考慮噪聲源深度分布的海洋環境噪聲模型及地聲參數反演?

江鵬飛 林建恒2)? 孫軍平 衣雪娟

1)(中國科學院聲學研究所北海研究站,青島 266023)2)(中國科學院水聲環境特性重點實驗室,北京 100190)(2016年7月13日收到;2016年10月11日收到修改稿)

考慮噪聲源深度分布的海洋環境噪聲模型及地聲參數反演?

江鵬飛1)林建恒1)2)?孫軍平1)衣雪娟1)

1)(中國科學院聲學研究所北海研究站,青島 266023)2)(中國科學院水聲環境特性重點實驗室,北京 100190)(2016年7月13日收到;2016年10月11日收到修改稿)

考慮到海洋環境噪聲源深度分布不集中,建立了噪聲源隨深度分布的海洋環境噪聲模型,分析了源深度對噪聲場垂向特征的影響并從簡正波角度予以解釋,發現海底聲阻抗和聲源深度都顯著影響由海洋環境噪聲獲得的等效海底反射損失大掠射角部分,進而將該模型用于地聲參數反演.兩段實測噪聲數據200—525 Hz頻段的反演結果表明:基于海洋環境噪聲的地聲參數反演最優值與聲傳播的反演結果相近;源平均深度最優值隨頻率增加有變小的趨勢,說明隨頻率增加環境噪聲主要貢獻源逐漸由航船轉為風浪;當海況大于3級時,400 Hz以上頻段噪聲源深度平均值很小,與Monahan氣泡理論的描述一致.

環境噪聲源,深度分布,地聲反演

1引 言

海洋環境噪聲在幾十赫茲至20kHz段內有兩種主要的噪聲源[1]:風關噪聲和遠處航船噪聲.航船噪聲是200 Hz以下的主要噪聲源,風關噪聲是1kHz以上的主要噪聲源,而在200 Hz至1kHz頻段內,航船噪聲與風關噪聲都有貢獻,所占比例取決于航運繁忙程度和海況.眾所周知,氣泡是風關噪聲的主要噪聲源,波浪破碎將空氣卷入海水中,形成氣泡,基于大量的實驗觀測和前人的工作,Monahan[2]系統闡述了氣泡的演變歷程,當風速達到5.4m/s時(3級海況)且持續作用時,海浪破碎在海面產生白沫,白沫以下臨近海面處會持續生成大量氣泡,當風力較弱時,破碎波浪產生向下噴射的動力消散,氣泡經過一系列演變最終與白沫分離,和背景氣泡層融為一體,分布于較大的深度范圍內,在11—13m/s風速作用下,氣泡最大深度可達10米,密度最大值出現在4m處[3];而作為高工況航船噪聲主要來源的螺旋槳一般位于水面下幾米至十幾米的深度,可見“混合”噪聲源的存在可導致環境噪聲源深度分布較分散.那么在某些頻段聲場預報和地聲參數反演中,繼續使用假設噪聲源隨機連續分布在接近海面的同一無限大平面上的傳統環境噪聲模型,顯然不夠合理,可導致預報或反演結果出現較大誤差.本文討論了噪聲源深度對環境噪聲場垂向空間特征的影響,并給出合理的物理解釋,進而將噪聲源深度分布的環境噪聲模型用于地聲參數反演.

有關海洋環境噪聲模型,最早可追溯到1962年,Cron和Sherman[4]把深海看作一個均勻的半空間,假設噪聲源指向性為cospθ,建立了一個深海環境噪聲模型.1972年,Cox[5]將空間相關性分析運用在噪聲場研究中,加入波數譜概念,建立了海洋環境噪聲模型.1980年,Kuperman和Ingenitgo[6]提出了K-I模型,認為噪聲源隨機連續分布于接近海面的無窮大平面上,利用波動理論推導了分層海洋中噪聲場空間相關函數.Buckingham和Carbone[7]推導了適用于半無限海洋的兩點間環境噪聲空間相關公式,分析了噪聲源深度對環境噪聲空間相關的影響,指出隨著噪聲源深度增加,噪聲源偶極子特征變弱,導致噪聲場空間相關系數逐漸與頻率無關.何利[8]考慮噪聲源深度分布,改進了K-I噪聲模型并計算了海洋環境噪聲場垂直相關,很好地解釋了試驗現象.

