青島近海航船相關(guān)海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)特性分析

孫軍平，林建恒，衣雪娟，江鵬飛，李 娜

（中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站，山東青島 266114）

0 引言

海洋環(huán)境噪聲是水下探測(cè)和通信的重要物理背景場(chǎng)，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(cè)量和研究表明[8-14]，各種噪聲源對(duì)海洋環(huán)境噪聲的貢獻(xiàn)具有不相同的頻率特性。一般認(rèn)為，風(fēng)關(guān)海面噪聲和遠(yuǎn)處航船是海洋環(huán)境噪聲最重要的兩種噪聲源，其中風(fēng)關(guān)海面噪聲的能量分布在10 Hz～20 kHz 頻段，而遠(yuǎn)處航船噪聲的貢獻(xiàn)主要集中在1 kHz 以下的較低頻段。

隨著全球航運(yùn)貿(mào)易的發(fā)展，商船數(shù)量和噸位不斷增長(zhǎng)，低頻段海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)在過(guò)去幾十年里存在緩慢上升的趨勢(shì)[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(duì)海洋生物影響較大[3,22]。

國(guó)外在大時(shí)間跨度的低頻海洋環(huán)境噪聲測(cè)量和分析方面做了較多的工作，國(guó)內(nèi)目前這方面的工作也在積極開(kāi)展，而近海航道與非航道海域低頻環(huán)境噪聲特性的差異，特別是禁漁政策對(duì)近海環(huán)境噪聲的影響研究較少。我國(guó)每年6～9 月份實(shí)行大約3個(gè)月的禁漁，這期間大量漁船無(wú)法出海，因此導(dǎo)致的水下噪聲特性變化急需研究。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

2014～2015 年，研究人員每月選擇海況較好、易于小型試驗(yàn)船出航的天氣，利用自容式水聽(tīng)器測(cè)量青島近海近航道區(qū)域或者遠(yuǎn)離航道區(qū)域的海洋環(huán)境噪聲，實(shí)驗(yàn)期間有專門船只看護(hù)坐底式測(cè)量系統(tǒng)，并利用船載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（Automatic Identification System,AIS）記錄經(jīng)過(guò)測(cè)量系統(tǒng)附近的航船數(shù)據(jù)，每個(gè)航次的測(cè)試時(shí)間約6～8 h。

圖1 為海洋環(huán)境噪聲測(cè)試的布設(shè)圖，試驗(yàn)船只航行到預(yù)定海域后，將激活的自容式測(cè)量系統(tǒng)布放至海底，并同步記錄試驗(yàn)期間附近航船信息。海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)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(shí)間內(nèi)，海上漁船大幅度減少。

圖1 海洋環(huán)境噪聲測(cè)試的布設(shè)圖 Fig.1 Layout of ocean ambient noise tests

首先對(duì)坐底自容式水聽(tīng)器所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，選取目視距離或1.5 nmile（1 nmile=1.852 km）范圍內(nèi)沒(méi)有航船，并且時(shí)頻圖中沒(méi)有明顯干涉條紋的時(shí)間段數(shù)據(jù)，以去除近場(chǎng)船只強(qiáng)點(diǎn)源的干擾，然后進(jìn)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(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，依據(jù)式（1），得到該段數(shù)據(jù)環(huán)境噪聲的功率譜帶級(jí)為

式中：S為水聽(tīng)器靈敏度。噪聲的功率譜密度級(jí)表示為

式中，?f=fs/N為頻率采樣帶寬。

最后在公式（3）的基礎(chǔ)上進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，去除干擾線譜，獲得連續(xù)譜LN2（fn）。以1 s 為分析時(shí)長(zhǎng)，重復(fù)M次上述處理過(guò)程，最終得到基于能量的算術(shù)平均噪聲譜級(jí)為

