海洋环境噪声数据处理及时空特性研究

魏永星，于金花，常 哲，赵淑坤，周 莹，牛志华

（国家海洋技术中心 天津 300112）

海洋环境噪声是水声信道中的一种干扰背景场，限制水声设备性能的发挥[1]。环境噪声是指除去所有可分辨的噪声源后剩下的噪声背景，即来自水听器周围的环境噪声。海洋环境噪声级是指用无指向性水听器测得的环境噪声的声强，参考级是具有均方根声压等于1微帕的平面波声强，将测得的噪声级折算到1Hzd带宽时的值为海洋环境噪声谱级。研究海洋环境噪声需要分析不同季节（时间）、不同海区、不同水文条件下的海洋环境噪声时域、频域和空域的特性，找出其规律，并以此为根据进行海洋环境噪声预报，为水声设备的设计、研制提供依据，准确评价并提高声纳装备的战术性能。

1 噪声产生因素、测试方法

海洋环境噪声具有明显的变化性，是由于主要噪声源的变化引起的。海洋环境噪声的产生因素很多，通常包括潮汐、波浪所引起的压力波和湍流引起的压力脉动，以及地震活动、风动海面、降雨、分子热运动、海洋中生物群体的活动等。在近海湾或港口处，工业噪声与行船噪声也是海洋噪声的重要来源；远处行船和远处风暴的作用相当，是100 Hz左右频率的主要噪声源；在近海，风是噪声的主要来源；降雨也起相当的作用。图1是不同航运和风速条件下的平均典型自然噪声谱。图2是Heindsman，Smith和Arneson等人在长岛海峡对降雨噪声进行实际测量得到的降雨自然噪声谱[2]。

图1 深海平均环境噪声谱Fig.1 Ocean ambient noise spectrum in level

海洋环境噪声测量方式多样，可以基于测量船、潜标、浮标或者岸站[3]，目前应用最为广泛的是基于锚系声学潜标系统的测量方式，因为潜标装置能够在恶劣海况下进行长期定点工作连续的海洋环境噪声同步测量，并且能够携带多种测量设备，可同步记录温、盐、深、声速等相关水文参数。还有一种测量方法是利用岸站声纳或者警备系统（包括水下监测网络）进行海洋环境噪声特性的测量，也将是我国噪声监测技术发展的一个主要趋势，具有测量长期性和能够直接为声纳系统服务的特点。可以根据需要进行选择使用。

图2 长岛海峡观测到的降雨噪声谱Fig.2 Noise spectrum of rainfall in Changdao strait

2 数据处理方法

海洋环境噪声级（NL）是用来衡量环境噪声强弱的一个量，本文海洋环境噪声声压谱级处理方法依据海洋声光要素调查规范[4]，计算公式如下：

1）噪声频带声压级 Lpf

式中：

Lpf—噪声频带声压级，单位为分贝（dB）；

Pf—用一定带宽的滤波器（或计权网络）测得的噪声声压，单位为μPa；

P0—基准声压等于1 μPa。2）噪声声压谱级 Lps

当声能在Δf中均匀分布时；

式中：

Lps—噪声声压谱级，单位为分贝（dB）；

Lpf—用中心频率为f的带通滤波器测得的频带声压级，单位为分贝（dB）；

△f—带通滤波器的有效带宽，单位为赫兹（Hz）。

海洋环境噪声信号是一种宽带的随机信号[5]，在短时间内可视为平稳随机过程，海洋环境噪声采用1/3倍频程谱能比较好地反映噪声源的谱特性。本文最终得到的就是1/3倍频程海洋环境噪声谱级，以每小时为单位分段。谱分析时可以将数据再细分，保证频率分辨率小于1 Hz。

3 数据分析

本项目利用坐底式锚系声学潜标在我国某海区进行了为期90天的海洋环境噪声测量，并同步记录该海区的水文现象。本文对获取的海洋环境噪声数据进行频域和时空分析，由于时间跨度长，示范海域选择具有典型性，分析结果具有重要的应用价值。随机选取其中某段随机噪声信号，时域结果如图3所示。由图3可知：该海区海洋环境噪声信号幅度很小，主要集中在±3 mV之内，在60 s时间内没有较大的起伏，可以认为该段噪声数据相对平稳，无明显干扰。

