實測海洋環境噪聲數據譜級特性研究

魏永星，于金花，李　琦，周　瑩，?！≌埽Ｖ救A，高　超

（國家海洋技術中心，天津　300112）

實測海洋環境噪聲數據譜級特性研究

魏永星，于金花，李琦，周瑩，常哲，牛志華，高超

（國家海洋技術中心，天津300112）

通過對噪聲測量潛標系統測得的94 d海洋環境噪聲數據及相應的氣象數據進行聯合時頻、相關性、統計特性分析，得到試驗海區風速、降雨等自然現象與噪聲譜級之間的關系。分析結果表明，海洋環境噪聲譜級與風速變化在低頻段相關性較低，高頻段相關性較高，同時1 kHz以上頻段譜級值分布接近呈正態分布；降雨對環境噪聲的影響主要分布在500 Hz以上頻段。

海洋環境噪聲；風速；相關性；統計特性；降雨

海洋環境噪聲是永恒存在的聲場，包含了豐富的水體、海面、海底等環境信息，研究者可以通過充分研究海洋環境噪聲來獲得海洋環境的物理特性及豐富的海洋聲學信息，還可以利用海洋環境噪聲的寬頻帶和任意時間存在的特性提取相關的海洋環境參數。

根據Knudsen，Urick，Wenz與Carey等的海洋環境噪聲文獻，可以將不同環境噪聲源分為相互覆蓋的三段：（1）低頻段1～100 Hz，主要來源于潮、浪、涌的壓力脈動，大尺度湍流以及遠處的風暴、地震等；（2）10～500 Hz，總體來說較為平緩，來源于遠處的航船，強弱與航運的頻繁程度有關；（3）500 Hz～25 kHz頻段，主要來源于風動海面。其中，風關噪聲、降雨噪聲是海洋環境的主要噪聲源之一，也是本文的重點研究對象。

本文以海洋環境噪聲測量潛標系統在某海域獲取的94 d海洋環境噪聲數據及相應的氣象資料為依托，通過時頻變換、相關性、統計特性分析等研究海洋環境噪聲譜級的時間變化特性以及風速、降雨等因素對海洋環境噪聲的影響。

1　資料處理方法

1.1海洋環境噪聲譜級

海洋環境噪聲級（NL）是用來衡量環境噪聲強弱的一個量。本文將原始數據進行分段處理得到噪聲譜級值，分段時保證FFT的頻率分辨率不大于1 Hz，并對每段數據進行加窗處理。因為實測數據量充足，在數據分段時并未進行重疊處理。多段數據之間進行功率譜平均后進行帶寬歸一化，即可得到該時間段的1/3倍頻程噪聲譜級值［1］，具體公式如下：

設有效噪聲信號為x（n），將其分為I段，每段長度為N，設第i段信號序列為xi（n），將xi（n）乘以窗函數w（n），其傅里葉變換為：

式中：i=1，2，……，I；k=0，1，2……，N-1。

則第i段修正（加窗）周期圖為：

則x（n）的功率譜估值P（k）為上述I個修正周期圖的線性平均：

式中：k=0，1，2，……，N-1。

1/3倍頻程噪聲譜級值如式（4）所示：

式中：NL（fi）為1/3倍頻程中心頻率fi處的噪聲譜級值；fh，fl分別為fi的上下限頻率對應的頻率位置；Δf為頻率分辨率；M（fi）為水聽器靈敏度。

1.2相關理論

兩變量之間的相關現象一般以相關系數來表示，基本公式如式（5）：

1.3統計理論

許多統計理論是建立在正態分布的基礎上，一般來說，資料達到一定的數量，會呈現正態分布。正態分布的指數方程式如式（6）所示：

式中：x為實測噪聲譜級值；σ為標準差；μ為期望值。

2　資料來源及處理流程圖

本文中使用的海洋環境噪聲數據來源于海洋環境噪聲測量潛標系統在某海域進行的94 d的連續測量。風速、降雨資料來源于美國國家環境預報中心（NCEP）再分析資料，空間分辨率為1°×1°。

