实测海洋环境噪声数据谱级特性研究

魏永星，于金花，李　琦，周　莹，常　哲，牛志华，高　超

（国家海洋技术中心，天津　300112）

实测海洋环境噪声数据谱级特性研究

魏永星，于金花，李琦，周莹，常哲，牛志华，高超

（国家海洋技术中心，天津300112）

通过对噪声测量潜标系统测得的94 d海洋环境噪声数据及相应的气象数据进行联合时频、相关性、统计特性分析，得到试验海区风速、降雨等自然现象与噪声谱级之间的关系。分析结果表明，海洋环境噪声谱级与风速变化在低频段相关性较低，高频段相关性较高，同时1 kHz以上频段谱级值分布接近呈正态分布；降雨对环境噪声的影响主要分布在500 Hz以上频段。

海洋环境噪声；风速；相关性；统计特性；降雨

海洋环境噪声是永恒存在的声场，包含了丰富的水体、海面、海底等环境信息，研究者可以通过充分研究海洋环境噪声来获得海洋环境的物理特性及丰富的海洋声学信息，还可以利用海洋环境噪声的宽频带和任意时间存在的特性提取相关的海洋环境参数。

根据Knudsen，Urick，Wenz与Carey等的海洋环境噪声文献，可以将不同环境噪声源分为相互覆盖的三段：（1）低频段1～100 Hz，主要来源于潮、浪、涌的压力脉动，大尺度湍流以及远处的风暴、地震等；（2）10～500 Hz，总体来说较为平缓，来源于远处的航船，强弱与航运的频繁程度有关；（3）500 Hz～25 kHz频段，主要来源于风动海面。其中，风关噪声、降雨噪声是海洋环境的主要噪声源之一，也是本文的重点研究对象。

本文以海洋环境噪声测量潜标系统在某海域获取的94 d海洋环境噪声数据及相应的气象资料为依托，通过时频变换、相关性、统计特性分析等研究海洋环境噪声谱级的时间变化特性以及风速、降雨等因素对海洋环境噪声的影响。

1　资料处理方法

1.1海洋环境噪声谱级

海洋环境噪声级（NL）是用来衡量环境噪声强弱的一个量。本文将原始数据进行分段处理得到噪声谱级值，分段时保证FFT的频率分辨率不大于1 Hz，并对每段数据进行加窗处理。因为实测数据量充足，在数据分段时并未进行重叠处理。多段数据之间进行功率谱平均后进行带宽归一化，即可得到该时间段的1/3倍频程噪声谱级值［1］，具体公式如下：

设有效噪声信号为x（n），将其分为I段，每段长度为N，设第i段信号序列为xi（n），将xi（n）乘以窗函数w（n），其傅里叶变换为：

式中：i=1，2，……，I；k=0，1，2……，N-1。

则第i段修正（加窗）周期图为：

则x（n）的功率谱估值P（k）为上述I个修正周期图的线性平均：

式中：k=0，1，2，……，N-1。

1/3倍频程噪声谱级值如式（4）所示：

式中：NL（fi）为1/3倍频程中心频率fi处的噪声谱级值；fh，fl分别为fi的上下限频率对应的频率位置；Δf为频率分辨率；M（fi）为水听器灵敏度。

1.2相关理论

两变量之间的相关现象一般以相关系数来表示，基本公式如式（5）：

1.3统计理论

许多统计理论是建立在正态分布的基础上，一般来说，资料达到一定的数量，会呈现正态分布。正态分布的指数方程式如式（6）所示：

式中：x为实测噪声谱级值；σ为标准差；μ为期望值。

2　资料来源及处理流程图

本文中使用的海洋环境噪声数据来源于海洋环境噪声测量潜标系统在某海域进行的94 d的连续测量。风速、降雨资料来源于美国国家环境预报中心（NCEP）再分析资料，空间分辨率为1°×1°。

本文资料分析流程如图1所示。

图1　资料分析流程图

3　数据处理结果分析

3.1风速对环境噪声谱级的影响

海面粗糙度是高频段自然噪声的噪声源，与风速有关［2］。风造成的气泡、空化以及海面激励所产生的浪花会产生噪声影响高频段。如果能准确给出海洋环境噪声级与风速的关系，可以通过海洋环境噪声的实测数据来反演海面风速。1948年Knudson等［3］整理了第二次世界大战期间海洋环境噪声的海上测量数据，获得以海况或者风力为参数的著名的Knudson谱，此后发现，风速与海洋环境噪声谱级的相关性比海况的相关性更好。1964年Piggott［4］指出，在浅海（水深40 m以内）噪声谱级与风速的对数呈简单的线性关系，1972年Crouch和Bur［5］将此结果推广到5 000 m深海。

3.1.1噪声谱级与风速时频及相关分析 本文将潜标系统得到的海洋环境噪声数据进行滤波、剔除异常值后做时频分析，得到风速与海洋环境噪声谱级的时间变化图2所示。

图2　94 d风速与海洋环境噪声谱级时间变化图

由图2可以看出，在频率较高即500 Hz以上时，谱级值与风速的相关性较好，频率较低即时500 Hz以下时相关性较差，说明风速与高频相关程度高。

仔细观察风速变化，发现在6月22日出现高峰值，着重分析6月17日00:00至6月30日23:00共14 d数据，得到其风速与海洋环境噪声谱级的时间变化如图3所示。

图3　14 d风速与海洋环境噪声谱级时间变化图

由图3可以看出，海洋环境噪声谱级值的低频段与风速的变化趋势不太相似，主要是因为低频段主要噪声源为远处航船噪声，风速的影响较小，出现的峰值也是由于航船引起的；而高频处在6月22日出现高峰，升高了近20 dB，此时对应的风速高达15 m/s。

