青島近海航船相關海洋環境噪聲譜級特性分析

孫軍平，林建恒，衣雪娟，江鵬飛，李 娜

（中國科學院聲學研究所北海研究站，山東青島 266114）

0 引言

海洋環境噪聲是水下探測和通信的重要物理背景場，大體可分為氣象噪聲、人為噪聲和生物噪聲三種類型[1-7]。大量測量和研究表明[8-14]，各種噪聲源對海洋環境噪聲的貢獻具有不相同的頻率特性。一般認為，風關海面噪聲和遠處航船是海洋環境噪聲最重要的兩種噪聲源，其中風關海面噪聲的能量分布在10 Hz～20 kHz 頻段，而遠處航船噪聲的貢獻主要集中在1 kHz 以下的較低頻段。

隨著全球航運貿易的發展，商船數量和噸位不斷增長，低頻段海洋環境噪聲譜級在過去幾十年里存在緩慢上升的趨勢[15-21]。近海是大量生物的棲息地，因距離航道較近，水下噪聲污染對海洋生物影響較大[3,22]。

國外在大時間跨度的低頻海洋環境噪聲測量和分析方面做了較多的工作，國內目前這方面的工作也在積極開展，而近海航道與非航道海域低頻環境噪聲特性的差異，特別是禁漁政策對近海環境噪聲的影響研究較少。我國每年6～9 月份實行大約3個月的禁漁，這期間大量漁船無法出海，因此導致的水下噪聲特性變化急需研究。

1 試驗數據獲取

2014～2015 年，研究人員每月選擇海況較好、易于小型試驗船出航的天氣，利用自容式水聽器測量青島近海近航道區域或者遠離航道區域的海洋環境噪聲，實驗期間有專門船只看護坐底式測量系統，并利用船載自動識別系統（Automatic Identification System,AIS）記錄經過測量系統附近的航船數據，每個航次的測試時間約6～8 h。

圖1 為海洋環境噪聲測試的布設圖，試驗船只航行到預定海域后，將激活的自容式測量系統布放至海底，并同步記錄試驗期間附近航船信息。海洋環境噪聲數據的測量時間跨度大約2 y，青島近海每年的6 月1 日～9 月1 日為禁漁期，這段時間內，海上漁船大幅度減少。

圖1 海洋環境噪聲測試的布設圖 Fig.1 Layout of ocean ambient noise tests

首先對坐底自容式水聽器所采集數據進行預處理，選取目視距離或1.5 nmile（1 nmile=1.852 km）范圍內沒有航船，并且時頻圖中沒有明顯干涉條紋的時間段數據，以去除近場船只強點源的干擾，然后進行傅里葉變換，具體步驟為

其中：FFT（?）表示傅里葉變換；fn=nfs/N，n=0,1,…,N?1；fs為采樣頻率；N為截取的信號數據點數，依據式（1），得到該段數據環境噪聲的功率譜帶級為

式中：S為水聽器靈敏度。噪聲的功率譜密度級表示為

式中，?f=fs/N為頻率采樣帶寬。

最后在公式（3）的基礎上進行多項式擬合，去除干擾線譜，獲得連續譜LN2（fn）。以1 s 為分析時長，重復M次上述處理過程，最終得到基于能量的算術平均噪聲譜級為

（第2 節中的圖片展示的是1/3 倍頻程頻點頻率的功率譜級）。

表1 為每一次試驗的時間和地點信息記錄。

表1 試驗地點和時間記錄 Table 1 Test sites and times

2 實測數據處理與分析

圖2（a）、2（b）分別是基于遠離航道海域和近航 道海域實測數據分析獲取的25～500 Hz 頻段海洋環境噪聲功率譜圖。可見遠離航道海域不同月份環境噪聲譜峰的位置變化較大，主要分布在35～100 Hz 頻段，而近航道海域主要集中在50 Hz 頻段附近。基于近航道與遠離航道海域不同月份環境噪聲能量的算術平均得到的噪聲譜級差值結果如圖3所示。藍線、黑色點線以及紅色星線分別表示2014年、2015 年以及這兩年總數據的功率譜的差異，從圖3 中2014 與2015 年的總數據可知航道附近海域環境噪聲譜級相比非航道環境噪聲譜級，在30Hz～100 Hz 頻段，高出5～10 dB；而在150～500 Hz 頻段，高出大約3 dB。

圖2 不同時間在航道與非航道測量的25～500 Hz 頻段海洋 環境噪聲功率譜 Fig.2 Power spectrum levels of ocean ambient noise between 25 Hz and 500 Hz measured in the channel and non-channel waters at different times