此外,近年來利用環境噪聲反演地聲參數,由于其不需要發射聲源,易于實施等優點逐漸受到人們的青睞.Deane等[9]分析了海底聲速和衰減對海洋環境噪聲垂直指向性和垂直相關的影響,并利用海洋環境噪聲垂直相關反演了聲速等海底參數.Aredov和Furduev[10]通過測量噪聲場的垂向能量分布,等效轉化成海底反射損失,理論分析了由噪聲場提取海底反射系數的可能性.Arvelo[11]分析了東中國海環境噪聲試驗數據,針對海水衰減、陣傾斜、近場船只等參數失配條件,分析了噪聲反演的穩健性和限制條件.Quijano等[12]將貝葉斯匹配場處理方法用于風關環境噪聲反演,并指出風速是影響反演結果的重要因素.駱文于[13]利用中美聯合考察東中國海得到的噪聲數據,反演得到無限大液態半空間海底聲速、密度、衰減.李丙輝[14]建立了海洋環境噪聲簡正波模型,反演了分層海底聲學參數,僅有仿真結果,未涉及試驗數據.殷寶友等[15]利用三個參數表征海底反射,建立了海底簡化的海洋環境噪聲模型,并用來反演海底聲學參數,該方法不考慮海底分層結構,相對簡單.此外江鵬飛等[16]針對海底密度不敏感問題,提出了分步反演策略.

以上回顧了部分海洋環境噪聲建模及反演海底參數的理論及試驗結果,不難發現,人們只討論了噪聲源深度對環境噪聲場空間相關特性的影響,并未涉及噪聲場其他空間特征,也沒有將噪聲源深度分布的環境噪聲模型用于地聲參數的反演.本文首先考慮噪聲源的深度,修改了基于射線法的近場環境噪聲模型,建立了噪聲源深度分布的海洋環境噪聲模型;然后討論噪聲源深度對環境噪聲垂直陣響應的影響,并給出合理的物理解釋;接下來基于噪聲源深度分布海洋環境噪聲模型,利用不同海況下的實測海洋環境噪聲數據來反演地聲參數,并對反演結果進行分析;最終得出結論.

2噪聲源深度分布的海洋環境噪聲模型

本文海洋環境噪聲模型采用近場射線法、遠場簡正波法混合算法.

射線法計算環境噪聲近場特性:N元等間距垂直水聽器陣布放于水中,相鄰水聽器間距為Δ,噪聲源深度為zs時,其中任意兩個水聽器接收環境噪聲互譜密度表示為[17]

其中q為噪聲源強度,θ′為m,n水聽器對的仰角(?π/2 ＜ θ′＜ 0為海面方向),kmn=2πf/cmn,cmn為兩個水聽器中心位置聲速,不同角度幅度因子A(θ′,f)表示為

其中Rs(θs,f),R(θb,f)分別為海面、 海底的反 射 系 數, θs= cos?1(cos(θ′)cs/cmn), θb=cos?1(cos(θ′)cb/cmn),cs,cb分別為海水中海面、海底位置聲速,這里假設 Rs(θs,f)=1;J(θ′)為近場完整聲線循環次數,可借助射線傳播程序求得;g(θs)是噪聲源的指向性函數,通常考慮噪聲源深度較小,假設聲源為偶極子,令g(θs)=sinθs,而隨著噪聲源深度增加,噪聲源偶極子特性逐漸消失,本文為討論噪聲源深度zs對環境噪聲場的影響[18],圖1給出zs=2m、頻率300 Hz情況下兩種噪聲源的指向性比較,二者差別明顯.

于是,近場環境噪聲垂直陣響應可以表示為

圖1 聲源深度2m、頻率300 Hz兩種噪聲源指向性比較Fig.1.zs=2m,f=300 Hz,the comparison between two kinds of noise source directionality.

