基于光纖矢量水聽器的淺海噪聲矢量場特性研究

朱良明，李風華，陳德勝

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基于光纖矢量水聽器的淺海噪聲矢量場特性研究

朱良明1,2，李風華1，陳德勝1

(1. 中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京100190; 2. 中國科學院大學物理學院，北京100049)

基于簡正波理論分析了淺海噪聲矢量場聲壓和質點振速的強度特性，仿真了淺海聲壓和質點振速的噪聲強度在深度和頻率上的變化特性，噪聲矢量場強度特性仿真結果與實驗測量結果一致。針對聲場測量的有效性，給出了加速度通道自噪聲譜級和靈敏度必須滿足的關系式，并提出了降低自噪聲對接收系統影響的兩種措施。最后分析并對比了系統自噪聲譜級和海洋環境噪聲譜級，結果表明，聲壓通道的自噪聲比環境噪聲譜級低20 dB左右，Y通道和Z通道的自噪聲比環境噪聲低3.5 dB以上, X通道的自噪聲譜級在200 Hz附近與環境噪聲譜級最為接近，約比環境噪聲低1.5 dB。

光纖矢量水聽器；噪聲矢量場；系統自噪聲；海洋環境噪聲；靈敏度

0 引言

矢量水聽器因其能夠共點同步測量空間某點處的聲壓和質點振速而在水聲領域倍受關注[1]，聲壓與振速聯合信息處理可以更好地獲取波導參數和聲源位置信息[2]。矢量水聽器具有良好的低頻指向性和抗各向同性干擾能力，能夠獲得一定的空間增益。矢量水聽器這些優點使其在低頻弱目標探測領域倍受青睞。與壓電水聽器相比，干涉型光纖矢量水聽器具有靈敏度高、信號損耗小、穩定性高的優點。應用現有成熟的光纖通訊技術，光纖矢量水聽器可以方便地組建水下光纖陣列和大范圍光纖傳感器網絡。

隨著矢量水聽器在水聲領域的應用，國內外學者進行了矢量聲場預報[3-4]、矢量聲場傳播特性[5-6]、噪聲矢量場特性[7-11]等方面的研究，同時還進行了矢量水聽器目標測向[12-15]和匹配場反演與定位[16]等應用方面的研究。

為實現矢量水聽器對聲場的有效記錄，需嚴格控制系統自噪聲強度，并應用減振和流噪聲抑制技術降低系統低頻振動干擾和流噪聲。海洋環境噪聲作為常見的背景干擾，研究噪聲矢量場特性對矢量水聽器應用具有重要意義。

本文首先結合矢量水聽器靈敏度特性討論了聲壓通道和質點振速通道的系統自噪聲特性。針對聲場測量的有效性，給出了加速度通道自噪聲譜級和靈敏度所需滿足的關系式，并提出降低自噪聲對接收系統影響的兩種措施。然后利用簡正波理論分析了淺海噪聲矢量場聲壓和質點振速的強度特性，并對淺海聲壓和質點振速的噪聲強度在深度和頻率上的變化特性進行仿真分析。最后，對比了系統自噪聲譜級和海洋環境噪聲譜級，分頻段討論了各個通道的系統自噪聲對矢量接收系統的影響。

1 光纖矢量接收系統自噪聲特性

矢量水聽器作為一種新型的水聲測量設備，不僅可以測量聲壓量，還可以直接、同步測量聲場同一點處的質點振速。光纖矢量水聽器兼備光纖水聽器和矢量水聽器兩者的優點。

本文所使用的矢量水聽器為加速度型光纖矢量水聽器，它屬于同振式三維矢量水聽器。靈敏度是傳感器的一項重要性能指標，而且矢量水聽器靈敏度直接影響矢量收系統的自噪聲特性，下面介紹矢量水聽器靈敏度特性。

(2)

(3)

(5)

(6)