圖3 不同年份測得的非航道和航道海域海洋環境噪聲譜的差值 Fig.3 Differences between ocean ambient noise spectrums in the channel and non-channel waters measured in different years

圖4、5 分別為青島近海遠離航道和近航道海域禁漁期與非禁漁期的環境噪聲功率譜級差值分析（基于多個月份能量的均值，方法同圖3）。由表1可知，2014 和2015 年禁漁期間，遠離航道的海域只在每年的6 月份做了一次試驗，因此將兩年數據合并統一分析。依據圖4 所示，非禁漁期遠離航道 海域低頻海洋環境噪聲譜級在32 Hz 以及320 Hz頻段附近相比禁漁期高出約7 dB，二者差值的最小值出現在80 Hz 附近，約為2 dB。

圖4 非航道海域海洋環境噪聲譜級禁漁期與非禁漁期的差值 Fig.4 Difference between ocean ambient noise spectral levels far away from the channel measured in the fishing and banned periods

圖5 中藍線、黑色虛線以及紅色星線分別為2014、2015 年禁漁與非禁漁期的噪聲譜級比較。2014 年和2015 年噪聲數據的功率譜級差異曲線隨頻率變化趨勢基本一致，由兩年合并后的總數據可知，在100～400 Hz 頻段，航道附近海域非禁漁期比禁漁期低頻噪聲譜級高約4 dB。

圖5 不同年份測得的近航道海洋環境噪聲譜級禁漁期與 非禁漁期的差異 Fig.5 Differences between near-channel ocean ambient noise spectral levels in the fishing and banned periods measured in different years

圖6 為2014～2015 近兩年時間內青島近海6個月禁漁期與14個月（次）非禁漁期環境噪聲譜級的比較，在150～400 Hz 頻段，非禁漁期比禁漁期高出大約4～5.5 dB，而差值最小位置出現在30～50 Hz 頻段，大約為0.5 dB，差值最高的頻段大約在250～300 Hz，達到了5.5 dB。

圖6 青島近海環境噪聲譜級禁漁期與非禁漁期的差異 Fig.6 Difference between offshore ocean ambient noise spectral levels measured in the fishing and banned periods in Qingdao

圖7、8 分別是在青島近海具有代表性的實測集裝箱商船和木質漁船的輻射噪聲功率譜。商船輻射噪聲能量主要集中在30～50 Hz 頻段之間，而漁船輻射噪聲的能量分布與商船不同，主要分布在200～300 Hz 頻段。這一定程度上解釋了航道與非航道噪聲譜級差值較大的主要頻段為30～100 Hz，而非禁漁期差值最高的頻段大約在250～300 Hz。

圖7 集裝箱商船輻射噪聲功率譜 Fig.7 Noise power spectrum radiated by container ship

圖8 木質漁船的輻射噪聲功率譜 Fig.8 Noise power spectrum radiated by wooden fishing boat

非航道海域低頻海洋環境噪聲譜級在32 Hz 處非禁漁期比禁漁期高出大約7 dB（圖4），原因未知，后續將繼續進行該地點附近海域的試驗，補充數據，進行研究。

3 結論

本文對青島近海航道與非航道附近海域兩年時間跨度的海洋環境噪聲實測數據進行了功率譜分析，分析結果表明：

無論是航道附近還是遠離航道海域，近海海洋環境噪聲都受到了遠處航船低頻輻射噪聲的影響。在航道附近，環境噪聲功率譜的峰值位于50 Hz 頻段附近，與Wenz 曲線基本一致，而遠離航道區域，譜峰位置在 35～100 Hz 之間變化，譜峰所在的頻率增大。該變化與Wenz 曲線中深、淺海變化趨勢類似。

近海海域，航道附近的低頻海洋環境噪聲功率譜級與非航道海域相比差異明顯，30～100 Hz 頻段高出大約5～10 dB，在150～500 Hz 頻段，噪聲功率譜級高出大約3 dB。近航道的海洋環境噪聲譜特性較穩定，航道附近海域較適于對商船和漁船水下輻射噪聲進行統計意義上的測量和監控。

我國每年的禁漁政策導致近海水下環境噪聲特性在某些頻段發生較大改變，漁船的數量會在禁漁期大幅下降。在150～400 Hz 頻段，非禁漁期比禁漁期環境噪聲功率譜高4 dB 以上，這在一定程度表明了漁船與商船對低頻海洋環境噪聲貢獻的差別。禁漁期與非禁漁期的低頻海洋環境噪聲相比，在30～50 Hz 頻段噪聲譜級差異最小，表明遠處商船輻射噪聲對近海環境噪聲的貢獻較為穩定。