本文資料分析流程如圖1所示。

圖1　資料分析流程圖

3　數據處理結果分析

3.1風速對環境噪聲譜級的影響

海面粗糙度是高頻段自然噪聲的噪聲源，與風速有關［2］。風造成的氣泡、空化以及海面激勵所產生的浪花會產生噪聲影響高頻段。如果能準確給出海洋環境噪聲級與風速的關系，可以通過海洋環境噪聲的實測數據來反演海面風速。1948年Knudson等［3］整理了第二次世界大戰期間海洋環境噪聲的海上測量數據，獲得以海況或者風力為參數的著名的Knudson譜，此后發現，風速與海洋環境噪聲譜級的相關性比海況的相關性更好。1964年Piggott［4］指出，在淺海（水深40 m以內）噪聲譜級與風速的對數呈簡單的線性關系，1972年Crouch和Bur［5］將此結果推廣到5 000 m深海。

3.1.1噪聲譜級與風速時頻及相關分析 本文將潛標系統得到的海洋環境噪聲數據進行濾波、剔除異常值后做時頻分析，得到風速與海洋環境噪聲譜級的時間變化圖2所示。

圖2　94 d風速與海洋環境噪聲譜級時間變化圖

由圖2可以看出，在頻率較高即500 Hz以上時，譜級值與風速的相關性較好，頻率較低即時500 Hz以下時相關性較差，說明風速與高頻相關程度高。

仔細觀察風速變化，發現在6月22日出現高峰值，著重分析6月17日00:00至6月30日23:00共14 d數據，得到其風速與海洋環境噪聲譜級的時間變化如圖3所示。

圖3　14 d風速與海洋環境噪聲譜級時間變化圖

由圖3可以看出，海洋環境噪聲譜級值的低頻段與風速的變化趨勢不太相似，主要是因為低頻段主要噪聲源為遠處航船噪聲，風速的影響較小，出現的峰值也是由于航船引起的；而高頻處在6月22日出現高峰，升高了近20 dB，此時對應的風速高達15 m/s。

為定量分析風速對噪聲譜級值的影響程度，圖4給出了譜級與風速的相關系數曲線：

圖4　海洋環境噪聲譜級與風速的相關系數

由圖4可以看出，500 Hz以下的頻段譜級值與風速的相關性較低，低于0.45，分析原因是該頻段遠處船舶噪聲占主要因素；500 Hz以上高頻段相關性較高，高于0.45，分析原因是該頻段風關噪聲占主要因素。

3.1.2噪聲譜級的統計特性分析由于海洋環境噪聲是隨機的，本文對94 d的海洋環境噪聲譜級值進行統計特性分析得到風關海洋噪聲級的統計特性。

50 Hz，100 Hz，1 000 Hz，8 000 Hz四個中心頻點的概率分布如圖5所示。

圖5　50 Hz，100 Hz，1 000 Hz，8 000 Hz頻譜值概率分布圖

由圖5可以明顯看出，海洋環境噪聲譜級在1 kHz以上大致符合正態分布，因為這一頻段的海洋環境噪聲主要是由海面風引起的，測量時間跨度長，所產生的噪聲接近于正態分布，此次海試結果與文獻［6］的結果類似。在1 kHz以下頻段為非正態分布，原因是航船噪聲是該頻段的主要噪聲源，其時空特性變化決定了非正態分布的特性。

3.2降雨對環境噪聲譜級的影響

當海面受到雨滴拍打，甚至產生氣泡時，就會產生降雨噪聲，使海洋環境噪聲譜級發生變化，其強度有時比風關噪聲大得多，是影響海洋環境背景噪聲級的一個重要干擾源，會極大降低聲納的檢測能力，影響水聲通信的應用頻段和降低水聲設備的性能。不同的降雨強度產生的雨噪聲具有獨特的譜形狀。軍事上，海面降雨產生的高強度寬頻帶的雨聲能夠降低聲納的檢測能力。

