東印度洋海域風和降雨對環境噪聲的影響*

柳云峰 李整林 秦繼興 吳雙林 王夢圓 周江濤

1) (中國科學院聲學研究所,聲場聲信息國家重點實驗室,北京 100190)

2) (中國科學院大學物理學院,北京 100190)

3) (中山大學海洋工程與技術學院,珠海 519000)

4) (北京5111 信箱,北京 100094)

海面風和降雨對海洋環境噪聲影響顯著,利用海洋環境噪聲模型結合風速和降雨率參數可對環境噪聲譜級進行預報.本文研究了東印度洋海域環境噪聲特性,分析了海面風速和降雨率對海洋環境噪聲的影響規律,結果表明沒有降雨時高頻段噪聲譜級與風速的相關系數可達0.59,存在降雨時高頻段噪聲譜級和降雨率的相關系數可達0.85,強降雨可使高頻段環境噪聲譜級增大6 dB 以上.同時修正了風生噪聲源級公式使其適用于東印度洋深海環境,修正后模型預報強降雨噪聲譜級與實驗數據整體誤差在2 dB 以內.利用小范圍降雨噪聲數據對模型進行驗證時發現,在小范圍降雨時噪聲源模型采用海面非均勻降雨噪聲源,比采用均勻噪聲源的計算結果更加準確.修正后的風生及降雨噪聲模型對東印度洋海洋環境噪聲特性預報具有重要意義.

1 引言

海洋環境噪聲作為水聲信道中的一種干擾背景,長期存在于海洋波導中[1,2].各種類型的噪聲源在不同頻段和時間下起不同程度的作用,風生和降雨噪聲是海洋信道中高頻段噪聲的主要成分.在聲納信號處理中,為了準確獲知“信噪比”,噪聲的強度、時空變化特征及統計特性等是聲納系統設計與使用必須考慮的參數.由于自然噪聲源主導了海洋環境噪聲級的基準分布,因此對于海洋環境噪聲的研究也有助于海洋風和降雨的研究[3].

對于海洋環境噪聲的大量研究指出,海洋環境噪聲在不同海域和各種條件下的特性有所差異[4-10].Knudsen等[11]分析了二戰期間大西洋及其他各海區的環境噪聲,給出1 kHz 以上頻段0—6 級海況下深海噪聲譜.Wenz[12]在其深海噪聲譜基礎上,通過分析海上實驗數據,總結出具有實用意義的Wenz 譜線,指出在0.5—5 kHz 的頻帶內隨頻率增大每倍頻程降低5 dB.Knudsen等[11]和Wenz[12]通過實驗數據總結出的海洋環境噪聲經驗譜線,展現了不同噪聲源的主要作用頻段和噪聲譜級的基本分布情況.

關于噪聲級和海面風速、降雨率的相關性,相關學者提出一系列經驗回歸公式來預報噪聲級.在噪聲級和風速的相關性方面,Piggott[13]分析了加拿大東岸淺海海域實驗數據,給出風生噪聲強度和風速對數線性相關的半經驗公式.Vagle等[14]研究了海洋噪聲和風速之間的關系,并給出了風速和8 kHz 噪聲級的半經驗公式,可以通過噪聲測量定量給出風速的值.林建恒等[15,16]通過對青島附近海域環境噪聲及海面風速進行長期觀測,研究了噪聲級和風速對數之間的相關性.笪良龍等[17]基于連續3 個月潛標測量的南海環境噪聲,指出0.8—5 kHz 范圍內噪聲級與風速相關性最好.Wang等[18]分析了風成噪聲源的建模問題,并建立經驗公式來描述風生噪聲強度.在噪聲級和降雨率的相關性方面,Nystuen等[19,20]發現降雨噪聲強度大并且具有特殊的性質,可以用來監測和測量海面降雨.Ma等[3]分析了不同降雨量和風速下的環境噪聲特性,并通過擬合實驗數據得到噪聲級與風速、頻率等相關的經驗回歸公式,通過經驗公式和海面風速與降雨等條件可以預報環境噪聲級.國內在降雨噪聲方面的研究主要集中在實驗數據分析,以及降雨率與噪聲強度之間關系的定性討論方面.劉貞文等[21]指出了海洋降雨噪聲有別于室內水滴實驗輻射噪聲具有復雜性,并宏觀建立了降雨量與噪聲功率譜的初步聯系.魏永星等[22]利用長時間海洋環境噪聲數據,分析了不同降雨率下噪聲譜級的變化特征,指出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.徐東等[23]研究了臺風過程中存在的降雨對海洋環境噪聲的影響,指出在1—3 kHz 的頻段內,臺風中的降雨噪聲要比風生噪聲大5—6 dB,并根據半經驗公式計算了降雨噪聲譜.

