南海冬季环境噪声谱级特性分析

朱方伟 郑广赢 刘福臣

（声纳技术重点实验室 第七一五研究所，杭州，310023）

海洋环境噪声是海洋中的固有声场[1]，海面风浪、远处航船、海洋湍流和海洋生物活动等各种噪声源辐射的噪声在传播过程中受到水体、海面和海底等因素的影响，形成了一个极为复杂的海洋环境噪声场。噪声场携带了丰富的环境信息，包括水文、气象、航船等信息，通过对海洋环境噪声的处理与分析，依据声学反演的方法可以推测出海洋环境参数，这是海洋环境噪声研究的意义所在。

1948 年，Kundson 等[2]根据整理的第二次世界大战期间获得的海洋环境噪声的测量数据，得到了以海况或风力为参数的Knudson 环境噪声谱级曲线。1962 年，Wenz[3]依据理论研究与大量实验数据的验证，总结得到了1 Hz～100 kHz 的海洋环境噪声谱。1964 年，Piggott[4]根据浅海环境噪声的测量结果得出噪声谱级与风速的对数呈线性关系。1972 年，Crouch 和Burt[5]将此结果在深海进行了验证。值得提及的是Wenz 谱是一种较为宽泛的平均谱，更接近于深海真实的噪声情况[6]。根据Wenz 谱可将噪声源大致分为互相重叠的三类：海洋湍流、远处航船以及风生噪声。随着人类的探索逐步向深远海发展，深海海洋环境噪声的研究具有重要意义。目前针对中国南海深海域的环境噪声研究相对较少，本文通过对2020 年2 月份南海某海域潜标系统记录的海洋环境噪声数据的分析，研究南海深海全海深的环境噪声谱特性。

1 测量系统

潜标系统具有良好的稳定性以及较宽的频段范围等是测量海洋环境噪声的较好选择[7]。试验地点位于南海某海域，附近渔船较少，对环境噪声测量的影响较小。本次海试潜标系统由重物、温深测量仪（Temperature-Depth system，TD）、自容式水听器、声学释放器、甲板单元等组成，其中自容式水听器灵敏度均较大，能获得较为精确的噪声测量数据。图1 为自容式温盐深剖面仪（Conductivity- Temperature-Depth system，CTD）测得的声速剖面，可以看到该处水深为1350 m，深海声道轴在900 m水深处，满足一般意义下海深大于1000 m 对深海的定义。

图1 布放点CTD 测得的声速剖面图

2 数据处理方法

2.1 海洋环境噪声谱

本文利用频域分析方法对数据进行处理[8]。

2.1.1 噪声数据的选取和分段 将潜标系统测量得到的海洋环境噪声数据，每间隔一定时间截取成L 个长度为N 的数据分段ui(n)，每个分段时间长度为t，记测量数据的采样频率为fs，T 为采样周期，则

2.1.2 噪声数据处理

由帕斯卡定理可将数据分段u[n]的能量表示为

其中

对各个中心频率f0的1/3 倍频程内做功率谱分析，

式中

记水听器的灵敏度为M，接收系统放大倍数为m，水听器信号段采集到的电压有效值为u(n)，则接收噪声信号的声压级可以表示为

可以得到声压为

通过式（5）和（6）可以得到环境噪声的谱级为

2.2 相关理论

皮尔逊相关系数[9]的变化范围在-1～1 之间，系数的值越接近1 表示x 和y 的正相关线性程度就越好，系数的值越接近-1 表示x 和y 的负相关线性程度越好，而系数的值为0 表示两个变量间没有线性关系。变量x 与y 的皮尔逊相关系数定义为

其中，变量x 与y 的协方差和标准差可分别表示为

至此可以得到皮尔逊相关系数公式为

考虑海洋环境噪声与风速的相关性，则x 表示海洋环境噪声谱级，y 表示风速对数数值。

3 数据处理结果分析

采用沉底布放的潜标系统测得该海域100 h 内400 m 深度处海洋环境噪声谱级随频率和时间的变化图，见图2。可以看出，这段时间内噪声谱级主要集中于100 Hz 以内的频段，平均谱级大于90 dB，且随着频率的增加噪声谱级逐渐减小。值得注意的是，10 Hz 左右的谱级强弱随时间呈现一定周期性，周期为24 h，可能与海洋湍流有关或昼夜交替有关。