此次海試時間跨度較長，降雨信息十分豐富，故分析結果有較強的實用價值。本文統計該次海試不同降雨情況下的海洋環境噪聲譜級值，得到降雨與噪聲譜級之間的關系，如圖6所示。

圖6　降雨與噪聲譜級之間的關系

由圖6（a）可以看出，在500 Hz以下的低頻段降雨影響程度不大，原因為該低頻段船舶噪聲占主要因素；500 Hz以上高頻段不同的降雨影響程度變化較大；陣雨比晴朗時高10 dB左右，中雨比陣雨高5 dB左右，暴雨時噪聲譜近于“白噪聲”，比晴朗時高出約25 dB。此次分析結果與Heindsman等人在長島海峽觀測到的降雨自然噪聲譜結果（如圖6（b）所示）大致符合，譜線形狀較相似。

建立降雨強度與噪聲譜級之間的定量關系，不僅有助于掌握海洋環境噪聲源的相關知識，而且有利于實現利用海洋環境噪聲譜級的變化反演海上降雨的技術。

4　結論

本文通過對94 d連續海洋環境噪聲譜級值及風速、降雨等自然現象的時頻變換及相關性、統計特性分析得到以下結論：

（1）海洋環境噪聲譜級與風速變化在500 Hz以上高頻段相關性較高，500 Hz以下低頻段相關性較低，同時1 kHz以上譜級值分布大致呈正態分布，1 kHz以下非正態分布。原因分析是高頻段風生噪聲占主要因素，低頻段船舶噪聲占主要因素；

（2）降雨主要影響噪聲頻段為500 Hz以上。暴雨時噪聲譜近于“白噪聲”，比晴朗時高出約25 dB。

在本文的研究基礎之上可以進一步把噪聲信號當作有用的信號進行寬頻帶和時間特性加以分析利用，從而實現海況和降雨級別等海洋中氣象參數的反演，這將對海洋開發、天氣預報、海洋氣候學研究及國防軍事起到重要的作用。

［1］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，2011，30（2）：70-71.

［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］Knudsen VO，Alford R S，EmlingJ W.Underwater Ambient Noise［J］.Journal ofMarine Research，1948，7:410-429.

［4］PiggottCL.AmbietSeaNoiseatLowFrequenciesin ShallowWateroftheScotian Shelfs［J］.Journalofthe AcousticalSocietyofAmerica，1964，36（11）:2152-2163.

［5］Crouch W W，Burt P J.The Logarithmic Dependence of Surface-Generated Ambient-Sea-Noise Spectrum Level on Wind Speed［J］.Journal ofthe Acoustical SocietyofAmerica（Part 2），1972，51（3）:1066-1072.

［6］Hsiang-Chih C，Chi-Fang C，Ruey-Chang W.Analysis of the Significantly Statistical Duration to Clarify the Uncertainty of Ambient Noises Due toEnvironmental Changes［C］//OCEANS2008 MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean，2008：1-5.

Analysis on the Characteristics of Measured Ocean Ambient Noise Spectrum

WEI Yong-xing，YU Jin-hua，LI Qi，ZHOU Ying，CHANG Zhe，NIU Zhi-hua，GAO Chao
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

Through 94 d ocean ambient noise data and corresponding meteorological data collected from a submersible buoy system，joint time-frequency，correlation and statistical analyses are conducted to derive the relations between the noise spectrum and natural phenomena such as wind speed and rainfall.The analysis results show a lower correlation between noise spectrum and wind speed change in the lower frequency band and a higher correlation in the upper frequency bands.The distribution of noise spectrum level is close to the normal distribution above 1 kHz frequency and the effects of rainfall on ambient noise spectrum mainly appear in the band above 500 Hz.

ocean ambient noise；wind speed；correlation；statistical analysis；rainfall

TB566

A

1003-2029（2016）03-0036-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.007

2015-07-11

國家海洋公益性行業科研專項資助項目（201005004）

魏永星（1987-），女，助理工程師，主要研究方向為數字信號處理與研究。E-mail：weiyongxing1987@163.com