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海洋环境噪声

海水的运动、风和大气对海面作用的噪声,厚冰层的移动或融化所产生的噪声,海底地质构造变化引起的低频声波,海中生物体发出的声响等。这些都是海洋本身的噪声,它们限制了声信号在海洋中的传播距离。因此了解海洋环境的噪声,对于解决从噪声干扰背景中检测和分离出有用信号,是十分重要的。

海洋环境噪声源海水热噪声

为海水分子热运动所产生,是 50~200千赫频段范围的噪声的主要组成部分,它的频谱是随频率而增加的上升谱。

水动力噪声

主要由海浪、海流、拍岸浪、风、雨滴和海水中小气泡天然空化所产生,它们与海况和风速有明显的关系。谱级主要由风速决定。深海中这部分噪声的频谱为0.5~50千赫,斜率为-5~-6分贝/倍频程。在任何水文气象条件下,都有水动力噪声。

冰下噪声

与冰原的移动和振动、冰块的破裂、浮冰群的积成、吹过冰表面的涡旋气流的不平稳性及气温变化等因素有关。此外,冰山离开极地向较暖海面浮动时,还产生冰山融化的噪声。当冰不连成一片,且成碎块状时,在同样的海况下,冰下噪声的功率谱级比无冰时高5~10分贝。

生物噪声

海中能发声的生物有甲壳类、鱼类和海生哺乳类动物(鲸、海豚)。它们发出的声响是多种多样的(见海洋生物发声)。甲壳类中以螯虾为主,它们用螯相互撞击作响。鱼类中能够发声的甚多,如北美的叫鱼,发出叩击般的间断噪声序列;中国黄海和东海的大黄鱼和小黄鱼,发出 500~5000赫的咕咕声;海豚在各种不同的生态发出不同的调频啸声,在寻找目标时发出短促的脉冲声(图1)。

图远处航船动力装置传来的水下噪声

其频谱约为10赫至1千赫。

极低频噪声

由地震、海底火山爆发、微地震、大尺度湍流和遥远的风暴所产生,频率为 1~10赫。要用水听器准确测定周围的海洋自然噪声,必须设法消除或尽量减轻所有干扰,如悬挂水听器电缆摇摆振动引起的噪声,水流过水听器表面产生的附加噪声等。为此,广泛采用海底深水宽带水听器阵来测量自然噪声场。

噪声场

海洋不同地区不同季节不同种类的噪声源构成的海洋环境噪声场,特征不同,通常以噪声的功率谱、振幅的空间分布和空间相关性等统计学的参数来表达,其中研究得较多的是平均功率谱。海洋环境噪声的功率谱,是一种连续谱。各类水下噪声源在空间的分布是无规则的,但它们本身都有方向性。海况和气象条件引起的海面状况和水文条件的变化及海底特性不同,都会影响噪声场的指向性。此外,风速和航运量的变化,生物噪声的间歇性,温度和盐度的时空变化,潮汐、昼夜和季节的影响,都会使噪声场呈明显的周期性或随机的变化。由于水下噪声场有指向性,故场的时空相关特性的研究十分重要。图2是在海底设置的水听器阵测得的 0°~90°间的环境噪声指向性图。以频率为 112Hz的噪声为例,在海面风速达蒲氏风级 4级以上时,沿水平方向传播的声压谱级N(0)在-30与-40之间;沿着与水平面成θ角的方向传播的声压谱级N(θ)都小于N(0)。但对于频率为 1414Hz的噪声来说,θ越大,N(θ)越小。由此可知,极远处的低频噪声通过水平路径传播,而高频噪声则大多数从海面传播到接收阵。

图深海噪声场

大量的实测数据表明,深海的环境噪声谱相当稳定。图3是在深海中不同风速和不同海况下测得的,1赫~100千赫的海洋环境噪声综合数据绘制的典型连续谱。图右下方的虚线,表示海水分子运动的热噪声;曲线族1、2、3、5、8所标的数字表示风级。谱线1和2中的1~20赫范围,很可能是大尺度涡流中的湍流产生的噪声,它们和风速的关系甚小。低于 1赫的谱,可能来自水静压力效应或地球内部的地震骚动。

图浅海噪声场

浅海噪声受水文条件、海底特点、近岸工业设施和鱼类回游的影响,随地区和季节的变化较大。海湾和港口附近的工业设施和潮汐等噪声源,有较强的昼夜和季节性的变化,因此只能粗略地绘出不同海湾、港口和附近地区的环境噪声谱级。尽管如此,从长期的大量取样所获得的环境噪声平均谱,仍然是很有实用价值的。

对于设计和使用声呐设备和水下声学仪器来说,海洋环境噪声是一种干扰源。必须测出不同海区和不同季节的海洋环境噪声场的功率谱特征、指向性及时间与空间的相关特性,并在水听阵和电路设计中采取相应措施,以提高信号噪声比的增益。海洋生物噪声谱是海洋生物研究和海洋捕捞的重要判据。

随着检测和数据处理技术的进展,对环境噪声和接收深度的关系,噪声场的方向性,冰下噪声谱,噪声级瞬时值的统计特性,及对低于10赫甚至 1赫以下的噪声源的探索等方面的研究,都有较大的进展。

参考书目
    R.J.Urick, Principles of Underwater Sound for Engineers,McGraw-Hill,New York,1975.