簡正波法計算環境噪聲遠場特性:

其中ψm為第m號簡正波本征函數,km為簡正波本征值,αm為其虛部,r0為近場距離,本文記作r0=10×D,D為海深.

那么噪聲源深度為zs時環境噪聲垂直陣響應可表示為

Bz(θ,f,zs)=Bnear(θ,f,zs)+Bfar(θ,f,zs).(8)

本文假設噪聲源密度隨深度服從高斯分布:

其中z0為均值,σ2為方差.則環境噪聲垂直陣響應表示為

根據Harrison的理論[19],可通過環境噪聲垂直陣響應獲得等效海底反射損失:

本文模型在計算近場環境噪聲時對射線法進行了修改,使其能夠適應噪聲源深度變化的情況.為驗證本文近場模型,將其和采用scooter程序的近場波數積分模型[16]的計算結果進行比較,仿真環境如表1所列,假設相鄰陣元間距1m的31元垂直接收陣位于海水層中心位置.圖1和圖2分別給出了頻率450 Hz聲源深度分別為0.1m,2m時兩個模型的計算結果.就近場計算結果而言,二者在大仰角部分基本一致,在0°附近二者存在一定差距,原因是對于小仰角,(2)式中J(θ′)的微小差別可導致計算范圍的較大出入,但是從總聲場計算結果來看,二者在小仰角的差別可忽略不計.

表1 仿真環境參數Table 1.Environment parameters of simulation.

圖2 (網刊彩色)兩種模型計算環境噪聲垂直陣響應比較 (a)聲源深度zs=0.1m;(b)zs=2mFig.2.(color online)The vertical array response of ambient noise calculated by two models:(a)Source depth zs=0.1m;(b)zs=2m.

3噪聲源深度的分析和討論

本節借助上述模型仿真計算噪聲源不同深度時海洋環境噪聲垂向特征,并從簡正波角度給出合理的解釋,進而分析不同地聲參數對垂向特征的敏感度,以便利用環境噪聲反演地聲參數.

3.1 聲源深度對環境噪聲場垂向特征的影響

仿真環境同表1,海底反射系數[20]可表示為

其中Zj=ρjcj/sinθj,j=1,2,3,分別代表海水、沉積層和基底;c,ρ,θ分別是聲速、密度和掠射角.考慮到海底衰減,聲速通常表示為復數形式:其中α為衰減系數,單位為為沉積層厚度.那么海底損失為

分別計算噪聲源位于不同深度時250,450 Hz海洋環境噪聲垂直陣響應和等效反射損失,結果如圖3和圖4所示.可見隨著噪聲源深度的改變,海洋環境噪聲垂直陣響應能量大小、近場形狀都有明顯變化.簡正波理論認為,噪聲源激發各號簡正波強度可表示[21]為2

與噪聲源深度處本征函數成正比.圖5給出了250,450 Hz前5號簡正波本征函數,隨著噪聲源深度由海面逐漸下移,聲源激發的各號簡正波能量增強,環境噪聲垂直陣響應值也變大了.

圖3 (網刊彩色)噪聲源深度不同時250 Hz (a)環境噪聲垂直陣響應;(b)等效海底反射損失Fig.3.(color online)(a)The vertical array response,(b)equivalent seabed re fl ection loss of 250 Hz ambient noise when the source depth is di ff erent.

圖4 (網刊彩色)噪聲源深度不同時450 Hz(a)環境噪聲垂直陣響應,(b)等效海底反射損失Fig.4.(color online)(a)The vertical array response,(b)equivalent seabed re fl ection loss of 450 Hz ambient noise when the source depth is di ff erent.

圖5 不同頻率前5號簡正波本征函數Fig.5.The eigenfunctions of fi rst fi ve normal modes of di ff erent frequencies.

噪聲源深度變化還顯著改變了環境噪聲垂直陣響應凹槽外側部分的形狀(以及大掠射角的等效海底反射損失),為解釋這一現象,先討論不同簡正波對大掠射角等效海底反射損失的作用.可采用(1)—(4)式和(9)式仿真計算,這里假設(2)式中

圖6 不同簡正波作用下的AFig.6.The Awith di ff erent normal modes.

