水声探测技术实验指导书三-五

实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析

本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理，得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律，并将所得结果作图表示。

一、实验目的

1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。

2、掌握基本的时-频处理方法。

3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定的实际训练。

二、实验仪器

计算机

三、实验原理

1、海洋噪声的来源

海洋噪声的来源是多方面的，总的归纳起来有几大类：

(1) 动力噪声：由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起的压力起伏，以及海浪拍岸的噪声，雨噪声等。

(2) 冰下噪声：由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声，以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。

(3) 生物噪声：由海洋动物所引起的各式各样的声音。

(4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。

(5) 工业噪声：由人类的各种活动所引起的噪声。如船舶航行的噪声，港口作业噪声，海底作业噪声等。

以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。通过频谱分析，不但可以了解声源信息，如根据海洋噪声探测海上风浪的情况，还可以根据海洋噪声场的特性，提高水声器材的抗干扰性能。因此，有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。

2、船舰噪声的谱特性

舰船在水中运动时，将辐射噪声，其来源有下列三个方面：

(1) 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中。

(2) 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。

(3) 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。

在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。图5-1是典型的舰船噪声图谱。在低频段，谱级随频率增高而增大。在100~1000Hz之间出现一个峰值，主要是由于空化噪声产生的，峰值位置取决于舰船的航速。在此频段以后，以大约每倍频程6dB的坡度下降。另外还可以看到，在低频段出现一些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线，早高频端这些谱线被连续谱掩盖，所以

从图上看不到。

图1 典型的舰船噪声图谱

对舰船噪声特性，一般可用它的平均功率谱、线谱和“动态谱”来描述。这些谱特性，对我们检测和识别舰船噪声提供了有用的信息。因此，测量和分析舰船噪声，认识它的规律性，将有利于我们设计最佳接收设备和判别舰船目标。

3、海洋噪声的频谱特性

海洋噪声是由各种原因产生的，并且受到许多因素的影响。它的频谱很复杂，一般无法用一组简单的频谱曲线来描述。图2汇集了对海洋噪声的各种研究结果，一般称之为文兹谱级图。纵坐标代表声压级（注意：这里是以2×10-5Pa 为参考值），横坐标使用对数刻度表示频率。箭头所表示的频段为某类噪声源的频谱范围。整个噪声级的变化趋势是随频率的增加而下降。在1Hz到100kHz范围内变化120~130dB，但就某一频率而言其动态范围在40~60dB。在低频段，一般下降较陡，每倍频程下降3~10dB。在100Hz到20kHz范围是目前水声工作中较常用的频段，它的噪声级高达60~80dB，与风力大小关系有关。低频段还与舰船噪声的大小有关，一般随频率的增加而下降。在高频段的热噪声，反而随频率增加而增强，每倍频程增大6dB。标有圆圈数字的一簇曲线，代表海面风速大小所对应的噪声谱曲线。圈内的数字表示蒲氏风级，它的噪声级随风速增大而增高，但不是直线关系。阴影区为大洋航线上的平均船舶噪声级概况。它上面的虚线为通过较频繁海区的噪声频谱。

可看到海洋噪声是由许多频率和强度不同的成分随机地组合。在频谱上对应的各频率成分紧密地连在一起，成为一条连续的曲线，所以它一般是连续谱。只有在接收船舶噪声时，有时才看到连续谱上加有突出的线谱，这是一种复合谱。

图2文兹谱级图

4、频谱分析技术

大家都知道，海洋噪声是一个随机过程。描述它的基本统计特性，主要由它的功率谱密度函数和相关函数两方面来表征。而相关函数的富氏变换便是功率谱密度。如果在海况和风力不变的情况下，海洋噪声可以看作为一个平稳的随机过程。

借助傅里叶变换，信号可以时间函数或频率函数两种形式描述，特别是周期信号和准周期信号（前者由一个基频成分和若干谐波成分，后者虽可分解为几个正弦分量，但它们的周期没有公倍数），从频率域可以很清楚地了解它们由哪些正弦分量组成。

信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。

傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研究来了解复杂信号的频率成分和幅值。

信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号x(t)变换为频域信号X(f)，从而

帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号x (t )的傅氏变换为：

()()?+∞

∞

--=

t e

t x f X ft

d π2j （1）

式中X (f )为信号的频域表示，x (t )为信号的时域表示，f 为频率。用傅立叶变换将信号变换到频率域，其数学表达式为：

()()()()()()

