海洋環境噪聲數據處理及時空特性研究

魏永星，于金花，常 哲，趙淑坤，周 瑩，牛志華

（國家海洋技術中心 天津 300112）

海洋環境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景場，限制水聲設備性能的發揮[1]。環境噪聲是指除去所有可分辨的噪聲源后剩下的噪聲背景，即來自水聽器周圍的環境噪聲。海洋環境噪聲級是指用無指向性水聽器測得的環境噪聲的聲強，參考級是具有均方根聲壓等于1微帕的平面波聲強，將測得的噪聲級折算到1Hzd帶寬時的值為海洋環境噪聲譜級。研究海洋環境噪聲需要分析不同季節（時間）、不同海區、不同水文條件下的海洋環境噪聲時域、頻域和空域的特性，找出其規律，并以此為根據進行海洋環境噪聲預報，為水聲設備的設計、研制提供依據，準確評價并提高聲納裝備的戰術性能。

1 噪聲產生因素、測試方法

海洋環境噪聲具有明顯的變化性，是由于主要噪聲源的變化引起的。海洋環境噪聲的產生因素很多，通常包括潮汐、波浪所引起的壓力波和湍流引起的壓力脈動，以及地震活動、風動海面、降雨、分子熱運動、海洋中生物群體的活動等。在近海灣或港口處，工業噪聲與行船噪聲也是海洋噪聲的重要來源；遠處行船和遠處風暴的作用相當，是100 Hz左右頻率的主要噪聲源；在近海，風是噪聲的主要來源；降雨也起相當的作用。圖1是不同航運和風速條件下的平均典型自然噪聲譜。圖2是Heindsman，Smith和Arneson等人在長島海峽對降雨噪聲進行實際測量得到的降雨自然噪聲譜[2]。

圖1 深海平均環境噪聲譜Fig.1 Ocean ambient noise spectrum in level

海洋環境噪聲測量方式多樣，可以基于測量船、潛標、浮標或者岸站[3]，目前應用最為廣泛的是基于錨系聲學潛標系統的測量方式，因為潛標裝置能夠在惡劣海況下進行長期定點工作連續的海洋環境噪聲同步測量，并且能夠攜帶多種測量設備，可同步記錄溫、鹽、深、聲速等相關水文參數。還有一種測量方法是利用岸站聲納或者警備系統（包括水下監測網絡）進行海洋環境噪聲特性的測量，也將是我國噪聲監測技術發展的一個主要趨勢，具有測量長期性和能夠直接為聲納系統服務的特點。可以根據需要進行選擇使用。

圖2 長島海峽觀測到的降雨噪聲譜Fig.2 Noise spectrum of rainfall in Changdao strait

2 數據處理方法

海洋環境噪聲級（NL）是用來衡量環境噪聲強弱的一個量，本文海洋環境噪聲聲壓譜級處理方法依據海洋聲光要素調查規范[4]，計算公式如下：

1）噪聲頻帶聲壓級 Lpf

式中：

Lpf—噪聲頻帶聲壓級，單位為分貝（dB）；

Pf—用一定帶寬的濾波器（或計權網絡）測得的噪聲聲壓，單位為μPa；

P0—基準聲壓等于1 μPa。2）噪聲聲壓譜級 Lps

當聲能在Δf中均勻分布時；

式中：

Lps—噪聲聲壓譜級，單位為分貝（dB）；

Lpf—用中心頻率為f的帶通濾波器測得的頻帶聲壓級，單位為分貝（dB）；

△f—帶通濾波器的有效帶寬，單位為赫茲（Hz）。

海洋環境噪聲信號是一種寬帶的隨機信號[5]，在短時間內可視為平穩隨機過程，海洋環境噪聲采用1/3倍頻程譜能比較好地反映噪聲源的譜特性。本文最終得到的就是1/3倍頻程海洋環境噪聲譜級，以每小時為單位分段。譜分析時可以將數據再細分，保證頻率分辨率小于1 Hz。

3 數據分析

本項目利用坐底式錨系聲學潛標在我國某海區進行了為期90天的海洋環境噪聲測量，并同步記錄該海區的水文現象。本文對獲取的海洋環境噪聲數據進行頻域和時空分析，由于時間跨度長，示范海域選擇具有典型性，分析結果具有重要的應用價值。隨機選取其中某段隨機噪聲信號，時域結果如圖3所示。由圖3可知：該海區海洋環境噪聲信號幅度很小，主要集中在±3 mV之內，在60 s時間內沒有較大的起伏，可以認為該段噪聲數據相對平穩，無明顯干擾。

