东中国海夏季海洋环境噪声特性分析

李 娜，林建恒，胡 涛，江鹏飞，孙军平，衣雪娟，单元春,3

（1.中国科学院声学研究所北海研究站，山东青岛 266114；2.中国科学院水声环境特性重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049）

0 引言

海洋环境噪声是海洋的驻留声场，一方面它携带了许多海洋环境信息，如水文特性、海底底质特性以及风速、海况等信息，利用环境噪声数据可以快速有效地反演海洋环境参数[1-3]；另一方面海洋环境噪声作为目标检测的主要背景干扰之一[4]，直接影响声呐系统的正常工作，限制被动声呐设备性能的发挥。Knudson 等[5]和Wenz[6]根据大量实测数据细致地描述了 20 世纪相关海域海洋环境噪声的源特性和谱特性，得到了经典的环境噪声谱曲线，不同的噪声源产生的噪声谱曲线斜率不同。

通常情况下，20～500 Hz 频率范围内的主要噪声源为远处的航船噪声，而500 Hz～20 kHz 频段内的常见噪声源为风生噪声。关于航船噪声源，JIANG 等[7]分析了近年来我国黄海海域的商船辐射噪声特性，建立了现代商船辐射噪声的源级模型，提高了低频海洋环境噪声的预测精度。彭子龙[8]根据舟山群岛测得的大量非合作船信号，基于统计规律建立了航船声源级模型，在200 Hz 以下频段，改进了RANDI-3 模型。关于风关噪声源，林建恒等[9]在分段反演风速方法的基础上，考虑海域和水声传播条件的影响，提出了一种海洋环境噪声估计风速的修正方法，该方法具有较好的鲁棒性。蒋东阁[10]基于南海深水海域三次海洋环境噪声实验数据，建立了射线理论风生噪声模型，并修正了Harrison 的源级公式。孙磊等[11]通过分析南海某海域的环境噪声实测数据，定量研究各频率点的风关特性，得出1 kHz 频率点附近海洋环境噪声级受海洋面风影响最为明显。近年来，海洋环境噪声的统计特性也是研究的重要方向之一，文献[12-14]从概率分布、方差与标准差、偏度与峰度等角度对不同海域实测海洋环境噪声谱级的统计特性进行了分析。

本文基于我国东海某海域夏季海洋环境噪声实测数据，分别从其时频特性、噪声级的概率分布情况以及风关特性三个方面进行分析，给出了夏季东海海洋环境噪声的相关特性。

1 海洋环境噪声试验情况简介

试验地点位于我国东海某海域，海深约325 m，测量设备为32 元等间距水听器垂直阵，布放深度为74～263 m，海洋环境噪声数据的采集时长为10 d，采样频率为17.067 kHz。图1 是试验期间利用温盐深仪（Conductance Temperature Depth,CTD）测得的声速剖面，由于夏季海洋表面受日照的影响，形成负声速梯度剖面。图2 是试验期间的风速 概率分布柱状图，数据源自美国国家环境预报中心（NCEP），风速的时间采样间隔为6 h。

图1 实验海域声速剖面图 Fig.1 Sound speed profile in the experimental waters

图2 实验期间风速的概率分布 Fig.2 Probability distribution of wind speed during the experiment

2 海洋环境噪声数据处理

2.1 海洋环境噪声谱级

将实测的有效海洋环境噪声数据分成L段，每一段用xl（n），l=1,2,…,L表示，则环境噪声的谱级可表示为

其中：

式中：Xlj′为离散信号xl（n）的傅里叶变换谱，j为频谱中的谱线索引，N为傅里叶变换点数，fs为采样频率，分别为窄带信号的下限频率fL与上限频率fH对应的频率索引，Mv和D分别为水听器的灵敏度和放大倍数。

图3 是测量得到的海洋环境噪声时间-频率图，分析频段为20～5 000 Hz。从图3 中可以看出，试 验期间，该海域100 Hz 以下频段的海洋环境噪声级约为110 dB。在100 Hz 以下频段，海洋环境的噪声级较高，随着频率的增加，噪声级逐渐减小。

图3 海洋环境噪声时频图 Fig.3 Time-frequency diagram of ocean ambient noise

2.2 海洋环境噪声谱级统计特性

由Wenz 曲线可知，海洋环境噪声包含多种声源，声源的随机性和不确定性导致海洋环境噪声的变化呈现随机性的特点。下面从数理统计的角度，分析海洋环境噪声级在不同频段的概率分布情况。

卡方（χ2）分布是数理统计中应用较为广泛的概率分布之一。n个独立标准正态变量的平方和服从卡方分布，其概率密度函数为

正态分布的概率密度函数为

式中：μ和σ分别表示随机变量x的均值和标准差。

选取某日7：00～18：00 时间段内采集得到的海洋环境噪声进行分析，由于风速的采样间隔较长，该分析时段对应的风速分别为5.27 和5.29 m·s-1。图4 是不同频率（100 Hz、300 Hz、1 kHz、3 kHz）时，海洋环境噪声级的统计特性，其中柱状图是实测的海洋环境噪声级的概率分布图，红色曲线是与 之相应的概率分布拟合曲线。频率为100 和300 Hz的海洋环境噪声级概率分布接近于χ2分布，自由度分别为8 和6，而频率为1 kHz 和3 kHz 的海洋环境噪声级更接近于正态分布。这是由于在低频时，远处的航船噪声是环境噪声的主要声源，其随机性和不均匀性导致海洋环境噪声级呈现非正态分布的特性；而在高频时，风关噪声是主要的噪声源，实验当天的风速变化较小，故环境噪声级呈现稳定的正态分布特性。