由于不同海區的噪聲源、海洋環境等復雜多變,噪聲級和海面風速、降雨率的相關性也會有所不同,經驗公式的適用性較差.隨著研究的深入和實際應用需要,為了充分掌握風速、降雨率與相應環境噪聲之間的關系,通常需要精確的海洋環境噪聲預報模型.Carey等[24]使用拋物方程方法建立了噪聲場模型,考慮了海面航船和風生噪聲源,但未涉及降雨對噪聲的影響.Harrison等[25]利用射線理論提出水平不變環境下的噪聲場建模,并給出了計算噪聲垂直指向性和噪聲級的方法,但未給出降雨噪聲的預報實例結果.何利等[26]分析了青島附近海域長時間觀測噪聲數據,同時考慮海面均勻分布噪聲源和附近離散分布船噪聲的影響,提出適合于航道附近的海洋環境噪聲模型.Jiang等[27]分析南海深海風占主導的環境噪聲特性,通過射線模型給出不同風速下的噪聲譜.汪洋等[28]基于射線理論構建了深海風生噪聲計算模型,修正了噪聲源公式,實現了南海實驗海區不同風速下的噪聲譜數值計算,但未包含有降雨噪聲譜級的預報.

印度洋作為地球第三大洋,同時也是一個占據優越的地理位置和具有海權戰略格局的大洋,但相比于其他的大洋,印度洋是最缺乏現場觀測的熱帶大洋[29],我國對于印度洋海域的水聲物理方面研究不足,對東印度洋海域的海洋環境噪聲特性研究相對較少,發展適用于該海域的噪聲預報模型至關重要.本文根據2019 年東印度洋深海實驗獲得的海洋環境噪聲數據,對環境噪聲級和風速、降雨率的相關性及降雨狀況下環境噪聲譜級的分布情況進行了分析,研究了風和降雨對海洋環境噪聲的影響.基于射線理論,建立了海洋環境噪聲預報模型,修正了風生噪聲源級經驗公式,使其適用于該實驗海域,代入修正的風生噪聲源級公式,該模型可準確預報強降雨噪聲譜級.噪聲模型使用海面非均勻分布降雨噪聲源替代均勻分布噪聲源,使其能夠準確預報小范圍降雨條件下的海洋環境噪聲.

