海洋环境噪声

• 证实上述论断的实验结果为下图。在图中可以看到， 垂直于风浪和涌的传播方向的能流具有较高的角密度。 当基阵方向与水平面夹角为26度时，图形伸得最长， 当基阵俯视角为-52度时，图像实际上是各向同性的。
28
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
• 海洋中海面波浪产生的噪声场的各向异性特征
29
4、海洋噪声ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ源的空间分布
2
pe I
lim
T
1 T/2 2 p ( t )dt T / 2 T
7
1、基础知识
• 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 了该过程各频率分量的平均强度。 – 根据信号频谱曲线形状划分： • 线谱 • 连续谱
• 从空间相关函数的形状可以得出噪声场各向异性的结 论，这种各向异性随测量海区的风速和浪级的增长而 加强。见下图
26
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
• 三个坐标轴方向的噪声场空间相关特性测量曲线
27
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
结论：
• 在水平面内各向异性场的特点是，在平行于海面风浪 和涌的波阵面的方向上有很大的声能流。看来，这种 效应产生的原因在于来自远方的噪声的性质和传播条 件。若海面波浪是规则的，则垂直于海面波浪及涌的 波阵面传播的噪声比沿波阵面传播的噪声受到更大的 散射。
噪声的自相关函数。
15
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
因此，时空相关函数
dS B12 ( , d ) Bu ( 12 )G ( ) 2 S R
2
又
dS R2 tandd
B12 ( , d )
2
所以
0

/2
0
Bu ( 12 )G 2 ( ) tandd
O 600-800Hz ·200-400Hz m=2 4 级 200-400Hz ---v=6-7m/s ——v=20m/s m=2
/2
25
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
结论： • 综合已有的资料表明，在300-400Hz以下频段内， 当取噪声指向性函数的指数为0.5或1时，实验和计算 结果符合得最好； • 对于500Hz以上的频率，则取1、2、3。同时，随风 速增大或频率增高，指数应增大。
/2
0
G 2 ( ) tand
18
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
讨论单频或窄带噪声： 1）垂直方向噪声场的空间相关系数 a. m=1时
N12
(0, d )
/2
0
cos(kd cos ) cos2 tand
b. m=2时

/2
0
cos2 tand
cos(kd ) 1 kd sin(kd ) 2 (kd ) 2
sin ?
1
x
O
y
d 12 sin sin cos( 1 ) cos cos c
12
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
面元噪声源辐射声压：
dS dp1 ps (t , r)G(1 ) R1
dS dp2 ps (t 12 , r)G( 2 ) R2 p1 (t )
• 噪声是一种随机过程
– 噪声声压有效值 pe • 定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 平方根。
I
的
– 如果假设噪声的均值为零，介质阻抗为单位值，则 它的方差便等于平均声强：
I p (p)dp
2 2

1 T/2 2 I lim p ( t )dt T T T / 2
23
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
图a表明实验点与四级海况下对600-800Hz频带内的 噪声的计算曲线极其相符，在同样条件下，对200400Hz的较低频率所得数据已与近似曲线符合得不好。 由于频率的降低，所有更远的源都对接收点处的噪声 场结构有影响，而且从噪声源传来的信号几乎是沿水 平方向的。
S
接收点处总声压：
dS ps (t , r)G(1 ) R1
p2 (t )
S
dS ps (t 12 , r)G( 2 ) R2
13
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
假设 p1 (t ) 和 p2 (t ) 是平稳的，声压时空相关函数
B12 ( , d ) p1 (t ) p2 (t )
10
1、基础知识
• 噪声的频谱分析
– 当噪声源不只一个时，有效噪声背景的求取是对有 贡献的噪声源按强度进行相加。 例：已知100Hz时的航运噪声和6级海况下的噪声 谱级分别为69dB、71dB，则总噪声谱级
69 71 10log(1069 /10 1071/10 ) 73 dB
若声纳系统的工作带宽为100Hz，则总噪声级
因此，时空相关函数
dS1 dS2 B12 ( , d ) Bs ( 12 , r1 , r2 )G(1 )G( 2 ) R1 R2 S
假定海面上的源是不相关的，即
Bs ( 12 , r1, r2 ) Bu ( 12 ) (r1 r2 ) Bu ( 12 ) ：与源坐标无关的面元噪声源辐射
海洋环境噪声场建模 及相关特性
1
疑问？？？
• 通常情况下，等间距均匀直线阵的阵元 间距是多少？
– 任意？ – 半波长？ – 1倍波长？
• 研究噪声的目的是什么？
– 计算NL？ – 噪声控制？
2
1、基础知识
• 噪声是一种干扰
– SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT – SL-TL-(NL-DI)=DT
NL NL0 10log f 93
dB
11
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
z
假设表面噪声源具有如下的指向性
G2 ( ) I 0 cos2m

