深海海洋環境噪聲垂直相關性研究

王璟琰，李風華

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深海海洋環境噪聲垂直相關性研究

王璟琰1,2，李風華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，北京100049)

海洋環境噪聲場是海洋中的固有聲場，其空間結構特性是影響水聲系統的重要因素之一。在風成海洋環境噪聲波數積分模型的基礎上，對深海噪聲場的垂直相關性進行了研究。通過數值仿真討論了深海環境下，海底聲速、衰減系數、海面噪聲源深度及接收器深度對均勻分布于海面附近的噪聲源的垂直相關性的影響。仿真結果表明：噪聲場的垂直相關隨海底聲速、衰減系數和接收器的絕對深度的變化較小；高頻噪聲的垂直相關性對噪聲源的深度較敏感，低頻噪聲的垂直相關性受噪聲源深度的影響幾乎可以忽略。在此基礎上，分析了某次海試噪聲數據，并結合數值計算結果對實驗測得噪聲數據的垂直相關性進行了合理的解釋。

海洋環境噪聲；深海；垂直相關性

0 引言

海洋環境噪聲是水聲信道的背景干擾場，攜帶大量有關海洋環境的信息，是進行海洋環境參數反演的有用信號。在海洋環境噪聲場特性中，垂直相關特性能夠反映噪聲場的空間結構，且僅依賴噪聲場的傳播條件，是一個相對穩定的物理量。Cron和Sherman在1962年提出了無限大海面噪聲源在均勻半空間海洋環境下的噪聲模型[1]；Kuperman和Ingenito推導了分層介質中海洋環境噪聲相關系數的簡正波表達式[2]；在此基礎上，Buckingham等得出了考慮海水衰減時噪聲相關函數的解析形式，并應用噪聲的垂直相關獲取海底聲學參數[3-4]。我國學者對淺海噪聲的垂直相關特性做了大量的研究工作，如殷寶友等分析了淺海環境下海底反射特性與噪聲垂直相關的關系，并將其用于海底參數反演[5]；李丙輝等通過數值仿真研究了環境參數對淺海風成噪聲空間結構的影響[6]；何利等深入分析了淺海海域不同時間段噪聲的頻譜特性和垂直相關特性，應用改進的噪聲模型有效解釋了高頻噪聲場的垂直相關特性[7]。

本文基于噪聲垂直相關函數的波數積分表達式，通過數值仿真，研究了深海環境下海底參數、海面噪聲源深度及接收器深度對垂直相關性的影響；分析了某次海試的噪聲數據，并結合數值計算結果對實驗噪聲數據的垂直相關性進行了合理的解釋。

1 噪聲場垂直相關函數的計算

假定海面噪聲源均勻分布于海面附近某一平面上，如圖1所示，空間兩個水聽器的噪聲互譜密度函數可以表示為如下形式[8]：

(2)

(4)

(6)

式(6)中的各項由公式(4)直接數值計算得到。

2 垂直相關與海洋環境參數的關系

由公式(4)可以看出，噪聲垂直相關函數與聲源深度和海洋環境參數等因素有關。

本節基于噪聲垂直相關的波數積分表達式，通過數值仿真，研究了海底參數、海面噪聲源深度和接收器深度對噪聲垂直相關性的影響。本文數值仿真環境為深海環境，水文條件為中國南海典型深海聲速剖面，存在著非完全深海聲道(即海底處的海水聲速小于海面處的海水聲速)，海深為3235 m，接收器深度為30 m，間隔為0.5 m。參考水文環境參數如下：噪聲源深度0.1 m，海底密度為1.5 g/cm3，海底聲速和衰減分別為1584 m/s和0.2 dB/λ。在研究某一參數對垂直相關的影響時，其他參數設為參考值。

2.1 海底各參數對垂直相關的影響

圖2和圖3分別給出了海底聲速為1520、1584和1640 m/s時，300 Hz和1000 Hz的垂直相關系數隨陣元間距的變化和在該海底聲速條件下距參考陣元間距2 m和14 m的垂直相關系數隨頻率的變化(接收器位于海深994~1024 m，參考陣元深度為994 m)。其余參數取參考值。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

圖2 不同海底聲速下垂直相關隨間距的變化

Fig.2 Vertical correlation versus element spacing for different seabed sound speeds

(a) 2 m

(b) 14 m

圖3 不同海底聲速下垂直相關隨頻率的變化

Fig.3 Vertical correlation versus frequency for different seabed sound speeds

圖4和圖5分別給出海底衰減系數為0.2 dB/和0.8 dB/時，300 Hz和1000 Hz的垂直相關系數隨陣元間距的變化和在該海底聲速條件下距參考陣元2 m和14 m的垂直相關系數隨頻率的變化(接收器位置和參考陣元深度同上)。其余參數取參考值。結果表明，海底衰減系數對垂直相關的影響很小，可以忽略。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

圖4 不同海底衰減下垂直相關隨間距的變化

Fig.4 Vertical correlation versus element spacing for different seabed attenuations

本部分仿真結果說明，在深海水文環境中，由于海深較深及水文條件的因素，海面噪聲源激發的噪聲受海底作用較小，因而海底參數的變化對垂直相關的計算影響不明顯，這與淺海情況不同。