2 實驗介紹

2019 年8 月,聲場聲信息國家重點實驗室在東印度洋海域開展了深海聲學綜合實驗,這是我國首次在印度洋開展聲學實驗,其主要內容之一是研究東印度洋海域環境噪聲特性,實驗期間對海洋環境噪聲進行了記錄.海上實驗示意圖如圖1 所示,實驗接收設備為深海聲學潛標垂直接收陣(VLA).聲學潛標主要由26 個自容式水聲記錄儀(USR)和溫深傳感器(TD)組成,USR 以非等間隔方式分布在水深70—3082 m 范圍內,各個陣元上的USR采用同步工作模式,采集記錄不同深度上的海洋環境噪聲;TD 用來確定接收器USR 深度.USR 采樣頻率16 kHz,接收靈敏度為—170 dB,最低工作頻率為20 Hz.在VLA 處測量的海水聲速剖面(SSP)如圖2 所示,海面處聲速為1542 m/s,海底處聲速為1508 m/s,可見實驗海域是不完全聲道.聲速最小值為1493 m/s,對應深度為1692 m,但從約1100 m深度到約1800 m 深度聲速變化緩慢,聲道軸層“較厚”,與南海及西太平洋海域的聲速剖面相比差異明顯[30,31],并且在水深100 m 以淺存在表面聲道.實驗海區海底較為平坦,平均海深約為3095 m,后續分析中可以近似看作水平不變環境.實驗海區的同步海面氣象數據由國家海洋環境預報中心(NMEFC)提供,彌補了實驗中觀測的不足.NMEFC提供了空間分辨率1 km×1 km,時間分辨率1 min的模式同化風速和降雨率數據,覆蓋環境噪聲測量站位.

圖1 噪聲測量實驗示意圖Fig.1.The configuration of the noise measurement experiment.

圖2 垂直陣處聲速剖面Fig.2.Sound speed profile (SSP) at the VLA location.

3 風和降雨對環境噪聲影響的數據分析

3.1 實驗數據分析方法

選取聲道軸附近深度陣元(約1589 m 深度)采集到的海洋環境噪聲數據,計算1/3 倍頻程的譜級 N Le(f0),計算表達式為

式中,Xi表示1 s 平穩時域噪聲x(n) 在第i個頻率下的快速傅里葉變換譜,f0是1/3 倍頻程中心頻率,fs是采樣頻率,N是平穩時域噪聲數據的長度.nfH和nfL是以f0為中心頻率的1/3 倍頻程頻段內的下界頻率和上界頻率,Mv是水聽器的靈敏度.本文1/3 倍頻程計算的起始中心頻點是20 Hz,最高中心頻點為6451 Hz.

3.2 環境噪聲與風速和降雨率的相關性分析

海洋環境噪聲是在穩定時間內變化緩慢的隨機過程,隨環境和噪聲源具有明顯的時間變化特性.圖3 是實驗期間噪聲功率譜時間-頻率二維分布,顏色表示噪聲功率譜的值(單位dB,以1 μPa2/Hz為參考),同時給出同步的風速和降雨率.圖3 中橫坐標為時間,時間起止為2019 年8 月29 日9 時至2019 年8 月31 日15 時,左側縱坐標為中心頻率(單位Hz),頻率范圍為20—6500 Hz,右側縱坐標為風速(單位m/s)或降雨率(單位mm/h).由圖3可以看出,8 月30 日06:00—8 月30 日09:30 噪聲譜級明顯升高,8 月30 日15:00—8 月31 日02:00噪聲也明顯增強,噪聲時頻分布存在這兩處譜峰.圖4 給出了第1 個噪聲譜峰值時接收潛標附近間隔1 h 的海面氣象數據,圖4(a)為對應時間的海面風速場,圖4(b)為對應時間的海面降雨場.圖5給出了第2 個噪聲譜峰值時接收潛標附近間隔1 h 的海面氣象數據,圖5(a)為對應時間的海面風速場,圖5(b)為對應時間的海面降雨場.圖中紅圈為實驗站點位置示意,下面結合海面風速和降雨率情況對環境噪聲的時間變化特性進行分析.

圖3 噪聲功率譜時間頻率二維分布及同步風雨數據Fig.3.Noise power spectrum time-frequency two-dimensional distribution and synchronize weather data.

圖4 8 月30 日05:30 至8 月30 日10:30 每1 h 海面氣象 (a)海面風速變化過程;(b)海面降雨率變化過程Fig.4.Sea surface weather every 1 hour from August 30,05:30 to August 30,10:30: (a) Variation process of sea surface wind speed;(b) variation process of sea surface rainfall rate.