來分別對應高號、低號簡正波,那么分別求得A(θ′,f,zs)、大掠射角等效海底反射損失,結果如圖6和圖7所示.可見只有高號簡正波作用時,等效海底反射損失大掠射角部分遠高于低號簡正波作用的結果,高號簡正波“抬高”了等效海底反射損失.主要原因在于與高號簡正波對應的大掠射角聲線與海底碰撞時,海底反射損失較大,從而導致海面、海底方向傳來的聲線能量差異明顯.噪聲源深度增大到一定程度,其激發的高號簡正波能量開始衰減,而低號簡正波能量持續增強,由此便可解釋為什么隨著噪聲源深度增加,等效海底反射損失大掠射角部分降低了.

圖7 不同簡正波作用下的等效海底反射損失Fig.7.The equivalent seabed re fl ection loss with different normal modes.

另外,由圖3(b)和圖4(b)不難發現以下兩個現象:1)由于海面噪聲源激發的高號簡正波能量強于低號簡正波,噪聲源深度越接近海面,等效海底反射損失越大、越接近真實值,尤其在大角度部分;2)由于頻率越高,噪聲源聲源激發各號簡正波強度隨深度變化越快,當噪聲源深度由0.1m變為2.1m時,450 Hz環境噪聲垂直陣響應獲得的等效海底反射損失的變化大于250 Hz.

3.2 海底聲學參數敏感度分析

圖8 海底參數對環境噪聲垂直陣響應和等效海底反射損失的敏感性曲線 (a)聲速;(b)密度;(c)衰減Fig.8.The curve of the sensitivity of seabed parameters to the vertical array response of ambient noise and equivalent seabed re fl ection loss:(a)Sound speed;(b)density;(c)attenuation.

圖8分別給出了海底聲速、密度以及衰減系數對200 Hz環境噪聲垂直陣響應和等效海底反射損失的敏感性曲線,圖中每條曲線標注的兩個數字分別為沉積層和基底參數.可見,不同海底參數對海洋環境噪聲場垂向特征敏感度不同,海底聲速是在所有掠射角下對海底反射損失都有影響的重要參數;在大掠射角入射時,海底損失主要由法向聲阻抗率決定,海底密度很重要,但對于小于臨界角的掠射角,其對海底反射損失的影響基本可以忽略;衰減系數在掠射角小于臨界角時對海底反射損失影響較大.

綜上所述,海底聲速、密度和聲源深度都顯著影響等效海底反射損失大掠射角部分,如果依然假設噪聲源隨機連續分布于接近海面的無窮大平面上,難免出現海底聲速、密度反演結果偏大的情況,而簡單地假設噪聲源位于水下某一深度顯然與實際情況不符,采用噪聲源隨深度分布的海洋環境噪聲模型作為地聲參數反演的正向模型,可有效減少反演誤差.

4噪聲試驗分析及海底參數反演

聲源深度對海洋環境噪聲垂向特征影響顯著,反演過程中若聲源深度處置不當,可導致反演結果出現較大誤差.本節將噪聲源深度分布的海洋環境噪聲模型作為正向模型,利用某次海試測量的環境噪聲數據來提取地聲參數.

4.1 噪聲試驗過程

試驗選在某海域淺水區,平均海深約為37m,海底地形比較平坦,淺剖顯示海底無明顯分層,平均聲速剖面如圖9所示,10—15m范圍內有較強的躍層.在聲傳播試驗間隙,利用自容式的水聽器垂直線列陣采集噪聲數據,垂直陣布放于2—30m深度,相鄰陣元間距為1m,這里選取兩段時長約為2min噪聲數據進行處理,兩段數據采集過程中平均風速分別為2.8,4.86m/s(換算成海面10m處風速分別約為3.1,6.1m/s).圖10給出了兩段不同深度環境噪聲功率譜數據,具有較為明顯的航船噪聲特征:低頻譜峰附近出現一系列諧波線譜.此外,由于風速較大,數據2的風關噪聲環境噪聲(大于200 Hz頻段)功率譜要明顯高于數據1.圖11給出了兩段環境噪聲垂直陣響應數據可見:1)除±20°外,在約負20°到負90°方向上能量較強且出現其他峰值,說明附近確實有船只;2)在低頻段0°附近未見“凹槽”,可能由遠處航船所致.