因此，矢量傳感器靈敏度之間滿足如下關系：

(8)

由式(8)可知，振速型矢量水聽器的等效聲壓靈敏度與頻率無關，而加速度型和位移型矢量水聽器的等效聲壓靈敏度具有頻率依賴性，加速度型矢量水聽器的等效聲壓靈敏度與頻率成正比，位移型矢量水聽器的等效聲壓靈敏度與頻率成反比。

對本文中使用的某光纖矢量水聽器的靈敏度進行測試，測試頻率范圍為20 Hz~1 kHz，測試結果如圖1~3所示。圖1為聲壓水聽器的靈敏度曲線，從圖1可知，聲壓水聽器在測試頻率范圍內靈敏度起伏較小，靈敏度平均值為-147.2 dB ()。圖2為三個方向加速度通道的等效聲壓靈敏度曲線，從圖2可知三個方向加速度通道的等效聲壓靈敏度十分接近，在1 kHz處的等效聲壓靈敏度約為-155.7 dB（）。圖3是根據(8)式折算得到的三個方向加速度通道的加速度靈敏度曲線，從圖中可知，X、Y、Z三個通道的平均加速度靈敏度分別為31.6、31.1、31.8 dB (，g表示重力加速度)。

系統自噪聲、繞流噪聲和構件的低頻振動是矢量接收系統的主要干擾，為了保證聲場數據記錄的有效性，必須將這些干擾的強度控制在一定范圍之內。繞流噪聲和構件的低頻振動都主要集中在低頻段。矢量水聽器加速度通道的等效聲壓靈敏度與頻率成正比，因而加速度通道自噪聲等效聲壓譜級隨頻率的降低而增大，這使得自噪聲在低頻段對矢量接收系統的性能影響較大。

圖4為矢量接收系統在安靜環境下的自噪聲測試結果，圖4(a)是各個通道輸出光信號的譜級，信號尚未進行靈敏度折算，圖4(b)是經靈敏度折算之后的譜級，其中加速度通道噪聲已經轉化為等效聲壓譜級。需要說明的是，圖中740、1220、1490和2240 Hz處的尖峰并非系統諧振峰，而是測試時環境中存在的干擾，這些尖峰并非一直存在。從圖4(a) 中可知，聲壓通道和加速度通道的自噪聲譜級較為接近，并且隨頻率的變化不明顯，只在低頻段有較小上升。從圖4(b)可知，轉換成等效聲壓之后，聲壓通道在高于1 kHz頻段噪聲譜級為36 dB左右，隨著頻率降低，加速度通道自噪聲譜級的上升速度要快于聲壓通道，并且頻率越低，加速度通道自噪聲譜級高出聲壓通道越多。因此，對矢量接收系統低頻測量性能影響較大的是加速度通道的系統自噪聲，只有把加速度通道的等效聲壓噪聲譜級降低到一定范圍，才能保證聲場數據的有效記錄。

(a) 各個通道輸出光信號的譜級

(b)各個通道等效聲壓譜級

圖4 系統自噪聲測試結果

Fig.4 Measured results of system self noise spectra

影響矢量接收系統的常見干擾中，繞流噪聲可以通過設計流線型框架、增加內外導流罩進行抑制，低頻振動干擾也能通過合理的懸置裝置和減振措施來加以抑制。下面分析如何降低系統自噪聲對光纖矢量水聽器接收系統性能的影響。

在實際海洋環境中，聲壓通道的自噪聲譜級往往比海洋環境噪聲譜級小，它對接收系統的影響可以忽略，本文不予討論。為有效記錄矢量場數據，必須保證三個方向加速度通道的自噪聲等效聲壓譜級小于海洋環境噪聲譜級，即必須滿足：

(10)

2 淺海噪聲矢量場特性分析

(12)

根據角譜理論可將格林函數展開成格林核函數的積分形式[17]：

(15)

因此，界面噪聲場的聲壓和質點振速的強度可以表示為

(17)