從圖4 可以看出在第1 個噪聲強度劇烈變化時段內(8 月30 日05:30—10:30),接收潛標附近的海面形成了一個高風速場.而結合圖3 和圖5 可以看出,在第2 個噪聲強度劇烈變化時段內(8 月30 日19:30 至8 月31 日00:30),噪聲強度明顯變大,該時間段內沒有明顯的高速風場,但是存在一個強降雨過程.從上述分析可以基本說明,在存在強風或強降雨天氣條件下,海洋環境噪聲級會明顯升高.

圖5 8 月30 日19:30 至8 月31 日00:30 每1 h 海面氣象 (a)海面風速變化過程;(b)海面降雨率變化過程Fig.5.Sea surface weather every 1 hour from August 30,19:30 to August 31,00:30: (a) Variation process of sea surface wind speed;(b) variation process of sea surface rainfall rate.

為了研究噪聲譜級和風速、降雨率的相關性,首先在風生噪聲主導的平穩時間段內(8 月29 日09: 00—8 月30 日08: 30,該時段內同步降雨率小于0.5 mm/h)分析不同頻率下噪聲譜級與風速的相關性,計算的相關系數結果如圖6 所示.可以看出,在小于500 Hz 的頻段,相關系數隨頻率升高整體增大,在500 Hz 相關系數達到0.59.在大于500 Hz 的頻率范圍,相關系數存在微弱起伏,但整體都大于0.5.一般而言,海洋環境噪聲的中高頻段風生噪聲占主導,所以如圖6 展示的結果,噪聲譜級與海面風速具有較好相關性.

圖6 噪聲譜級與風速之間的相關系數(無降雨時)Fig.6.Correlation coefficient between noise spectral level and wind speed (absence of rainfall).

選取實驗中風速處于實驗期間谷值而降雨強度較大的時間段(8 月30 日18:50—至8 月31 日03:50),分別計算不同頻率下的噪聲譜級與風速、降雨率的相關系數,結果如圖7 所示.可以看出,噪聲譜級與降雨率的相關系數在500 Hz 以內隨頻率升高而增大,500 Hz 時達到了最大值0.85,高于500 Hz 時相關性略有起伏但維持在0.8 附近.同時可以看到,在該時間段內噪聲譜級與風速的相關系數整體小于0.6,明顯低于與降雨率的相關系數.上述分析表明,在該時間段內噪聲譜級和降雨率的相關性明顯強于其與風速的相關性,尤其在500 Hz 以上的頻率范圍內.

圖7 噪聲譜級與風速、降雨率之間的相關系數(有降雨時)Fig.7.Correlation coefficient between noise spectral level and wind speed and rainfall (in presence of rainfall).

3.3 降雨對環境噪聲譜級分布的影響

海面風速和降雨率的變化,導致噪聲譜級的概率密度分布也發生變化.選取實驗中不同海面風速、降雨狀況下的噪聲數據,分析不同頻率下噪聲譜級概率密度的分布情況.分別選取未降雨時段(8 月29 日13:00—8 月30 日03:00)和降雨率大于2 mm/h 時段(8 月30 日17:40—8 月31 日00:20)的噪聲數據計算不同頻率下的噪聲譜級概率密度分布,結果如圖8 所示.圖8(a)是在無降雨時間段內海洋環境噪聲譜級的概率密度分布情況,圖8(b)是存在降雨時段的結果.