(a) 2 m

(b) 14 m

圖5 不同海底衰減下垂直相關隨間距的變化

Fig.5 Vertical correlation versus frequency for different seabed attenuations

2.2 噪聲源深度對垂直相關的影響

海面風成噪聲源的深度與海面附近風速有關，一般在數十厘米的量級。當聲源深度小于四分之一波長時，噪聲源呈現偶極子輻射特性，隨著聲源深度增加，偶極子特性逐減轉變為兩個相位相反的單極子。圖6和圖7分別給出了參考陣元深度為994 m時，噪聲聲源深度為0.1、0.5 m和1 m時不同頻率和不同間距的垂直相關系數。由圖6和圖7可看出，不同聲源深度導致的垂直相關差異隨著間距增大而減小；隨著聲源深度增大及頻率的增高，噪聲源的偶極子特性減弱，垂直相關性隨頻率變化趨于平緩。表現為噪聲場的垂直相關性在低頻時受噪聲源深度影響不大，在高頻時受噪聲源的影響較大。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

圖6 不同噪聲源深度下垂直相關隨間距的變化

Fig.6 Vertical correlation versus element spacing for different source depths

(a) 2 m

(b) 14 m

圖7 不同噪聲源深度下垂直相關隨頻率的變化

Fig.7 Vertical correlation versus frequency for different source depths

2.3 接收器間距和深度對垂直相關的影響

圖8給出了參考陣元深度為994 m時，垂直間距分別為0.5、2和4 m處的垂直相關系數。顯然，接收器垂直間距越大，其垂直相關性越弱；頻率越高，垂直相關系數越低。圖9為接收器位于不同深度時的垂直相關性，其中接收器的絕對深度分別為180、182，994、996，3170、3172 m；圖9 (a)中接收器間距為2 m，圖9 (b)中為4 m。圖9的計算結果表明，在本文仿真的深海環境下，接收器的絕對深度對垂直相關性有影響，但是影響較小。

(a) 2 m

(b) 4 m

圖9 不同深度的垂直相關隨頻率的變化

Fig.9 Vertical correlation versus frequency for different receiver depths

3 噪聲實驗分析

3.1 實驗介紹

實驗海區海深為3235 m，聲速剖面如

圖10所示。實驗布放等間距垂直分布的8個水聽器于994～1008 m之間，位于聲道軸附近，陣元間距為2 m，其中從淺到深第6個陣元信號異常，分析時剔除該通道。測量期間海況良好，風速在3～6 m/s范圍內，選取時間段內接收船附近船只很少，且關閉了接收船的發動機，因此收集的噪聲數據主要為海面風成噪聲。接收器的采樣頻率為8000 Hz，分析時截取10 s的噪聲數據，做8192點的FFT，每20段做一次平均。

3.2 實驗結果分析

應用式(4)和(6)計算了600 Hz和1000 Hz的垂直相關系數隨垂直間距的變化關系，并與實驗結果進行比較，如圖11所示。圖12給出了間隔6 m和8 m的垂直相關系數隨頻率的變化曲線。理論計算時選取的參數如下：聲源深度0.1 m，海底聲速1584 m/s，衰減系數0.2 dB/λ，海底密度1.5 g/cm3，海水聲速剖面和接收器位置與實驗相同。

圖中實驗結果與理論計算結果在高頻時較一致，在低頻時偏差較大；且實驗值均小于理論計算值。這可能是由于實驗時接收器位于聲道軸附近，來自遠距離的其他噪聲源與本地風成噪聲疊加作用，使得低頻噪聲的成分更復雜，從而降低了低頻風成噪聲的相關性；而高頻噪聲則還是以本地的風成噪聲為主，因而與理論計算結果較符合。

(a) 600 Hz

(b) 1000 Hz

圖11 理論計算與實驗數據的比較（隨間距變化）

Fig.11 The comparison of theoretical results and experimental data(versus element spacing)

(a) 6 m

(b) 8 m

圖12 理論計算與實驗數據的比較（隨頻率變化）

Fig.12 The comparison between theoretical results and experimental data (with the change of frequency)

4 結論

基于風成海洋環境噪聲的波數積分模型，數值仿真了深海環境下的垂直相關函數，討論了海底參數、聲源深度和接收器深度對噪聲垂直相關性的影響。計算結果表明，對于深海環境，海底參數和接收器深度對垂直相關性影響不大；噪聲源深度對高頻噪聲的垂直相關性影響較顯著，對低頻的垂直相關性影響不大。分析了某海域實測噪聲數據的垂直相關性，并結合理論計算結果對實驗結果進行了合理的解釋。

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Research on the vertical correlation of ambient noise in deep sea

WANG Jing-yan1,2, LI Feng-hua1

(1. National Laboratory of Acoustics, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Ambient noise is the resident acoustic field in the ocean, and the spatial property of the noise field is a dominant factor which affects the performance of the underwater system. In this paper, the vertical correlation of ambient noise in deep water is studied based on the wind-generated noise model using the wavenumber integral representation. The vertical correlation under different environment parameters, such as the sound speed and the attenuation of the seabed, and the depth of the sources and the receivers, is simulated numerically. The simulation results show that the sound speed and the attenuation of the seabed and the receiver depth have little impact on the vertical correlation; and the vertical correlation is sensitive to the source depth at high frequency, however, it is slightly influenced at low frequency. The experimental data were analyzed and the results are explained reasonably comparing with the simulations.

ambient noise; deep sea; vertical correlation

TB556

A

1000-3630(2016)-02-0109-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.02.005

2015-01-25;

2015-05-07

國家自然科學基金資助項目(11125420)

王璟琰(1988－), 女, 陜西商洛人, 博士研究生, 研究方向為水聲物理。

李風華, E-mail:lfh@mail.ioa.ac.cn。