假設矢量水聽器Z軸垂直海面向下，X軸和Y軸與海面平行。根據運動方程和角譜理論不難得出X、Y、Z三個方向的質點振速格林核函數分別為：

(20)

(21)

(23)

(25)

將X方向振速格林核函數式(19)代入式(17)，可得噪聲場的X方向振速強度：

(27)

Y方向振速強度的推導與X方向振速強度的推導類似，此處不再重復，且有。

將Z方向振速格林核函數式(21)代入式(17)，可得噪聲場的垂直方向的質點振速強度為

與前面做類似的近似處理，可得

(30)

上面的公式(25)、(28)和(30)組成了非相干海面噪聲源情況下聲壓和三維質點振速的噪聲強度簡正波計算表達式。

海洋界面噪聲與海洋表面風相關，風力激發噪聲的機理目前還不十分清楚，其可能的原因有以下幾種[19]：(1) 流體靜壓(一階效應、二階效應)；(2) 白浪花及氣泡；(3) 浪花濺潑；(4) 湍流偽聲；(5) 空氣邊界層噪聲。對于高風速時，后面四項可能是主要機制；對于低風速時，流體靜壓可能是主要機制，文獻[20]根據二階效應討論了其機制問題，并得出：

根據前面的噪聲矢量場理論，對淺海噪聲矢量場的聲壓和質點振速的強度進行數值仿真，仿真時使用某次矢量水聽器海上實驗的實測水文，水深為60 m，水體聲速剖面如圖5所示，海底聲速為1600 m/s，海底密度為1.8 g/cm3，海底聲吸收為0.25 dB/，噪聲場計算頻段為100 Hz至1500 Hz。由于X方向和Y方向的質點振速強度相等，因此下面只給出X方向的質點振速強度。

圖6為噪聲矢量場強度的深度和頻率二維偽彩圖，其中圖6(a)為聲壓強度，圖6(b)為X方向振速強度，圖6(c)為垂直振速強度。從圖6可以看出，在海面附近聲壓和X方向振速的強度較弱，垂直振速強度較強；海底附近的聲壓和X方向振速的強度較大，垂直振速強度較弱；這可以從海面絕對軟邊界和海底高聲阻抗的波導特性得到較好的解釋。水體中其他區域除了有小幅度振蕩之外，聲壓和振速的強度隨深度和頻率變化不大。

圖7為1 kHz頻點處聲壓與質點振速的強度特性曲線，其中圖7(a)為聲壓和質點振速的強度隨深度的變化曲線，圖7(b)為聲壓與質點振速的噪聲強度差隨深度的變化曲線。從圖7(a)可知，在海面和海底附近聲壓和質點振速的強度隨深度出現振蕩，接近海面時聲壓和X方向振速逐漸減小而垂直振速逐漸增大，接近海底時聲壓和X方向振速逐漸增大而垂直振速逐漸減小。從圖7(b)可知，聲壓與質點振速的強度差隨深度變化較小，X方向振速強度比聲壓強度小4.8 dB左右，聲壓與垂直振速的強度差在較淺深度時為5.5 dB左右，在較深深度時為4.8 dB左右。

(a) 聲壓強度

(b)X方向振速強度

(a) 聲壓與質點振速的強度曲線

(b)聲壓與質點振速的強度差曲線

圖7 1000 Hz頻點處聲壓與質點振速的強度曲線

Fig.7 Intensity curves of pressure and particle velocities at 1000 Hz

圖8為55 m深度處聲壓與質點振速的強度頻率特性曲線，其中圖8(a)為聲壓和質點振速的強度隨頻率的變化曲線，圖8(b)為聲壓與質點振速的強度差隨頻率的變化曲線。從圖8可知，聲壓與質點振速的強度隨頻率變化較小，聲壓與X方向振速強度差為4.8 dB左右，聲壓與垂直振速的強度差為4.5 dB左右。再結合式(31)描述的聲源功率頻率特性可知，淺海噪聲矢量場聲壓和質點振速具有相似的譜斜率，且在低于13 Hz頻段譜斜率為-9 dB/倍頻程，在高于13 Hz頻段譜斜率為-5.3 dB/倍頻程，這與著名的Knudson噪聲譜級一致。