在圖8 中,紅色點劃線為噪聲譜級的均值曲線,黑色點劃線為噪聲譜級的中值曲線,圖8(a)中紅色和黑色曲線基本重合.當未降雨時,海洋環境噪聲譜級在1000 Hz 的中值為63.2 dB,均值為63.2 dB;在3500 Hz 的分布上限是56.8 dB,分布下限是52.8 dB.在存在降雨時,在1000 Hz 的中值為65.5 dB,均值為66.3 dB;在3500 Hz 頻率譜級的分布上限是71.7 dB,分布下限是55.8 dB.通過分析可得,存在降雨時噪聲譜級分布的上下限都比未降雨時高,并且存在降雨時噪聲譜級的中值、均值以及譜級分布的最大概率對應值也均比無降雨時的高.查閱Wenz 曲線發現,當蒲福風級達到8 級時,海洋環境噪聲譜級在1000 Hz 約為70 dB.實驗過程中同步風速遠小于蒲福風級8 級,但從實驗數據計算出的噪聲譜級概率密度分布可以看出,存在降雨時在1000 Hz 的噪聲譜級上限遠大于70 dB,由此說明強降雨過程對海洋環境噪聲產生了重要影響.另外可以看到,實驗期間存在降雨時噪聲譜級分布的上限在3500 Hz 以上基本不隨頻率變化,這與文獻[3]中的結論相符合.

圖8 未降雨(a)和降雨(b)時段噪聲譜級的概率密度分布Fig.8.Probability density distribution of noise spectral levels for the periods of no rainfall (a) and rainfall (b).

選取實驗中風速為9.8 m/s 時的無降雨時段數據和相同風速的強降雨時段數據(8 月30 日21:00 至21:50),分別計算兩時段內的噪聲譜級平均值比較,測量結果如圖9 所示.可以看出,強降雨時段噪聲譜級明顯大于無降雨時段結果,且二者差異隨頻率升高而增大,在500 Hz 差異約為6 dB,在1000 Hz 約為8 dB,在6400 Hz 約為14 dB.上述結果證實了降雨對于高頻段海洋環境噪聲具有明顯增強作用.

圖9 無降雨和有降雨時段平均噪聲譜級Fig.9.Average noise spectral levels during periods without and with rainfall.

4 噪聲譜預報模型修正

4.1 噪聲場射線模型

射線法對高頻聲場計算具有良好的適用性,計算速度快且物理意義清晰,能夠適用于求解深海隨距離變化環境中的聲場.由于風生噪聲和降雨噪聲主要影響海洋環境噪聲的高頻段,因此本文采用射線方法建立環境噪聲模型,結合相應的噪聲源模型可以預報不同氣象狀況下的海洋環境噪聲場.

三維噪聲場建模采用柱坐標系如圖10 所示,假設接收器位于圖中z軸上,在水平海面內以接收陣為中心計算半徑r范圍內噪聲源產生的噪聲場.不同方位和距離的噪聲源到達接收器的傳播損失不同,對噪聲場的貢獻也不相同,需要將所有源貢獻疊加得到噪聲場.首先將計算海域按照角度分為L個方位分區,再按距離將計算半徑劃分成J個距離,則計算區域內的海面被劃分為與方位角θl=lΔθ(l=1,2,···,L)和水平距離rj=r0+jΔr(j=1,2,···,J)有關的多個扇環,每個扇環的面積為Sj,l=rjΔθΔr.計算每個扇環內中心聲源至接收點的聲場,疊加后獲得接收點的總噪聲場.

圖10 噪聲計算模型示意圖Fig.10.Schematic diagram of the noise calculation model.

假設互不相關的海面噪聲源隨機均勻分布在海面以下1/4 波長深度zs處的無限大平面上.單位面積的噪聲源強度級為SL (dB),則單位面積的噪聲源強度為ns2=10SL/10.用p(zr,j,l,zs) 表示位于水平距離rj、方位θl、深度zs處的聲源在接收位置zr處產生的聲壓,用表示位于水平距離rj、方位θl的單位面積噪聲源強度.為簡化計算,根據互易原理將接收器位置作為計算聲源點,將噪聲源位置作為接收點,則接收點zr處的環境噪聲場Pnoise(zr)可以由所有海面噪聲源對接收點的貢獻疊加獲得[24]:

式中,*表示復共軛,〈〉號表示系綜平均.將 (3) 式等號右側〈〉內展開:

假設來自不同扇環面(即l ?=l′或j ?=j′)的噪聲是互不相關的,則噪聲互譜密度可近似為

關于噪聲源強度ns2可以由噪聲源強度級公式給出.