图4 不同频率的海洋环境噪声级概率分布 Fig.4 Probability distributions of ocean ambient noise levels at different frequencies

图5（a）～5（d）分别比较了实验期间海洋环境噪声级在不同频率、不同风速下的概率分布特性。观察图 5（a）、5（b），可以看出风速变化对 100 和300 Hz 的海洋环境噪声级的概率分布影响较小，而随着风速变大、海况变差（如图 5（c）、5（d）所示），1 kHz 和3 kHz 海洋环境噪声级概率分布的期望增大，方差也有所增加，分析其原因，一方面可能是由于风速数据的采样间隔较长，时间分辨率较低，一段时间内瞬时风速变化较大，风速增加风生噪声的强度也随之增加，背景噪声级的期望变高，导致海洋环境噪声级起伏较大；另一方面，考虑到海浪的各态历经性，方差增大，符合风作用下风浪生成阶段的海浪谱特征。

图5 不同海况下不同频率的海洋环境噪声级概率分布 Fig.5 Probability distributions of ocean ambient noise levels at different frequencies in different sea conditions

2.3 海洋环境噪声风关特性

根据皮尔逊相关系数公式，海面风速和海洋环境噪声级的互相关系数可以表示为

式中：xi、yi分别表示海洋环境噪声级和相应的风速对数，分别表示环境噪声级和风速对数的时间平均，其中，风速对数的表达式为lgV，V表示风速。

图6 是不同风速下的海洋环境噪声1/3 倍频程平均功率谱，在20～320 Hz 频段内，环境噪声谱级与风速的变化无明显关系；在320 Hz 以上频段，环境噪声谱级随风速增加而增大。图7 是计算得到的海洋环境噪声谱级与风速对数的相关系数。在20～320 Hz 频段，相关系数小于0.4，该频段内主要噪声源为航船噪声，海洋环境噪声谱级与风速对数呈弱相关；在400～1 000 Hz 频段内，相关系数逐渐增大，表明海面风速的变化对海洋环境噪声级的影响逐渐增大；在1 000 Hz 以上时，相关系数达到0.6 以上，海洋环境噪声谱级与风速对数呈现较强的相关性。

图6 不同风速下的海洋环境噪声1/3 倍频程平均功率谱 Fig.6 One third octave average power spectrums of ocean ambient noise at different wind speeds

图7 不同频率的海洋环境噪声级与风速对数的相关系数 Fig.7 Correlation coefficients between the logarithm of wind speed and the ocean ambient noise level at different frequencies

图8（a）～8（b）比较了不同风速、不同频率时海洋环境噪声谱级随深度的变化。结果表明，风速越 大，风关噪声的谱级越大，且谱级几乎不随深度的变化而变化，基本均匀分布在整个水体层中（海面和海底的噪声谱级未进行观测）。对比图8（a）、8（b）发现，频率20 Hz 和40 Hz 对应的噪声谱级随深度的变化而变得杂乱无章，且20 Hz 处的噪声谱级均大于40 Hz 处的谱级。分析其原因，低频部分噪声可能来自航船声源的远距离传播信号，其谱级垂向复杂度可能与低阶简正波叠加有关。根据Wenz 曲线分析，20～50 Hz 的海洋环境噪声不仅包含航船噪声，还包括地震扰动噪声、爆炸声以及海洋潮汐、湍流噪声，频率越接近 50 Hz，远处航船噪声对相应频段的噪声影响越大，从两图中可见低于40 Hz的环境噪声谱级随深度的变化规律与高频不同，这可能源自海洋潮汐、湍流的影响，有待进一步研究。

图8 不同风速时海洋环境噪声谱级垂直分布 Fig.8 Vertical distributions of ocean ambient noise spectrum levels at different wind speeds

3 结论

本文基于实测的东中国海夏季某海域海洋环境噪声数据，分别从时频图特性、噪声级统计特性和风关特性三个方面进行了分析，结论如下：

（1）100 Hz 以下频段的海洋环境噪声级约为110 dB，随着频率的增加，噪声级逐渐减小。

（2）海洋环境噪声级在100 和300 Hz 的低频段服从自由度为6～8 的χ2分布，在1 000 Hz 和3 000 Hz 高频段服从正态分布。不同海况对低频段的环境噪声级概率分布几乎无影响，对高频段噪声级的正态分布的均值和方差会产生一定的影响；

（3）在20～320 Hz 频段内，海洋环境噪声级与风速呈现弱相关，随着频率的增加，相关系数逐渐增大，在1 000 Hz 以上相关系数为0.6～0.7。在不同频率时，高频段的风关噪声的谱级基本不随深度变化。40 Hz 以下的谱级随深度变得杂乱，这可能源自海洋潮汐、湍流噪声以及远处航船噪声低阶简正波叠加的影响，有待进一步的分析研究。