深海海洋環(huán)境噪聲垂直相關(guān)性研究

王璟琰，李風(fēng)華

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深海海洋環(huán)境噪聲垂直相關(guān)性研究

王璟琰1,2，李風(fēng)華1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

海洋環(huán)境噪聲場是海洋中的固有聲場，其空間結(jié)構(gòu)特性是影響水聲系統(tǒng)的重要因素之一。在風(fēng)成海洋環(huán)境噪聲波數(shù)積分模型的基礎(chǔ)上，對深海噪聲場的垂直相關(guān)性進(jìn)行了研究。通過數(shù)值仿真討論了深海環(huán)境下，海底聲速、衰減系數(shù)、海面噪聲源深度及接收器深度對均勻分布于海面附近的噪聲源的垂直相關(guān)性的影響。仿真結(jié)果表明：噪聲場的垂直相關(guān)隨海底聲速、衰減系數(shù)和接收器的絕對深度的變化較?。桓哳l噪聲的垂直相關(guān)性對噪聲源的深度較敏感，低頻噪聲的垂直相關(guān)性受噪聲源深度的影響幾乎可以忽略。在此基礎(chǔ)上，分析了某次海試噪聲數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果對實(shí)驗(yàn)測得噪聲數(shù)據(jù)的垂直相關(guān)性進(jìn)行了合理的解釋。

海洋環(huán)境噪聲；深海；垂直相關(guān)性

0 引言

海洋環(huán)境噪聲是水聲信道的背景干擾場，攜帶大量有關(guān)海洋環(huán)境的信息，是進(jìn)行海洋環(huán)境參數(shù)反演的有用信號。在海洋環(huán)境噪聲場特性中，垂直相關(guān)特性能夠反映噪聲場的空間結(jié)構(gòu)，且僅依賴噪聲場的傳播條件，是一個(gè)相對穩(wěn)定的物理量。Cron和Sherman在1962年提出了無限大海面噪聲源在均勻半空間海洋環(huán)境下的噪聲模型[1]；Kuperman和Ingenito推導(dǎo)了分層介質(zhì)中海洋環(huán)境噪聲相關(guān)系數(shù)的簡正波表達(dá)式[2]；在此基礎(chǔ)上，Buckingham等得出了考慮海水衰減時(shí)噪聲相關(guān)函數(shù)的解析形式，并應(yīng)用噪聲的垂直相關(guān)獲取海底聲學(xué)參數(shù)[3-4]。我國學(xué)者對淺海噪聲的垂直相關(guān)特性做了大量的研究工作，如殷寶友等分析了淺海環(huán)境下海底反射特性與噪聲垂直相關(guān)的關(guān)系，并將其用于海底參數(shù)反演[5]；李丙輝等通過數(shù)值仿真研究了環(huán)境參數(shù)對淺海風(fēng)成噪聲空間結(jié)構(gòu)的影響[6]；何利等深入分析了淺海海域不同時(shí)間段噪聲的頻譜特性和垂直相關(guān)特性，應(yīng)用改進(jìn)的噪聲模型有效解釋了高頻噪聲場的垂直相關(guān)特性[7]。

本文基于噪聲垂直相關(guān)函數(shù)的波數(shù)積分表達(dá)式，通過數(shù)值仿真，研究了深海環(huán)境下海底參數(shù)、海面噪聲源深度及接收器深度對垂直相關(guān)性的影響；分析了某次海試的噪聲數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果對實(shí)驗(yàn)噪聲數(shù)據(jù)的垂直相關(guān)性進(jìn)行了合理的解釋。

1 噪聲場垂直相關(guān)函數(shù)的計(jì)算

假定海面噪聲源均勻分布于海面附近某一平面上，如圖1所示，空間兩個(gè)水聽器的噪聲互譜密度函數(shù)可以表示為如下形式[8]：

(2)

(4)

(6)

式(6)中的各項(xiàng)由公式(4)直接數(shù)值計(jì)算得到。

2 垂直相關(guān)與海洋環(huán)境參數(shù)的關(guān)系

由公式(4)可以看出，噪聲垂直相關(guān)函數(shù)與聲源深度和海洋環(huán)境參數(shù)等因素有關(guān)。

本節(jié)基于噪聲垂直相關(guān)的波數(shù)積分表達(dá)式，通過數(shù)值仿真，研究了海底參數(shù)、海面噪聲源深度和接收器深度對噪聲垂直相關(guān)性的影響。本文數(shù)值仿真環(huán)境為深海環(huán)境，水文條件為中國南海典型深海聲速剖面，存在著非完全深海聲道(即海底處的海水聲速小于海面處的海水聲速)，海深為3235 m，接收器深度為30 m，間隔為0.5 m。參考水文環(huán)境參數(shù)如下：噪聲源深度0.1 m，海底密度為1.5 g/cm3，海底聲速和衰減分別為1584 m/s和0.2 dB/λ。在研究某一參數(shù)對垂直相關(guān)的影響時(shí)，其他參數(shù)設(shè)為參考值。