3 海洋環境噪聲矢量場實驗結果

2012夏天，中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室在南海進行了光纖矢量水聽器海上實驗。光纖矢量接收系統采用座底的方式布放于海底，設備布放點離岸2 km、水深為60 m，傳輸光纜將矢量水聽器和羅經記錄的聲壓、三維加速度和姿態等數據實時地傳輸到科學研究基站。在海洋環境噪聲測量期間，實驗海域為三級海況。每個數據文件的記錄時間為2 s，本文采用300個數據文件進行能量平均計算環境噪聲譜級，實驗測得矢量水聽器布放點的聲速剖面如圖5所示。

(a) 聲壓與質點振速的強度曲線

(b)聲壓與質點振速的強度差曲線

圖8 深度55 m處聲壓與質點振速的強度曲線

Fig.8 Pressure and particle intensities at depth of 55 m

受海底不平整性和布放等因素的影響，實驗中矢量接收系統會有一定程度的傾斜，為控制矢量水聽器傾斜程度并記錄矢量水聽器姿態，矢量接收系統安裝了自回轉裝置和羅經。圖9給出了實驗期間羅經記錄的矢量水聽器俯仰角。從圖9可知，實驗期間矢量水聽器俯仰角小于，因此矢量水聽器姿態的傾斜對噪聲矢量場測量的影響可以忽略。

圖10為海洋環境噪聲實驗測量結果，圖中質點振速轉換成了等效聲壓量綱。從圖10可知，在高于300 Hz頻段，三個通道的質點振速噪聲譜級基本一致，都比聲壓噪聲譜級小5 dB左右，且聲壓和質點振速的噪聲譜級具有相似的頻率特性，譜斜率皆為-5.3 dB/倍頻程，這與前面的理論分析結果一致；在低于300 Hz頻段，X通道和Z通道的振速噪聲譜級比聲壓譜級小5 dB左右，而Y通道振速噪聲譜級比X和Z通道高3 dB左右，這是因為該頻段受航船噪聲影響較大，航船噪聲相當于環境中離散的相干聲源，矢量傳播場的水平振速與聲壓的傳播損失接近，矢量水聽器在實驗布放時X軸平行海岸線，Y軸垂直海岸線指向遠處航船密集的區域，因此該頻段Y通道振速的噪聲譜級有所增加。

圖11為海洋環境噪聲譜級與系統自噪聲譜級對比，各物理量都已轉換為聲壓量綱。圖11(a)、圖11(b)、圖11(c)和圖11(d)依次為聲壓通道、X通道、Y通道和Z通道的測量結果，圖中實線為海洋環境噪聲譜級，虛線為系統自噪聲譜級。從圖中可知，除了自噪聲測試時存在干擾的頻點之外，聲壓和質點振速的系統自噪聲都比環境噪聲小。聲壓通道的自噪聲比環境噪聲譜級低20 dB左右。X通道自噪聲譜級在200 Hz附近與環境噪聲譜級最為接近，約比環境噪聲低1.5 dB。Y通道和Z通道的自噪聲比環境噪聲低3.5 dB以上。

(a) 聲壓通道

(b)X通道

(c)Y通道

(d)Z通道

圖11 實測海洋環境噪聲與自噪聲的譜級對比

Fig.11 The spectra comparison between ambient noise and system noise

4 結論

本文基于簡正波理論分析了淺海噪聲矢量場聲壓和質點振速的強度隨深度和頻率的變化特性。針對聲場測量有效性，給出了加速度通道自噪聲譜級和靈敏度必須滿足的條件，并提出兩種降低自噪聲對接收系統影響的措施。分析和對比了系統自噪聲和海洋環境噪聲實測結果。可得出以下結論：