为定量分析风速对噪声谱级值的影响程度，图4给出了谱级与风速的相关系数曲线：

图4　海洋环境噪声谱级与风速的相关系数

由图4可以看出，500 Hz以下的频段谱级值与风速的相关性较低，低于0.45，分析原因是该频段远处船舶噪声占主要因素；500 Hz以上高频段相关性较高，高于0.45，分析原因是该频段风关噪声占主要因素。

3.1.2噪声谱级的统计特性分析由于海洋环境噪声是随机的，本文对94 d的海洋环境噪声谱级值进行统计特性分析得到风关海洋噪声级的统计特性。

50 Hz，100 Hz，1 000 Hz，8 000 Hz四个中心频点的概率分布如图5所示。

图5　50 Hz，100 Hz，1 000 Hz，8 000 Hz频谱值概率分布图

由图5可以明显看出，海洋环境噪声谱级在1 kHz以上大致符合正态分布，因为这一频段的海洋环境噪声主要是由海面风引起的，测量时间跨度长，所产生的噪声接近于正态分布，此次海试结果与文献［6］的结果类似。在1 kHz以下频段为非正态分布，原因是航船噪声是该频段的主要噪声源，其时空特性变化决定了非正态分布的特性。

3.2降雨对环境噪声谱级的影响

当海面受到雨滴拍打，甚至产生气泡时，就会产生降雨噪声，使海洋环境噪声谱级发生变化，其强度有时比风关噪声大得多，是影响海洋环境背景噪声级的一个重要干扰源，会极大降低声纳的检测能力，影响水声通信的应用频段和降低水声设备的性能。不同的降雨强度产生的雨噪声具有独特的谱形状。军事上，海面降雨产生的高强度宽频带的雨声能够降低声纳的检测能力。

此次海试时间跨度较长，降雨信息十分丰富，故分析结果有较强的实用价值。本文统计该次海试不同降雨情况下的海洋环境噪声谱级值，得到降雨与噪声谱级之间的关系，如图6所示。

图6　降雨与噪声谱级之间的关系

由图6（a）可以看出，在500 Hz以下的低频段降雨影响程度不大，原因为该低频段船舶噪声占主要因素；500 Hz以上高频段不同的降雨影响程度变化较大；阵雨比晴朗时高10 dB左右，中雨比阵雨高5 dB左右，暴雨时噪声谱近于“白噪声”，比晴朗时高出约25 dB。此次分析结果与Heindsman等人在长岛海峡观测到的降雨自然噪声谱结果（如图6（b）所示）大致符合，谱线形状较相似。

建立降雨强度与噪声谱级之间的定量关系，不仅有助于掌握海洋环境噪声源的相关知识，而且有利于实现利用海洋环境噪声谱级的变化反演海上降雨的技术。

4　结论

本文通过对94 d连续海洋环境噪声谱级值及风速、降雨等自然现象的时频变换及相关性、统计特性分析得到以下结论：

（1）海洋环境噪声谱级与风速变化在500 Hz以上高频段相关性较高，500 Hz以下低频段相关性较低，同时1 kHz以上谱级值分布大致呈正态分布，1 kHz以下非正态分布。原因分析是高频段风生噪声占主要因素，低频段船舶噪声占主要因素；

（2）降雨主要影响噪声频段为500 Hz以上。暴雨时噪声谱近于“白噪声”，比晴朗时高出约25 dB。

在本文的研究基础之上可以进一步把噪声信号当作有用的信号进行宽频带和时间特性加以分析利用，从而实现海况和降雨级别等海洋中气象参数的反演，这将对海洋开发、天气预报、海洋气候学研究及国防军事起到重要的作用。

［1］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，2011，30（2）：70-71.

［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］Knudsen VO，Alford R S，EmlingJ W.Underwater Ambient Noise［J］.Journal ofMarine Research，1948，7:410-429.

［4］PiggottCL.AmbietSeaNoiseatLowFrequenciesin ShallowWateroftheScotian Shelfs［J］.Journalofthe AcousticalSocietyofAmerica，1964，36（11）:2152-2163.

［5］Crouch W W，Burt P J.The Logarithmic Dependence of Surface-Generated Ambient-Sea-Noise Spectrum Level on Wind Speed［J］.Journal ofthe Acoustical SocietyofAmerica（Part 2），1972，51（3）:1066-1072.

［6］Hsiang-Chih C，Chi-Fang C，Ruey-Chang W.Analysis of the Significantly Statistical Duration to Clarify the Uncertainty of Ambient Noises Due toEnvironmental Changes［C］//OCEANS2008 MTS/IEEE Kobe Techno-Ocean，2008：1-5.

Analysis on the Characteristics of Measured Ocean Ambient Noise Spectrum

WEI Yong-xing，YU Jin-hua，LI Qi，ZHOU Ying，CHANG Zhe，NIU Zhi-hua，GAO Chao
National Ocean Technology Center，Tianjin 300112，China

Through 94 d ocean ambient noise data and corresponding meteorological data collected from a submersible buoy system，joint time-frequency，correlation and statistical analyses are conducted to derive the relations between the noise spectrum and natural phenomena such as wind speed and rainfall.The analysis results show a lower correlation between noise spectrum and wind speed change in the lower frequency band and a higher correlation in the upper frequency bands.The distribution of noise spectrum level is close to the normal distribution above 1 kHz frequency and the effects of rainfall on ambient noise spectrum mainly appear in the band above 500 Hz.

ocean ambient noise；wind speed；correlation；statistical analysis；rainfall

TB566

A

1003-2029（2016）03-0036-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.007

2015-07-11

国家海洋公益性行业科研专项资助项目（201005004）

魏永星（1987-），女，助理工程师，主要研究方向为数字信号处理与研究。E-mail：weiyongxing1987@163.com