4.2 反演方法

圖9 試驗期間平均聲速剖面Fig.9.The mean sound speed pro fi le during the experiment.

圖10 (網刊彩色)不同深度環境噪聲功率譜Fig.10.(color online)The spectrum of ambient noise at various depths.

圖11 兩段數據環境噪聲垂直陣響應隨頻率變化Fig.11.The change of vertical array response of ambient noise with di ff erent frequencies.

下面扼要介紹海底聲學參數的反演方法,假設海底為無限大半空間,待反演的參數為m={c,ρ,α,σ2,z1,z2,···,zn},其中c,ρ,α分別為海底聲速、密度、衰減系數,σ2為噪聲源隨深度高斯分布的方差,zn為不同頻率源深度均值.采用等效海底損失理論值BLinv與試驗值BLexp的均方差為代價函數進行多頻聯合反演:

其中Ntheta為角度個數.本文選擇在匹配場反演中廣泛應用的自適應單純形模擬退火算法[22]實現待反演參數最優值求解.自適應模擬退火算法結合模擬退火和單純形下降法兩種方法的優點,具有很強的全局優化搜索能力,速度快,魯棒性較好.

4.3 反演結果分析

表2給出了待反演參數及其搜索范圍和同次試驗中利用聲傳播、環境噪聲反演的結果,可見將噪聲源深度分布的環境噪聲模型用于反演時,由兩段數據提取的地聲參數結果相近,與聲傳播反演結果差別較小,分析海底底質介于第6,7類[23]之間.傳統模型反演(假設聲源深度為0.1m)獲得的地聲參數均大于聲傳播反演結果,其中密度最優值遠高于經驗值.通過分析由兩段數據獲取的不同頻率聲源深度均值,可以發現頻率高于400 Hz時,噪聲源平均深度最優值明顯小于低頻段的反演結果,主要原因在于隨頻率的增加,海洋環境噪聲主要貢獻源逐漸由航船轉為風浪,這也符合Wenz曲線的特征.此外,由數據2獲取的425 Hz和500 Hz源平均深度最優值很小,遠小于數據1,這可根據Monahan的理論予以解釋:當風速大于5.4m/s時,海面波浪破碎,臨近海面處持續生成大量氣泡,從而使高于400 Hz頻段噪聲源多集中于海面下極小深度內;當風速較小時,風關噪聲主要噪聲源為背景氣泡層,噪聲源深度分布較分散.數據2獲取的525 Hz源平均深度最優值為2.5m,與上述理論不符,原因可能是該頻率位于航船噪聲干涉結構的譜峰附近.圖12和圖13分別給出數據1,2待反演參數隨迭代次數的變化,隨著迭代次數的增加,待反演參數逐漸趨于最優值.圖14和圖15分別給出兩組數據反演最優值代入模型計算等效反射損失與實測值的比較,可見大多數頻率在大掠射角部分二者符合較好,頻率大于300 Hz時,實測值在掠射角小于60°的部分出現起伏,而模型計算結果相對平穩,原因在于:實驗期間某一深度或某幾個深度存在較強噪聲源,可導致等效反射損失實測值出現起伏,而模型計算結果相當于一定深度范圍內的所有深度計算值加權平均,所以結果相對平穩.

表2 待反演參數及反演結果信息表Table 2.The range of parameters for inversion and the inversion results.

圖12 待反演參數隨迭代次數變化(數據1)Fig.12.The value change of parameters for inversion with number of iteration(data 1).

圖13 待反演參數隨迭代次數變化(數據2)Fig.13.The value change of parameters for inversion with number of iteration(data 2).

圖14 實測結果與反演最優值計算結果比較(數據1)Fig.14.The experimental results compared to the predicted results evaluated at inverted value(data 1).

