探究海洋环境噪声问题

海洋环境噪声是指海洋周边所有方向传到水听器所在处的噪声，是水声通信信道中的一种干扰背景场。通常海洋环境噪声作为信道的加性干扰用谱级NL予以描写。

1.深海环境噪声

最先对100Hz～25kHz频率的深海环境噪声做了总结，给出Knudson曲线，如图3-9所示。

图3-9 深海环境Kundson噪声谱图

后来又不断深入研究又做了不少改进和补充，目前Wenz又总结了谱级曲线是具有代表性的如图3-10所示。

Wen2谱级曲线可分成互相覆盖的三段，叙述如下：

1）低频段1～100Hz，每倍频程有8～10dB衰降，主要来源于潮、涌、浪的压力脉动，大尺度湍流及远处的风暴、地震，其噪声级与风速关系不大。Wen2曾以简单的湍流模型估计湍流压力谱，对平均流速V=2cm/s的海洋湍流噪声计算结果在衰减斜率及谱级大小方面均与实验相符合。

图3-10 Wen2谱级曲线图

2）在100～500Hz，有一段与风无关，并经常有极值的谱级。极值的位置变动较大，这一段谱级较为平缓，主要来源于远处的船舶噪声，因此与航运的频繁程度有关。

3）0.5～25kHz频段内，存在一个与风速、海况相关的谱级，每倍频程按5～6dB衰减，海洋噪声谱级的高端，由分子热噪声控制。

风的噪声机制，其原因可能有以下几种情况：

流体静压（一阶效应）；流体静压（二阶效应）；白浪花及气泡；浪花溅泼；湍流伪声；空气边界层噪声。

深海环境噪声是有方向性的。指向性与如下因素有关：噪声源空间分布特性；噪声源空间辐射指向性；海洋声传播条件。

图3-11是Axelrod等人在112Hz和1414Hz频率上有关指向性的测量结果，以到达海底水听器的单位立体角内的声强N（θ）作为角度θ的函数。可见，112Hz频率由水平方向到达水听器的噪声强于垂直方向；而在1414Hz频率上，指向性的极大值则在垂直方向。这结果说明低频噪声来自远处，并通过水平途径传至水听器；高频噪声源则大多在海面上。

图3-11 深海环境噪声指向性分布图

2.浅海环境噪声(www.xing528.com)

在浅海中，背景噪声由三类不同形式的噪声混合而成：行船及工业噪声；风成噪声；生物噪声。

在一个特定的时间和地点，噪声级取决于这些源的混合情况，因这种混合随时间、地点而变，所以噪声级也具有显著的时空变化特性。

这里有学者在美国纽约、圣地亚哥港等不同的海湾和港口内的噪声做了大量的测量。图3-12给出了测量平均所得噪声谱级的例子。图中的C线表示20Hz～20kHz间多次测量的平均值，A线为高噪声区域，B线为中等噪声区域，阴影区为次声频段另外一些测量的范围。

图3-12 在海湾和港口中的噪声级图

与深海噪声级比较，在测量的频率范围内，近海中噪声比远离海岸的深海噪声级高出5dB以上。

3.环境噪声的间歇源

海洋环境噪声源中，还有一类间歇性的噪声源，如能发声的海洋生物和降雨等。

海洋中能发声的生物大体上分成三类：甲壳类、鱼类和哺乳类。甲壳类中最主要的是虾群，特别是螯虾、它们的螯经常相互碰击而发出噪声，频率为500～2000Hz。鱼类中有一种鱼能发出像啄木鸟敲击空洞一样的声，发出叩击般的间断噪声序列。哺乳类中鲸鱼和海豚用喉管喷气产生噪声，海豚还会在不同的生活形态下发出调频的哨声。

对海洋生物噪声的大量测量和分析，已获得不少水声工程上有价值的噪声谱级。

另一种环境噪声间歇源是降雨，图3-13是在长岛海峡测得的降雨噪声谱。

由图可知，在1～10kHz频段，暴雨的噪声谱近于白噪声，在10kHz处，暴雨噪声级超过无雨时18dB。此频段正好落在水声通信的有效频带内，即使下的是中雨，也有10dB左右的提升。

4.海洋环境噪声统计特性

主要目的在于寻找噪声与信号在统计特性，特别是时—空相关性上的差异，作为水声数字通信抗噪声处理的物理基础和具体参数选取的依据。

海洋噪声是一种随机过程，研究海洋噪声这类非平稳过程，可采用准平稳分段方法，分为若干有限时间段，在各段内把海洋看作平稳过程。实验指出，准平稳分段时间在几十秒至1～2min之间。

图3-13 降雨噪声谱图（虚线为无雨时的噪声级）