(1) 淺海偶極子界面噪聲源激發的噪聲矢量場，聲壓和三維質點振速的譜級具有相似的譜斜率特性，在高于100 Hz頻段譜斜率約為-5.3 dB/倍頻程。三維質點振速噪聲強度基本一致，比聲壓強度低5 dB左右。

(2) 可以通過降低加速度通道自噪聲譜級和提高加速度通道靈敏度兩種措施來降低系統自噪聲對矢量接收系統的影響，且加速度通道自噪聲和靈敏度必須滿足式(10)給出的條件。

(3) 對于本文使用的光纖矢量接收系統，聲壓通道的自噪聲譜級比環境噪聲低20 dB左右，X通道的自噪聲譜級在200 Hz附近與環境噪聲譜級最為接近，約比環境噪聲低1.5 dB。Y通道和Z通道的自噪聲比環境噪聲低3.5 dB以上。

[1] 孫貴青, 李啟虎. 聲矢量傳感器研究進展[J].聲學學報, 2004, 29(6): 481-490.

SUN Guiqing, LI Qihu. Progress of study on acoustic vector sensor[J]. Acta Acustica, 2004, 29(6): 481-490.

[2] 惠俊英, 劉宏, 余華兵. 聲壓振速聯合信息處理及其物理基礎初探[J].聲學學報, 2000, 25(4): 303-307.

HUI Junying, LIU Hong, YU Huabing, et al. Study of physical basis of pressure and particle velocity combined processing[J]. Acta Acustica, 2000, 25(4): 303-307.

[3] OLEG E G, YANG D S. On the certain semi- analytical models of low-frequency acoustic fields in terms of scalar-vector description [J]. Chinese Journal of Acoustics, 2004, 23(1): 58-70.

[4] 張海剛, 樸勝春, 楊士莪, 等. 楔形彈性海底聲矢量場分布規律研究[J]. 聲學學報, 2011, 36(4): 389-395.

ZHANG Haigang, PIAO Shengchun, YANG Shi’e, et al. Researches on the distribution law of vector sound field in elstic wedge bottom.[J]. Acta Acustica, 2011, 36(4): 389-395.

[5] 周士弘. 分層介質波導中的聲矢量場傳播[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2004, 25(1): 38-42.

ZHOU Shi-hong. Acoustic vector fields propagation in horizontal-stratified waveguide [J]. Journal of Harbin Engineering University, 2004, 25(1): 38-42.

[6] DAVID R. Dall’Osto, Peter H Dahl. Properties of the acoustic intensity vector field in a shallow water waveguide[J]. J. Acoust. Soc. Am, 2012, 131(3): 2023 -2035.

[7] Malcolm Hawkes, Arye Nehorai. Acoustic vector sensor correlations in ambient noise[J]. IEEE J. Oceanic Eng, 2001, 26(3): 337-347.

[8] ABDI A, GUO H. Signal correlation modeling in acoustic vector sensor arrays[J]. IEEE Trans Signal Processing, 2009, 57(3): 892-903.

[9] BRUCE M, Abraham. Ambient Noise Measurements with Vector Acoustic Hydrophones[J]. IEEE OCEANS, 2006, 1(4244): 0115-1/06.

[10] 孫貴青, 楊德森, 時勝國. 基于矢量水聽器的聲壓和質點振速的空間相關系數[J]. 聲學學報, 2003, 28(6): 509-513.

SUN Guiqing, YANG Desen, SHI Shengguo. Spatial correlation coefficents of acoustic pressure and particle velocity based on vector hydrophone[J]. Acta Acustica, 2003, 28(6): 509-513.