5結 論

在200—2kHz頻段內,航船及風浪是環境噪聲的兩種主要聲源,“混合”聲源的存在使該頻段環境噪聲源深度分布較分散.這種情況下,海洋環境噪聲建模如果依然沿用噪聲源均勻分布在接近海面的無限大平面上的假設,顯然是不合適的,為此本文建立了噪聲源深度分布的海洋環境噪聲模型,并將該模型用于地聲參數反演.本文主要結論如下.

1)噪聲源深度對等效海底反射損失大掠射角部分(環境噪聲垂直陣響應凹槽外側部分)的形狀影響顯著,主要原因在于:不同號簡正波對等效海底反射損失大掠射角部分作用不同.與高號簡正波對應的大掠射角聲線與海底碰撞時,海底反射損失較大,使海面、海底方向傳來的聲線能量差異明顯,所以高號簡正波可“抬高”等效海底反射損失.那么,隨著噪聲源深度在一定范圍內增大,激發的低號簡正波能量持續增強,而高號簡正波較早出現衰減,從而導致等效海底反射損失變小.

2)海底聲速、密度和聲源深度共同決定等效海底反射損失大掠射角部分,地聲參數反演中需將聲源深度考慮在內.

圖15 實測結果與反演最優值計算結果比較(數據2)Fig.15.The experimental results compared to the predicted results evaluated at inverted value(data 2).

3)實測數據反演結果表明,利用環境噪聲反演的地聲參數與聲傳播的反演結果相差較小,且與經驗值相符;隨著頻率增加,源平均深度反演最優值有變小的趨勢,表明環境噪聲主要貢獻源逐漸由航船轉為風浪,這符合Wenz曲線對噪聲源特征的描述;當風速大于5.4m/s時,風關噪聲源(＞400 Hz)集中于海面下很小的范圍內,而風速較小時,風關噪聲源(＞400 Hz)深度分布較分散,這與Monahan氣泡理論相符合.

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PACS:43.30.Nb,43.30.PcDOI:10.7498/aps.66.014306

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11174314),and the Open-end Funds of the Key Laboratory of 715th Research Institute China Shipbuilding Industry Corporation(Grant No.KF201502).

?Corresponding author.E-mail:linjh@mail.ioa.ac.cn

Ocean ambient noise model considering depth distribution of source and geo-acoustic inversion?

Jiang Peng-Fei1)Lin Jian-Heng1)2)?Sun Jun-Ping1)Yi Xue-Juan1)

1)(Qingdao Branch,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Qingdao 266023,China)2)(Key Laboratory of Underwater Acoustic Environment,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)(Received 13 July 2016;revised manuscript received 11 October 2016)

An ocean ambient noise model is established considering source depth distribution.The model is used to analyze the e ff ect of source depth on the vertical characteristics of ambient noise fi eld.The analyses are explained and validated by normal mode theory.The energy of normal mode excited changes with source depth.E ff ects of di ff erent order normal modes are di ff erent.The high order modes raise up the equivalent seabed re fl ection loss,whereas the low order modes depress it.It is found that the seabed sound speed,density and source depth all have signi fi cant in fl uences on equivalent seabed re fl ection loss at large grazing angles.So the source depth should be taken into account and the model is used in geo-acoustic inversion.Two sets of experimental data in a bandwidth of 200—525 Hz are used to obtain geo-acoustic parameters.The results show that the geo-acoustic parameters inverted from ocean ambient noise and from sound propagation data are similar.The mean value of inverted source depth tends to be smaller as frequency increases,which demonstrates that wind waves become dominant over ship noise.The average of inverted source depth values in the band(＞400 Hz)is very small when sea state is higher than grade 3,which is consistent with the result from the Monahan’s bubble theory.

ambient noise source,depth distribution,geo-acoustics inversion

10.7498/aps.66.014306

?國家自然科學基金(批準號:11174314)和中船重工715所重點實驗室開放基金(合同號:KF201502)資助的課題.

?通信作者.E-mail:linjh@mail.ioa.ac.cn