图3 随机海洋环境噪声原始信号Fig.3 Random sample of original ocean ambient noise signal

下面通过时空频域特性研究来得到观测海区的噪声水平。潜标阵上水听器的位置根据空间相关性原则进行设计，确保在关注的深度层面上有水听器分布，图4是某时刻31.5 Hz、63 Hz、100 Hz、125 Hz、160 Hz、250 Hz、400 Hz、630 Hz、1 250 Hz等不同中心频率对应的1/3倍频程海洋环境噪声剖面图。

图4 不同中心频率对应的1/3倍频程海洋环境噪声剖面Fig.4 1/3 oct ocean ambient noise spectrum section of different frequency

由图4可以看出：

1）不同频率的海洋环境噪声谱级随深度的变化趋势接近一致，能量随频率的增加而减小，符合噪声变化规律；

2）根据水文气象记录，此时的海况平稳，多云，南风4～5级，浪高1.2米，因此海洋环境噪声空间变化规律比较有代表性；

3）越接近海底，海洋环境噪声随深度的增加梯度变化越大，可能是声波与海底交互作用导致声能的减弱；

4）100米处与107米处海洋环境噪声谱级明显变大，在声纳设计应用时应特别注意这两个深度的影响。

此次海洋环境噪声观测时间跨度为90天，根据该示范海区的气象水文等相关记录，海况变化比较大，图5是同一深度不同时刻1/3倍频程海洋环境噪声谱级分布情况。

由图5可以看出：

1）该海区海洋环境噪声能量分布按频率由高到低呈下降趋势，每倍频程按（6～8）dB衰减，符合海洋环境噪声分布规律；

图5 同一深度不同时刻的1/3倍频程海洋环境噪声谱级分布Fig.5 Distributing of 1/3 oct ocean ambient noise spectrum at different time in the same deep

2）5月2日的噪声水平整体高于7月10日的噪声水平（10～30）dB，结合该海区的水文气象资料，得知，5月2日出现中雨，东北风6～7级，浪高达到了2米，海况复杂，而7月10日多云，南风4～5级，浪高1.2米，海况相对平稳，根据图1可知不同的风力也会使噪声谱级有相应的变化，根据图2可知降雨会明显提高自然噪声级，综上所述，两天的噪声水平发生明显变化主要是因为海况的影响，而且可以得出7级风和中雨共同影响可以使噪声谱级（500～9 000）Hz的频段整体提高（10～30）dB，在衡量该海区噪声水平的时候要注意海况的影响；

3）7月10日11时（30～100）Hz频段噪声谱级值偏高，由水文气象资料知道此时的海况比较平稳，最大的影响原因可能是航船，因为航船对噪声的影响范围一般为（20～500）Hz，所以此时可能会有航船经过造成低频段谱级偏高。

4 结束语

文中介绍了噪声数据的数据处理方法，处理时域、频域和空间分布上分析了某海区实测海洋噪声数据的时空变化特性。研究发现，该海区的海洋环境噪声谱级在空间上变化趋势接近一致，在声纳设计、应用时应特别注意海洋环境噪声突然变化的深度。具体海洋环境变化（降雨、风力、航船等）与噪声谱级的关系需要进行更加细致的研究。

噪声的时空分布是无规则的、运动的，具有很大的环境依赖性[6]，文中仅提供了某海区长时间的实测数据时空变化典型分析过程，这远远不够，我们需要进行更多点的实际测量得到广泛完整的噪声分布情况，为水声设备的设计应用提供参考数据。

[1] R.J.尤立克.水声原理[M].哈尔滨:哈尔滨船舶工程学院出版社,1990.

[2] 刘伯胜，雷家煜.水声学原理[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006.

[3] 徐功慧，陈鸿志，王二庆，等.海洋环境噪声观测技术及数据处理方法[J].海洋技术，2011:69-70.XU Gong-hui, CHEN Hong-zhi, WANG Er-qing, et al.Ocean ambient noise observation technology and signal processing Methods[J]. Ocean Technology, 2011:69-70.

[4] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 12763.5-2007.海洋调查规范 海洋声、光要素调查[S].北京：中国标准出版社,2008.

[5] 高西全，丁玉美.数字信号处理[M].西安：西安科大出版社，2008.

[6] 冯士筰，李凤岐，李少菁.海洋科学导论[M].北京:高等教育出版社，1999.