r
dS
I 0 为 0 的噪声强度。
两水听器所接收到的由海面面元 dS所辐射的噪声声压差一时延 12
h
R1

1
d sin 12 c
所以：
20
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
讨论单频或窄带噪声： 2）水平方向噪声场的空间相关系数 b. m=2时
N12
(0, d )
0
/ 2 2
0
cos[kd sin cos( 1 )]d cos4 tand 2
/2
0
cos4 tand
8 J 2 (kd ) N12 (0, d ) (kd ) 2
4
1、基础知识
• 环境噪声
– 不包括由附近舰船、海洋生物或降雨引起的瞬态声 音； – 不包括一切形式的自噪声，如声纳周围的流噪声； – 去除所有可分辨的瞬态噪声源之后所残留下的那一 部分声级。
• 噪声源级
– 被规定为1Hz带宽内的均方根声压级。单位：（以 2 P P 1 a / Hz 为参考的dB； a 为参考的dB）、以1 以1 Pa / Hz1/ 2 为参考的dB。
• 建立噪声场理论模型，必须知道噪声源的空间分布及 其基本特征。 • 海洋动力学噪声场各种特性的 实验研究结果一致表明，噪声 源分布在海面附近。 • 实验资料表明海面噪声源是非 相关的。 • 在大多数情况下，接收到的噪 声谱与源的辐射谱是一致的， 并且只是在高频段接收到的谱 与辐射谱稍有差别，前者约以 0.6-0.8dB/Oct的速率向高频倾斜。
• 噪声是一种信号
– 根据噪声场参数与水文气象条件推测风速、海面波 浪基频、海底的声反射系数 – 研究海啸、冰情、鱼群
3
1、基础知识
• 海洋噪声分类
– 动力噪声——波浪、湍流、降雨、自然空 化 – 冰下噪声——冰层的形成与运动 – 生物噪声——海栖动物 – 地震噪声——地壳运动、火山以及海啸 – 工业噪声——航运噪声、港湾等的水下作 业
O 600-800Hz ·200-400Hz m=2 4 级 200-400Hz ---v=6-7m/s ——v=20m/s m=2
/2
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3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
图b表明只有在约20m/s的强风条件下，实验和计算 数据才很好地符合。当风速为6-7m/s时，实验数据 与低频噪声计算值有重大差别。
8
1、基础知识
• 噪声的频谱分析
I i – 声强的平均频谱密度：Si f i
Sf lim – 声强频谱密度函数： f 0
i
I i dI f i df
– 带宽内的总声强： I
Sf df
f2 f1
9
– 谱级： 10log Si / I 0 或 10log S ( f ) / I 0 ——单位Hz带宽内的声强级。
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2、海洋表面噪声的空间相关函 数
引入变量
d cos cos c
则
d sin sin c
B12 ( , d )
/ 2 2
0

0
Bu [ cos( 1 )]dG 2 ( ) tand
假设 0 ，垂直方向噪声场的相关系数为
N12 (0, d ) 12[(kd ) 2 2] cos(kd ) 4[(kd ) 2 6] sin(kd ) 24 4 3 (kd ) (kd ) (kd ) 4
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2、海洋表面噪声的空间相关函 数
讨论单频或窄带噪声： 2）水平方向噪声场的空间相关系数 a. m=1时
N12
S
dS1 dS2 ps (t , r1 ) ps (t 12 , r2 ) G (1 )G ( 2 ) R1 R2
记：
Bs ( 12 , r1, r2 ) ps (t, r1 ) ps (t 12 , r2 )
——海面处噪声源自身的时空相关函数
14
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
(0, d )
0
/ 2 2
0
cos[kd sin cos( 1 )]d cos2 tand 2
/2
0
cos2 tand
又：

2
0
cos[kd sin cos( 1 )]d 2J 0 (kd sin )
2 J1 (kd ) N12 (0, d ) kd
N12 ( , d )

/2
0
N ( d cos / c)G 2 ( ) tand

/2
0
G 2 ( ) tand
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2、海洋表面噪声的空间相关函 数
假设 / 2 ，水平方向噪声场的相关系数为
/ 2 2
0
N12
( , d )
0
N [ d sin cos( 1 ) / c]dG 2 ( ) tand 2
1、基础知识
• 噪声的频谱分析
NL 10log I N / I 0 – 海洋环境噪声级 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： I N S f 因此有
NL 10log f 10log S / I 0
提示：水下噪声是多种噪声源的综合叠加。每种噪 声源的激励不尽相同，因此可能是线谱，也可能是 连续谱，甚至是两种的叠加。
30
答案
• 阵元间距要求小于1倍波长，通常取半 波长。原因：均匀各向同性噪声场的空 间相关函数第一零点为半波长。
• 噪声场的研究还可进行海底声学参数的 反演等。
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5、均匀各向同性噪声的空间 相关函数
假设噪声源均匀分布在球面上， 两水听器所接收到的由球面面元 dS所辐射的噪声声压也只差一时 延 12
21
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
对于单频或频带较窄的噪声，其相关特性曲线如下图。
22
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
O 600-800Hz ·200-400Hz m=2 4 级
200-400Hz ---v=6-7m/s ——v=20m/s m=2
当风和浪达3-4级时，300-400Hz以上的频率， 上述模型与实验数据很一致。当风平浪静时，或在低 频段，理论计算和实验数据的分歧通常很大，这可能 与声折射和海底反射的忽略有影响。
5
1、基础知识
• 噪声是一种随机过程
– 噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：
1 T R lim pt pt dt T T 2T S R e j d – 功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。

6
1、基础知识