2.1 海底各參數(shù)對垂直相關(guān)的影響

圖2和圖3分別給出了海底聲速為1520、1584和1640 m/s時(shí)，300 Hz和1000 Hz的垂直相關(guān)系數(shù)隨陣元間距的變化和在該海底聲速條件下距參考陣元間距2 m和14 m的垂直相關(guān)系數(shù)隨頻率的變化(接收器位于海深994~1024 m，參考陣元深度為994 m)。其余參數(shù)取參考值。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

圖2 不同海底聲速下垂直相關(guān)隨間距的變化

Fig.2 Vertical correlation versus element spacing for different seabed sound speeds

(a) 2 m

(b) 14 m

圖3 不同海底聲速下垂直相關(guān)隨頻率的變化

Fig.3 Vertical correlation versus frequency for different seabed sound speeds

圖4和圖5分別給出海底衰減系數(shù)為0.2 dB/和0.8 dB/時(shí)，300 Hz和1000 Hz的垂直相關(guān)系數(shù)隨陣元間距的變化和在該海底聲速條件下距參考陣元2 m和14 m的垂直相關(guān)系數(shù)隨頻率的變化(接收器位置和參考陣元深度同上)。其余參數(shù)取參考值。結(jié)果表明，海底衰減系數(shù)對垂直相關(guān)的影響很小，可以忽略。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

圖4 不同海底衰減下垂直相關(guān)隨間距的變化

Fig.4 Vertical correlation versus element spacing for different seabed attenuations

本部分仿真結(jié)果說明，在深海水文環(huán)境中，由于海深較深及水文條件的因素，海面噪聲源激發(fā)的噪聲受海底作用較小，因而海底參數(shù)的變化對垂直相關(guān)的計(jì)算影響不明顯，這與淺海情況不同。

(a) 2 m

(b) 14 m

圖5 不同海底衰減下垂直相關(guān)隨間距的變化

Fig.5 Vertical correlation versus frequency for different seabed attenuations

2.2 噪聲源深度對垂直相關(guān)的影響

海面風(fēng)成噪聲源的深度與海面附近風(fēng)速有關(guān)，一般在數(shù)十厘米的量級。當(dāng)聲源深度小于四分之一波長時(shí)，噪聲源呈現(xiàn)偶極子輻射特性，隨著聲源深度增加，偶極子特性逐減轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)相位相反的單極子。圖6和圖7分別給出了參考陣元深度為994 m時(shí)，噪聲聲源深度為0.1、0.5 m和1 m時(shí)不同頻率和不同間距的垂直相關(guān)系數(shù)。由圖6和圖7可看出，不同聲源深度導(dǎo)致的垂直相關(guān)差異隨著間距增大而減??；隨著聲源深度增大及頻率的增高，噪聲源的偶極子特性減弱，垂直相關(guān)性隨頻率變化趨于平緩。表現(xiàn)為噪聲場的垂直相關(guān)性在低頻時(shí)受噪聲源深度影響不大，在高頻時(shí)受噪聲源的影響較大。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

圖6 不同噪聲源深度下垂直相關(guān)隨間距的變化

Fig.6 Vertical correlation versus element spacing for different source depths

(a) 2 m

(b) 14 m

圖7 不同噪聲源深度下垂直相關(guān)隨頻率的變化

Fig.7 Vertical correlation versus frequency for different source depths

2.3 接收器間距和深度對垂直相關(guān)的影響

圖8給出了參考陣元深度為994 m時(shí)，垂直間距分別為0.5、2和4 m處的垂直相關(guān)系數(shù)。顯然，接收器垂直間距越大，其垂直相關(guān)性越弱；頻率越高，垂直相關(guān)系數(shù)越低。圖9為接收器位于不同深度時(shí)的垂直相關(guān)性，其中接收器的絕對深度分別為180、182，994、996，3170、3172 m；圖9 (a)中接收器間距為2 m，圖9 (b)中為4 m。圖9的計(jì)算結(jié)果表明，在本文仿真的深海環(huán)境下，接收器的絕對深度對垂直相關(guān)性有影響，但是影響較小。