4.2 風生噪聲源級公式修正

噪聲源強度ns2可由噪聲源強度級表示,包括降雨噪聲、風生噪聲、船舶噪聲等噪聲源強度級,使用文獻中的噪聲源強度級公式(下文以噪聲源級公式代替).Harrison[25]給出的風生噪聲源級公式:

式中,f為頻率(單位Hz),U為風速(單位knots).降雨噪聲源級公式SLR 采用Urick[34]給出的公式:

式中,R為降雨率(單位mm/h).船舶噪聲源級SLS 使用Hamson[35]給出的經驗公式:

其中,f為頻率(單位Hz),vs為船舶航速(單位m/s),L為船舶長度(單位ft),N為每平方米面積內的船舶數量.噪聲源強度ns2表示為

其中,SL為風生、降雨、船舶噪聲源共同作用下的噪聲源強度級.下文關注的500 Hz 以上頻段主要是由風生噪聲源和降雨噪聲源影響,因此采用

模型計算中使用實驗測量的聲速剖面,見圖2.實驗海區海底地形起伏較小,計算時忽略地形變化采用平坦海底地形.計算水平半徑為60 km,水平方向角間隔為1°.海底使用雙層液態海底,由一層沉積層和一層半無限基底組成,沉積層厚度為20 m,沉積層的密度為1.6 g/cm3,聲速為1580 m/s,半無限基底的密度為1.8 g/cm3,聲速為1700 m/s,沉積層和半無限基底吸收系數均通過公式給出[36]:

從同步海面氣象數據可知,該海域在實驗期間風速整體較高,風速變化區間較小,蒲福風級在5—6 級范圍內.因此,計算風速9.8 m/s 和12.6 m/s(分別對應蒲福風級5 和6 級)條件下的噪聲譜級.模型計算的噪聲譜級和實驗測量結果均值對比如圖11 所示,圖中實線為模型計算結果,點劃線為實驗測量結果.從圖11 可以看出,模型計算結果和實驗結果隨頻率變化的趨勢存在較大差異,而且在500—3200 Hz 頻段內仿真譜級和實驗結果隨風速變化的幅度趨勢也存在一定程度的差異.由于模型輸入參數中聲速剖面和海底地形是實驗測量結果,海底聲學參數也經過傳播實驗結果驗證相對可信,所以認為誤差來源于模型計算中使用的噪聲源級公式SL.

圖11 不同風速下實驗測量與模型計算噪聲譜(修正前)Fig.11.Experimental measurement and model calculation noise spectrum at different wind speeds (before modified).

本文從風生噪聲、降雨噪聲聯合的海洋環境噪聲模型出發,通過與實驗數據對比修正噪聲源級公式參數,使模型更加適用于該實驗海域.海洋環境噪聲中,在不同頻段下由不同種類的噪聲源起主要作用: 在100—500 Hz 的低頻段,主要噪聲源是航船等聲源[3];在500 Hz 以上的高頻段,主要的噪聲源是從波浪、湍流作用到降雨沖擊海面再到風雨引起的氣泡云振動等[37].因此,可對噪聲源級公式分頻段進行參數修正,本文主要關注風生噪聲和降雨噪聲為主的高頻段噪聲.在500 Hz 以上頻段是由風生噪聲和降雨噪聲共同影響,在此頻段內可利用未降雨時的噪聲數據擬合風生噪聲源級公式的常數項、頻率相關項和風速相關項.待修正的風生噪聲源級公式為

式中,S LWm為預修正風生噪聲源級,其中C,a,b為需要修正的參數,頻率f的單位為Hz,風速U的單位為m/s.此處需要強調,原有噪聲源級公式沒有覆蓋3200 Hz 以上頻段,為拓寬模型頻率適用范圍,在500—6400 Hz 頻段內對風生噪聲源級公式的參數進行擬合.采用最小均方誤差法進行擬合,對參數C,a,b聯合求解,最終獲得的風生噪聲源級公式為