[11] 黃益旺, 李婷, 于盛齊, 等. 水平分層介質表面噪聲矢量場空間相關特性[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2010, 31(7): 975-981.

HUANG Yiwang, LI Ting, YU Shengqi, et al. Spatial correlation of surface noise received by acoustic vector sensors in a horizontally stratified medium[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(7): 975-981.

[12] Arye Nehorai, Eytan Paldi. Acoustic Vector-Sensor Array Processing[J]. IEEE Trans. Signal Processing, 1994, 42(9): 2481-2491.

[13] Malcolm Hawkes, Arye Nehorai. Acoustic vector sensor array processing in the presence of a reflecting boundary[J]. IEEE Trans. Signal Processing, 2000, 48(11): 2981-2993.

[14] 牛嗣亮, 張振宇，胡永明, 等. 單矢量水聽器的姿態修正測向問題探討[J]. 國防科技大學學報, 2011, 33(6): 105-110.

NIU Siliang, ZHANG Zhenyu, HU Yongming, et al. Direction of arrival estimation from a single vector hydrophone with attitude correction[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2011, 33(6): 105-110.

[15] Malcolm Hawkes, Arye Nehorai. Acoustic vector sensor beamforming and Capon direction estimation[J]. IEEE Oceanic Eng, 1998, 46(9): 2291–2304.

[16] 李風華, 孫梅, 張仁和. 由矢量水聽器陣反演海底地聲參數[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2010, 31(7): 895-902.

LI Fenghua, SUN Mei, ZHANG Renhe. Geo-acoustic inversion for a vector sensor array[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(7): 895-902.

[17] JENSEN F B, KUPERMAN W A, PORTER M B, et al. Computational ocean acoustics[M]. New York: American Institute of Physics, 1994.

[18] KUPERMAN W A, INGENITO F. Spatial correlation of surface generated noise in a stratified ocean[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1980, 67(6): 1988-1996.

[19] 汪德昭, 尚爾昌. 水聲學[M]. 2版. 北京：科學出版社, 2013: 303-319.

WANG Dezhao, SHANG Erchang. Underwater Acoustics[M]. 2nd Edition. Beijing: Science Press, 2013:303-319.

[20] MARSH H W. Origin of the knudson spectra[J]. J. Acoust. Soc. Am, 1963, 35(1): 409.

[21] WILLIAM M. Carey, RICHARD B Evans, JAMES A Davis, et al. Deepocean vertical noise directionality[J]. IEEE Oceanic Eng, 1990, 15(4): 324-334.

Study of vector noise field characteristics in shallow water by fiber optical vector hydrophone

ZHU Liang-ming1,2, LI Feng-hua2, CHEN De-sheng1

(1. State Key Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. College of Physics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Vector noise field characteristics in shallow water are analyzed with normal mode theory, and the intensity distributionsof pressure and particle velocities in shallow water vector noise field are simulated, which are well in agreement with experiment results. The expressions of system noise intensity and sensitivity, which meetthe validity of data record, are presented, and two methods of suppressing the influence of system noise on fiber-optical vector hydrophone system are also proposed. System noise and ambient noise are tested with the fiber-optical vector hydrophone system, and analyzed indifferent frequency bands. The result shows that the self-noise spectrum level in pressure channel is 20 dB lower than ambient noise level, and the self-noise spectrum levels in Y and Z acceleration channels are lower than ambient noise level by 3.5 dB more. While the self-noise spectrum level in X acceleration channel is nearestto ambient noise level at 200 Hz (about 1.5 dB lower).

fiber-optical vector hydrophone; vector noise field; system noise; sensitivity

TB556

A

1000-3630(2016)-02-0101-08

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.004

2015-02-06;

2015-04-20

國家自然科學基金資助項目(11125420)。

朱良明(1988－), 男, 江西贛州人, 博士, 研究方向為海洋聲學、矢量水聽器聲信號處理。

李風華, E-mail: lfh@mail.ioa.ac.cn。