(a) 2 m

(b) 4 m

圖9 不同深度的垂直相關(guān)隨頻率的變化

Fig.9 Vertical correlation versus frequency for different receiver depths

3 噪聲實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)介紹

實(shí)驗(yàn)海區(qū)海深為3235 m，聲速剖面如

圖10所示。實(shí)驗(yàn)布放等間距垂直分布的8個(gè)水聽器于994～1008 m之間，位于聲道軸附近，陣元間距為2 m，其中從淺到深第6個(gè)陣元信號異常，分析時(shí)剔除該通道。測量期間海況良好，風(fēng)速在3～6 m/s范圍內(nèi)，選取時(shí)間段內(nèi)接收船附近船只很少，且關(guān)閉了接收船的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此收集的噪聲數(shù)據(jù)主要為海面風(fēng)成噪聲。接收器的采樣頻率為8000 Hz，分析時(shí)截取10 s的噪聲數(shù)據(jù)，做8192點(diǎn)的FFT，每20段做一次平均。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用式(4)和(6)計(jì)算了600 Hz和1000 Hz的垂直相關(guān)系數(shù)隨垂直間距的變化關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖11所示。圖12給出了間隔6 m和8 m的垂直相關(guān)系數(shù)隨頻率的變化曲線。理論計(jì)算時(shí)選取的參數(shù)如下：聲源深度0.1 m，海底聲速1584 m/s，衰減系數(shù)0.2 dB/λ，海底密度1.5 g/cm3，海水聲速剖面和接收器位置與實(shí)驗(yàn)相同。

圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果在高頻時(shí)較一致，在低頻時(shí)偏差較大；且實(shí)驗(yàn)值均小于理論計(jì)算值。這可能是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)接收器位于聲道軸附近，來自遠(yuǎn)距離的其他噪聲源與本地風(fēng)成噪聲疊加作用，使得低頻噪聲的成分更復(fù)雜，從而降低了低頻風(fēng)成噪聲的相關(guān)性；而高頻噪聲則還是以本地的風(fēng)成噪聲為主，因而與理論計(jì)算結(jié)果較符合。

(a) 600 Hz

(b) 1000 Hz

圖11 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較（隨間距變化）

Fig.11 The comparison of theoretical results and experimental data(versus element spacing)

(a) 6 m

(b) 8 m

圖12 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較（隨頻率變化）

Fig.12 The comparison between theoretical results and experimental data (with the change of frequency)

4 結(jié)論

基于風(fēng)成海洋環(huán)境噪聲的波數(shù)積分模型，數(shù)值仿真了深海環(huán)境下的垂直相關(guān)函數(shù)，討論了海底參數(shù)、聲源深度和接收器深度對噪聲垂直相關(guān)性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，對于深海環(huán)境，海底參數(shù)和接收器深度對垂直相關(guān)性影響不大；噪聲源深度對高頻噪聲的垂直相關(guān)性影響較顯著，對低頻的垂直相關(guān)性影響不大。分析了某海域?qū)崪y噪聲數(shù)據(jù)的垂直相關(guān)性，并結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了合理的解釋。

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Research on the vertical correlation of ambient noise in deep sea

WANG Jing-yan1,2, LI Feng-hua1

(1. National Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Ambient noise is the resident acoustic field in the ocean, and the spatial property of the noise field is a dominant factor which affects the performance of the underwater system. In this paper, the vertical correlation of ambient noise in deep water is studied based on the wind-generated noise model using the wavenumber integral representation. The vertical correlation under different environment parameters, such as the sound speed and the attenuation of the seabed, and the depth of the sources and the receivers, is simulated numerically. The simulation results show that the sound speed and the attenuation of the seabed and the receiver depth have little impact on the vertical correlation; and the vertical correlation is sensitive to the source depth at high frequency, however, it is slightly influenced at low frequency. The experimental data were analyzed and the results are explained reasonably comparing with the simulations.

ambient noise; deep sea; vertical correlation

TB556

A

1000-3630(2016)-02-0109-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.005

2015-01-25;

2015-05-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11125420)

王璟琰(1988－), 女, 陜西商洛人, 博士研究生, 研究方向?yàn)樗曃锢怼?/p>

李風(fēng)華, E-mail:lfh@mail.ioa.ac.cn。