圖12 是修正后的風生噪聲源級公式和Harrison 使用的風生噪聲源級公式的計算結果比較,圖中虛線是兩種風速下Harrison 風生噪聲源級,實線是兩種風速下的修正風生噪聲源級.可以看出,相同風速下修正后的風生噪聲源級比Harrison[25]使用的風生噪聲源級低,并且修正后的噪聲源級隨頻率變化的斜率較修正前小.在相同風速下,修正后源級和修正前源級隨著頻率升高差距逐漸變小,在3200 Hz 附近二者差異約為5 dB.兩個公式之間差異的原因,主要是環境噪聲數據來自不同海區,Harrison[25]采用了地中海淺海噪聲數據,而本文采用東印度洋海域深海噪聲數據.將修正后的風生噪聲源級公式代入環境噪聲預報模型,采用與圖11 相同的輸入環境參數,計算相應風速條件下風生噪聲級,并與實驗測量結果進行對比,如圖13 所示.可以看出,在風生噪聲起主要作用的500 Hz 以上頻段,兩種風速條件下模型計算噪聲譜級和實驗測量結果吻合較好,誤差在1 dB 以內,而且具有相同的隨頻率變化趨勢.尤其對于3200 Hz 以上頻段,總體誤差也在1 dB以內,說明將原有噪聲源級公式修正并擴展至更高頻段是有效的.

圖12 修正風生噪聲源級(實線)和Harrison 使用風生噪聲源級(虛線)Fig.12.Modified wind-generated noise source level (solid line) and Harrison’ s wind-generated noise source level(dashed line).

圖13 不同風速下實驗測量與模型計算噪聲譜(修正后)Fig.13.Experimental measurements and model calculation noise spectrum at different wind speeds (after modified).

4.3 降雨噪聲預報

本文修正后的噪聲預報模型可以涵蓋多種噪聲源同時存在的情況,在降雨時無法將風生噪聲和降雨噪聲剝離開,模型可以預報兩噪聲源同時作用下的噪聲場.下面針對3.2 節中提及的強降雨過程(8 月30 日21:00—21:50),進一步驗證修正后的噪聲預報模型.此時間段中存在明顯降雨,降雨率達4 mm/h,海面風速5 級約9.8 m/s,計算該時段內噪聲譜級均值如圖14 中紅色“ □ ”;為了對比有無降雨時環境噪聲的差異,并驗證模型預報的準確性,同時選取實驗中沒有降雨、海面風速約9.8 m/s時段內噪聲譜級均值展示如圖14 中藍色“?”.將未修正風生噪聲源級公式代入噪聲模型,預報相應降雨率和風速下的噪聲譜級結果,此處假設接收點上方海面風和降雨對應的噪聲源級均勻分布,模型預報存在降雨時噪聲譜級為圖14 中紅色實線,未存在降雨的噪聲譜級為圖14 中藍色實線.

從圖14 可以看出,未修正的模型對于存在降雨過程的預報結果優于風生噪聲預報結果,但是在1000 Hz 以下頻段誤差較大,這是因為在此頻段內風和降雨對環境噪聲都有較大貢獻,風生噪聲的誤差影響了噪聲預報總的結果.另外,由于Harrison[25]風生噪聲源級公式未涵蓋3200 Hz 以上部分,所以高頻預報結果存在缺失.將修正后的風生噪聲源級公式代入噪聲模型,計算上述有無降雨條件下的環境噪聲譜級,與實驗結果的比較如圖15 所示.

圖14 有/無降雨時實測譜級(點線)與未修正模型預報譜級(實線)Fig.14.Measured spectral levels (dotted line) vs.unmodified model calculation spectral levels (solid line) with/without rainfall.

圖15 有/無降雨時實測譜級(點線)與修正模型預報譜級(實線)Fig.15.Measured spectral levels (dotted line) vs.modified model calculation spectral levels (solid line) with/without rainfall.

