水声探测技术实验指导书三-五

实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理，得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律，并将所得结果作图表示。

一、实验目的

1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。

2、掌握基本的时-频处理方法。

3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定的实际训练。

二、实验仪器

计算机

三、实验原理

1、海洋噪声的来源

海洋噪声的来源是多方面的，总的归纳起来有几大类：

(1) 动力噪声：由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起的压力起伏，以及海浪拍岸的噪声，雨噪声等。

(2) 冰下噪声：由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声，以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。

(3) 生物噪声：由海洋动物所引起的各式各样的声音。

(4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。

(5) 工业噪声：由人类的各种活动所引起的噪声。如船舶航行的噪声，港口作业噪声，海底作业噪声等。

以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。通过频谱分析，不但可以了解声源信息，如根据海洋噪声探测海上风浪的情况，还可以根据海洋噪声场的特性，提高水声器材的抗干扰性能。因此，有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。2、船舰噪声的谱特性

舰船在水中运动时，将辐射噪声，其来源有下列三个方面：

(1) 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中。

(2) 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。

(3) 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。

在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。图5-1是典型的舰船噪声图谱。在低频段，谱级随频率增高而增大。在100~1000Hz之间出现一个峰值，主要是由于空化噪声产生的，峰值位置取决于舰船的航速。在此频段以后，以大约每倍频程6dB的坡度下降。另外还可以看到，在低频段出现一些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线，早高频端这些谱线被连续谱掩盖，所以从图上看不到。

图1 典型的舰船噪声图谱

对舰船噪声特性，一般可用它的平均功率谱、线谱和“动态谱”来描述。这些谱特性，对我们检测和识别舰船噪声提供了有用的信息。因此，测量和分析舰船噪声，认识它的规律性，将有利于我们设计最佳接收设备和判别舰船目标。3、海洋噪声的频谱特性

海洋噪声是由各种原因产生的，并且受到许多因素的影响。它的频谱很复杂，一般无法用一组简单的频谱曲线来描述。图2汇集了对海洋噪声的各种研究结果，一般称之为文兹谱级图。纵坐标代表声压级（注意：这里是以2×10-5Pa 为参考值），横坐标使用对数刻度表示频率。箭头所表示的频段为某类噪声源的频谱范围。整个噪声级的变化趋势是随频率的增加而下降。在1Hz到100kHz范围内变化120~130dB，但就某一频率而言其动态范围在40~60dB。在低频段，一般下降较陡，每倍频程下降3~10dB。在100Hz到20kHz范围是目前水声工作中较常用的频段，它的噪声级高达60~80dB，与风力大小关系有关。低频段还与舰船噪声的大小有关，一般随频率的增加而下降。在高频段的热噪声，反而随频率增加而增强，每倍频程增大6dB。标有圆圈数字的一簇曲线，代表海面风速大小所对应的噪声谱曲线。圈内的数字表示蒲氏风级，它的噪声级随风速增大而增高，但不是直线关系。阴影区为大洋航线上的平均船舶噪声级概况。它上面的虚线为通过较频繁海区的噪声频谱。

可看到海洋噪声是由许多频率和强度不同的成分随机地组合。在频谱上对应的各频率成分紧密地连在一起，成为一条连续的曲线，所以它一般是连续谱。只有在接收船舶噪声时，有时才看到连续谱上加有突出的线谱，这是一种复合谱。

图2文兹谱级图

4、频谱分析技术

大家都知道，海洋噪声是一个随机过程。描述它的基本统计特性，主要由它的功率谱密度函数和相关函数两方面来表征。而相关函数的富氏变换便是功率谱密度。如果在海况和风力不变的情况下，海洋噪声可以看作为一个平稳的随机过程。

借助傅里叶变换，信号可以时间函数或频率函数两种形式描述，特别是周期信号和准周期信号（前者由一个基频成分和若干谐波成分，后者虽可分解为几个正弦分量，但它们的周期没有公倍数），从频率域可以很清楚地了解它们由哪些正弦分量组成。

信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分

析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。

傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。

信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x (t )变换为频域信号X (f )，从而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号x (t )的傅氏变换为：

()()⎰+∞

∞--=t e t x f X ft d π2j （1）

式中X (f )为信号的频域表示，x (t )为信号的时域表示，f 为频率。用傅立叶变换将信号变换到频率域，其数学表达式为：

()()()()()()∑∞

=-+=+++++=100020201010π2cos π4sin π4sin π2sin π2sin 2

n n n f t nf C C t f b t f a t f b t f a a t x Λ （2）

用C n 画出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。

三、实验内容与要求

1、实验内容

(1) 使用已经有采集完成的噪声信号数据，海上测量工作可以不必进行。

(2) 对各种不同的海洋环境噪声进行谱分析。

2、实验要求