性
深海环境噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声源 来自顶部的海面。 海面辐射噪声具有cos 2 的指向特性（噪声源和海面上虚源干 涉效应引起的）。

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第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
（6）风成噪声（海面波浪噪声） 海面粗糙度是更高频段的自然 噪声的噪声源。
测量结果表明： 在500Hz~25kHz频率范围内，自然 噪声与海况、水听器处风速直接相 关，到达深水水听器方向接近垂直。

风成噪声与风速的相关性比与海况 的相关性更好。
水声学 第7章 水下噪声 23
7.2 海洋环境噪声
2、深海环境噪声谱
（3）频段Ⅲ，噪声谱基本 是平的，远处行船是主要噪 声源。 （4）频段Ⅳ，谱斜率具有5~-6dB/倍频程，噪声源是 离测量点不远的粗糙海面。
（5）频段Ⅴ，海水介质分 子热运动噪声，谱线斜率为 6dB/倍频程。
水声学 第7章 水下噪声 24
I p 2 ( p)dp
2
或用时间平均表示：
1 T /2 2 I lim p (t )dt T T T / 2
2
噪声声压有效值：
1 pe I lim T T

T /2
T / 2
p 2 (t )dt
6
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第7章 水下噪声
7.1 噪声的基本概念
——百慕大和巴哈马群岛海底水听器观测结果：冬季的自然噪 声级比夏季高7dB。
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第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性
（1）振幅分布
海洋环境噪声是由大量噪声源的辐射噪声叠加所组成的，各噪 声源之间互不相关；

海洋环境噪声的振幅分布是高斯分布，但在近海面其分布比高 斯型尖，原因是噪声源数目不够大；

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。
水声学 第7章 水下噪声 16
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。
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第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声

环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。
水声学
第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
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 潮汐和海面波浪是引起海洋内部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：