從圖15 可以看出,無論有無降雨過程,修正后的模型預報噪聲譜級與實驗數據在絕對幅值和趨勢上都吻合較好,誤差在2 dB 內,特別是在1000 Hz 以下頻段預報精度明顯提高.

上述模型預報降雨噪聲時,假設降雨噪聲源在海面均勻分布,這簡化了模型計算的復雜度,對于海面氣象參數精度的要求也相對較低.噪聲源均勻分布即噪聲源在不同方位和不同距離的分布情況和強度都相同,但由于不同方位和距離噪聲源到達接收點的傳播損失不同,對噪聲場的貢獻也不相同,疊加后即可得噪聲場.但是,由于降雨在空間上有時是小范圍的氣象過程,而且降雨所影響的海面噪聲源隨時間變化較快,在降雨率較小或者降雨范圍較小的氣象條件下,假設降雨噪聲源均勻分布可能會影響模型的預報準確性.而采用海面非均勻噪聲源分布,由于海面降雨分布不同,噪聲源在不同方位和距離的分布和強度也不盡相同,結合相應方位和距離的傳播損失,將聲場疊加即可得噪聲源非均勻分布的噪聲場.

選取實驗過程中降雨率和降雨影響面積均較小時(8 月30 日23: 00 附近)的噪聲和同步氣象數據,分別使用噪聲源均勻分布模型和噪聲源非均勻分布模型對該時段噪聲譜進行預報,并與實驗測量結果進行比較,如圖16 所示.可以看出,在該海面氣象情況下,相比于降雨噪聲源均勻分布的模型,噪聲源非均勻分布的模型計算結果和實驗測量結果吻合更好,誤差在2 dB 以內,尤其在降雨噪聲影響為主的2000 Hz 以上的高頻段,噪聲源非均勻分布的模型計算結果明顯更優.這表明在小尺度或低強度降雨情況下,假設降雨噪聲源在無限大海面均勻分布是不準確的,采用海面降雨噪聲源非均勻分布的噪聲模型計算更加真實可靠.

圖16 局部降雨時模型預報降雨噪聲譜(實線)和實驗測量降雨噪聲譜(點線)Fig.16.Model calculation of rain-generated noise spectral levels (solid line) and measured rain-generated noise spectral levels (dotted line) during local rainfall.

5 結論

利用2019 年東印度洋海域環境噪聲觀測數據,結合同步海面風速和降雨資料,研究了該海域海面風和降雨對海洋環境噪聲的影響規律.在沒有降雨的條件下,海面風對海洋環境噪聲起主導作用,500 Hz 以下低頻段內噪聲譜級與風速相關性不強,500 Hz 以上高頻段內噪聲譜級隨風速變化明顯,相關系數可達0.59.在存在降雨時,噪聲譜級和降雨率的相關性更明顯,在500 Hz 以上頻段相關系數可達0.85.實驗數據中存在降雨時噪聲譜級分布的上下限都比未降雨時高,并且存在降雨時噪聲譜級的中值、均值以及譜級分布的最大概率對應值也都比無降雨時高.實驗中9.8 m/s 風速下,在500 Hz 以上頻段存在強降雨時噪聲譜級比未降雨時高6 dB 以上.

基于射線理論建立了三維海洋環境噪聲預報模型,修正了風生噪聲源級公式,使其適用于東印度洋實驗海域深海環境,能夠準確計算各種風速和降雨率條件下的環境噪聲譜級,模型計算結果與實驗結果吻合較好,整體誤差在2 dB 以內.在小范圍降雨情況下,噪聲預報模型采用海面非均勻分布降雨噪聲源,得到的噪聲譜級更為準確.修正后的風生及降雨噪聲模型對東印度洋海洋環境噪聲特性預報具有重要意義.

感謝參與2019 年夏季東印度洋聲學實驗的全體工作人員,是他們認真辛苦地工作為本文提供了可靠的實驗數據.