（第2 節(jié)中的圖片展示的是1/3 倍頻程頻點(diǎn)頻率的功率譜級(jí)）。

表1 為每一次試驗(yàn)的時(shí)間和地點(diǎn)信息記錄。

表1 試驗(yàn)地點(diǎn)和時(shí)間記錄 Table 1 Test sites and times

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析

圖2（a）、2（b）分別是基于遠(yuǎn)離航道海域和近航 道海域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)分析獲取的25～500 Hz 頻段海洋環(huán)境噪聲功率譜圖?？梢?jiàn)遠(yuǎn)離航道海域不同月份環(huán)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?；诮降琅c遠(yuǎn)離航道海域不同月份環(huán)境噪聲能量的算術(shù)平均得到的噪聲譜級(jí)差值結(jié)果如圖3所示。藍(lán)線、黑色點(diǎn)線以及紅色星線分別表示2014年、2015 年以及這兩年總數(shù)據(jù)的功率譜的差異，從圖3 中2014 與2015 年的總數(shù)據(jù)可知航道附近海域環(huán)境噪聲譜級(jí)相比非航道環(huán)境噪聲譜級(jí)，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(shí)間在航道與非航道測(cè)量的25～500 Hz 頻段海洋 環(huán)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(cè)得的非航道和航道海域海洋環(huán)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(yuǎn)離航道和近航道海域禁漁期與非禁漁期的環(huán)境噪聲功率譜級(jí)差值分析（基于多個(gè)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(yuǎn)離航道的海域只在每年的6 月份做了一次試驗(yàn)，因此將兩年數(shù)據(jù)合并統(tǒng)一分析。依據(jù)圖4 所示，非禁漁期遠(yuǎn)離航道 海域低頻海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)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(xiàn)在80 Hz 附近，約為2 dB。

圖4 非航道海域海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)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(lán)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(jí)比較。2014 年和2015 年噪聲數(shù)據(jù)的功率譜級(jí)差異曲線隨頻率變化趨勢(shì)基本一致，由兩年合并后的總數(shù)據(jù)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(jí)高約4 dB。

圖5 不同年份測(cè)得的近航道海洋環(huán)境噪聲譜級(jí)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(shí)間內(nèi)青島近海6個(gè)月禁漁期與14個(gè)月（次）非禁漁期環(huán)境噪聲譜級(jí)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(xiàn)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(dá)到了5.5 dB。

圖6 青島近海環(huán)境噪聲譜級(jí)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(shí)測(cè)集裝箱商船和木質(zhì)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(jí)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(zhì)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(huán)境噪聲譜級(jí)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(xù)將繼續(xù)進(jìn)行該地點(diǎn)附近海域的試驗(yàn)，補(bǔ)充數(shù)據(jù)，進(jìn)行研究。

3 結(jié)論

本文對(duì)青島近海航道與非航道附近海域兩年時(shí)間跨度的海洋環(huán)境噪聲實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了功率譜分析，分析結(jié)果表明：

無(wú)論是航道附近還是遠(yuǎn)離航道海域，近海海洋環(huán)境噪聲都受到了遠(yuǎn)處航船低頻輻射噪聲的影響。在航道附近，環(huán)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(yuǎn)離航道區(qū)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(shì)類似。

近海海域，航道附近的低頻海洋環(huán)境噪聲功率譜級(jí)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(jí)高出大約3 dB。近航道的海洋環(huán)境噪聲譜特性較穩(wěn)定，航道附近海域較適于對(duì)商船和漁船水下輻射噪聲進(jìn)行統(tǒng)計(jì)意義上的測(cè)量和監(jiān)控。

我國(guó)每年的禁漁政策導(dǎo)致近海水下環(huán)境噪聲特性在某些頻段發(fā)生較大改變，漁船的數(shù)量會(huì)在禁漁期大幅下降。在150～400 Hz 頻段，非禁漁期比禁漁期環(huán)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(duì)低頻海洋環(huán)境噪聲貢獻(xiàn)的差別。禁漁期與非禁漁期的低頻海洋環(huán)境噪聲相比，在30～50 Hz 頻段噪聲譜級(jí)差異最小，表明遠(yuǎn)處商船輻射噪聲對(duì)近海環(huán)境噪聲的貢獻(xiàn)較為穩(wěn)定。