圖3 隨機海洋環境噪聲原始信號Fig.3 Random sample of original ocean ambient noise signal

下面通過時空頻域特性研究來得到觀測海區的噪聲水平。潛標陣上水聽器的位置根據空間相關性原則進行設計，確保在關注的深度層面上有水聽器分布，圖4是某時刻31.5 Hz、63 Hz、100 Hz、125 Hz、160 Hz、250 Hz、400 Hz、630 Hz、1 250 Hz等不同中心頻率對應的1/3倍頻程海洋環境噪聲剖面圖。

圖4 不同中心頻率對應的1/3倍頻程海洋環境噪聲剖面Fig.4 1/3 oct ocean ambient noise spectrum section of different frequency

由圖4可以看出：

1）不同頻率的海洋環境噪聲譜級隨深度的變化趨勢接近一致，能量隨頻率的增加而減小，符合噪聲變化規律；

2）根據水文氣象記錄，此時的海況平穩，多云，南風4～5級，浪高1.2米，因此海洋環境噪聲空間變化規律比較有代表性；

3）越接近海底，海洋環境噪聲隨深度的增加梯度變化越大，可能是聲波與海底交互作用導致聲能的減弱；

4）100米處與107米處海洋環境噪聲譜級明顯變大，在聲納設計應用時應特別注意這兩個深度的影響。

此次海洋環境噪聲觀測時間跨度為90天，根據該示范海區的氣象水文等相關記錄，海況變化比較大，圖5是同一深度不同時刻1/3倍頻程海洋環境噪聲譜級分布情況。

由圖5可以看出：

1）該海區海洋環境噪聲能量分布按頻率由高到低呈下降趨勢，每倍頻程按（6～8）dB衰減，符合海洋環境噪聲分布規律；

圖5 同一深度不同時刻的1/3倍頻程海洋環境噪聲譜級分布Fig.5 Distributing of 1/3 oct ocean ambient noise spectrum at different time in the same deep

2）5月2日的噪聲水平整體高于7月10日的噪聲水平（10～30）dB，結合該海區的水文氣象資料，得知，5月2日出現中雨，東北風6～7級，浪高達到了2米，海況復雜，而7月10日多云，南風4～5級，浪高1.2米，海況相對平穩，根據圖1可知不同的風力也會使噪聲譜級有相應的變化，根據圖2可知降雨會明顯提高自然噪聲級，綜上所述，兩天的噪聲水平發生明顯變化主要是因為海況的影響，而且可以得出7級風和中雨共同影響可以使噪聲譜級（500～9 000）Hz的頻段整體提高（10～30）dB，在衡量該海區噪聲水平的時候要注意海況的影響；

3）7月10日11時（30～100）Hz頻段噪聲譜級值偏高，由水文氣象資料知道此時的海況比較平穩，最大的影響原因可能是航船，因為航船對噪聲的影響范圍一般為（20～500）Hz，所以此時可能會有航船經過造成低頻段譜級偏高。

4 結束語

文中介紹了噪聲數據的數據處理方法，處理時域、頻域和空間分布上分析了某海區實測海洋噪聲數據的時空變化特性。研究發現，該海區的海洋環境噪聲譜級在空間上變化趨勢接近一致，在聲納設計、應用時應特別注意海洋環境噪聲突然變化的深度。具體海洋環境變化（降雨、風力、航船等）與噪聲譜級的關系需要進行更加細致的研究。

噪聲的時空分布是無規則的、運動的，具有很大的環境依賴性[6]，文中僅提供了某海區長時間的實測數據時空變化典型分析過程，這遠遠不夠，我們需要進行更多點的實際測量得到廣泛完整的噪聲分布情況，為水聲設備的設計應用提供參考數據。

[1] R.J.尤立克.水聲原理[M].哈爾濱:哈爾濱船舶工程學院出版社,1990.

[2] 劉伯勝，雷家煜.水聲學原理[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2006.

[3] 徐功慧，陳鴻志，王二慶，等.海洋環境噪聲觀測技術及數據處理方法[J].海洋技術，2011:69-70.XU Gong-hui, CHEN Hong-zhi, WANG Er-qing, et al.Ocean ambient noise observation technology and signal processing Methods[J]. Ocean Technology, 2011:69-70.

[4] 中國國家標準化管理委員會.GB/T 12763.5-2007.海洋調查規范 海洋聲、光要素調查[S].北京：中國標準出版社,2008.

[5] 高西全，丁玉美.數字信號處理[M].西安：西安科大出版社，2008.

[6] 馮士筰，李鳳岐，李少菁.海洋科學導論[M].北京:高等教育出版社，1999.