图2 海洋噪声谱级随频率和时间变化图

3.1 噪声谱级与风速时频分析

为便于比较不同频率的噪声谱级与风速的联系，选择了2020 年2 月25～29 日间的风速变化较大的时间段，图3 分别给出了该段时间内的风速和深度400 m 处环境噪声谱级随时间的变化曲线。可以看出，图3 中500 Hz 以上的高频噪声随时间的变化曲线与风速随时间的变化曲线具有很好地相似性，而100 Hz 左右的频段的噪声随时间的变化曲线与风速随时间的变化曲线的相似性较差。这与Wenz谱描述的较为吻合：频段在20～500 Hz 的海洋环境噪声主要来自于远处行船，而频段在500 Hz～20 kHz 的海洋环境噪声则主要来自风生噪声。其中1 kHz 左右频段的噪声谱级受风速影响较大，不同风速下环境噪声谱级起伏达到了7 dB。

图3 风速（上）和噪声谱级（下）随时间变化图

3.2 风速与海洋环境噪声相关性分析

为进一步研究海洋噪声功率谱密度与风速的相似性与深度-频率的关系，利用潜标系统测得的噪声数据与风速对数计算相关系数。其中，深度分别对应20 个的自容式水听器的布放深度，为全海深分布，中心频率范围为10 Hz～16 kHz。

深海的海洋环境噪声在不同的频段处有着不同的特性，在1～20 kHz 内主要存在三种噪声源，分别为海洋湍流噪声、航船噪声以及风生噪声。其中湍流噪声主要由湍流区内部压力变化的声效应产生，是频率分布1～几十Hz 的主要噪声源，航船噪声由远处行船发出的大功率机械噪声，是几十Hz～几百Hz 的主要噪声源；风生噪声由风对海面作用产生，是中高频段海洋环境噪声的主要噪声源。由图4 可以看出，噪声谱级与风速对数在600 Hz以上频段处的相关系数较高。对600 Hz 以上频段的风生噪声与风速对数的相关系数分析可知，相关系数在深度上分布较为均匀，说明风生噪声在垂直方向上受传播损失影响较小，可以影响整个深海水层。

为了进一步研究不同风速下深海环境噪声谱级与风速的相关性在水深-频率上的分布，将潜标系统测得的数据根据平均风速大小分别为3 kn、8 kn和11 kn 的时间段截成3 段进行相关系数计算后在图5 中给出。

图4 风速对数与噪声谱级相关系数的深度-频率变化图

图5 不同风速影响下噪声谱级与深度-频率的相关系数图

由图5 可以看出随着风速的增大，在1～50 Hz与600 Hz 以上相关系数的中高频段出现了明显的升高，其中1～50 Hz 主要受到海洋湍流的影响，可知风速通过影响海洋湍流从而使低频的海洋环境噪声升高，而在中间的频段主要受航船噪声的影响，与风速几乎没有相关性，在600 Hz 以上的频段主要为风生噪声，覆盖整个水深，这个频段下3 kn 风速时平均相关系数为0.69，8 kn 时平均相关系数为0.76，11 kn 下平均相关性系数0.83，由此可见在中高频段风速大小和噪声谱级与风速对数的相关系数成正比。

3.3 远处航船噪声对噪声谱级的影响

从图4 和图5 中能发现，在深海声道轴附近60～800 Hz 内出现一条相关性较高的水平条纹，初步推测是远处航船噪声的影响，为了证实这种猜测，本文分别选取了只有一艘航船靠近布放站位点和远离布放站位点的数据分段，作了不同频率下海洋噪声谱级随深度的变化图，如图6 所示。

图6 不同航船位置处、不同频率下海洋噪声谱级与深度的关系图

从图6 中可以看到，在12 Hz 时，由于受到海洋湍流等因素的影响，噪声谱级在深度上分布较为杂乱，而800 Hz 频率以上的频段噪声谱级在深度上分布较为均匀，两图的主要区别是在声道轴附近航船远离布放站位点时的噪声谱级要远大于航船靠近站位点时的噪声谱级。通过比较，发现航船噪声在垂直方向上衰减较快，但由于远处航船噪声远距离主要依靠声道轴传播，因此可以传播到更远的距离，且衰减较少。

4 结论

本文利用潜标系统测量的南海某深海海域全海深海洋环境噪声数据进行了噪声谱级与风速的时频分析与相关性分析以及航船噪声分析，得出以下结论：

（1）600 Hz 以上的频段尤其是1000 Hz 左右频段的噪声谱级与风速相关性高，即风速对噪声谱级强弱起主要作用。

（2）由于海洋湍流噪声和风生噪声源分布在无穷大的整片海域，因此在垂直方向可以到整个深海水层。

（3）在中高频段，风速大小和噪声谱级与风速对数的相关系数成正比。与此同时风可以通过催生海洋湍流从而使低频的海洋环境噪声升高。

（4）远处航船噪声作为声源导致噪声远距离传播后主要能量集中在声道轴附近。