∑∞=-+=+++++=

1

00020201010

π2cos π4sin π4sin π2sin π2sin 2

n n n f t nf C C t f b t f a t f b t f a a t x （2）

用C n 画出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。

三、实验内容与要求 1、实验内容

(1) 使用已经有采集完成的噪声信号数据，海上测量工作可以不必进行。 (2) 对各种不同的海洋环境噪声进行谱分析。

2、实验要求

(1) 使用MATLAB 对已录制的各种噪声信号（船舶噪声）进行频谱分析，并画出分析结果的功率谱曲线。

(2) 从传播噪声的谱分析中，取几组特征声线谱进行分析。

(3) 利用时-频分析处理方法对测量结果各谱线的谱特性进行讨论，并分析其产生的原因。

六、数据记录 无

实验四 ADCP 原理及数据处理方法

一、实验目的

1、了解声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler ，ADCP ）基本的工作原理和使用方法；

2、掌握对ADCP 实测数据的基本处理方法并作图实现；

二、实验仪器

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler ，ADCP ）、计算机

三、实验原理

声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler ）（图1）的英文缩写为ADCP ，它是近十多年才发展和应用的一种快速、经济、有效的高精度测流仪器。该仪器自20 世纪90 年代初被引进我国，至今已在我国的河流、湖泊、海洋等的水体流量测验中广泛应用，特别是在潮汐河段的水文测验中应用较多。

图1 声学多普勒流速剖面仪

ADCP 安装在特制的船上（图2），每个ADCP 配有4 个换能器（图3），换能器与ADCP 轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。换能器发射的声波能集中于较窄的范围内，也称为声束。换能器发射固定频率的声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗粒物的运动速度和水体流速相同，当颗粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：

C

V

F F S D 2 （1）

（1）中：F D 为声学多普勒频移；F S 为发射声波频率；V 为颗粒物沿声波方向的移动速度；C 为声波在水中的传播速度。2为系数，因为ADCP 既能发射声波又能接受回波，因此多普勒频移加倍。

图2四声束ADCP 换能器分布及编号示意

ADCP 每个换能器轴线即为1个声束坐标，每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度，任意3个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标。此外，ADCP 自身定义有直角坐标系：X-Y-Z。Z方向与ADCP 轴线方向一致。ADCP 首先测出沿每一声束坐标的流速分量，然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系，将声束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速，再利用罗盘和倾斜仪提供的方向、倾斜数据将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。而利用四个波束测量，增加了测量信息量，使流速测量的短期精度比采用三波束提高了25％，其对称性，能够有效地消除由于船只横摇和纵摆引起的流速测量误差。

图3 ADCP原理流程图

四、实验内容

1、通过Matlab作图给出测量过程中测量地形深度与行船轨迹变化关系；

2、通过Matlab作图给出测量过程中行船轨迹上各店流速矢量分布图；

3、通过Matlab作图给出某一测量断面全海深流速分布图；

五、实验步骤

1、通过Matlab编程三选二实现上述实验内容。

六、数据记录

无

实验五 硬底均匀浅海声场建模研究

一、实验目的

1. 掌握利用简正波方法计算对典型浅海声场进行建模仿真；

2. 掌握利用Matlab 编程实现对单频声信号传播损失的计算；

二、实验仪器

计算机

三、实验原理

把浅海看做硬质海底，水深为常数和声速均匀的水层，是一简化了的浅海模型。运用波动声学方法对简化浅海模型的分析，将得到有用的结论和了解浅海声传播的物理现象。

图1 硬底均匀浅海声道

把浅海看作硬质海底，水深为常数和声速均匀的水层，是一简化了的浅海模型。运用波动声学方法对简化浅海模型的分析，将得到有用的结论和了解浅海声传播的物理现象。

如图1仿真环境所示，若有一声速c =c 0、水深z =H 的均匀水层，z =0为海表面，海表面为一自由平整界面，z =H 为一完全硬质海底，点声源位于r =0、z =z 0处。在该环境下，层中声场应满足非齐次赫姆霍兹方程，可写为：

()02

022π41r r --=+??+??? ??????δA p k z

p r p r r r （1） r 0为点源的位置r 0=0·r +z 0·z ，r 和z 为单位矢量。δ(r －r 0)为三维狄拉克函数，定义为：

()??

?=-?外

包含在体积内包含在体积V V V V

0000

1d r r r r δ （2）

在圆柱对称情况下，体积分选成圆柱对称形式，则：

()???=?-?01

d d 20V

z r πr r r δ （3） 为了满足上式，把δ(r －r 0)选为：

()()()00π21

z z r r

-??=-δδδr r （4）

令A =1，式（1）可写成：

()()02

0222221z z --=+??+??+??δδr r

p k z p r p r r p （5） 令()()()∑=n

n n z Z r R z r p ,代入上式，经分离变量后得：

()()0202

222222d d d d 1d d z z r r Z k z Z R r R r r R Z n n n n n n n --=??

???????? ??++???? ??+∑δδ （6） 若Z n (z )满足2

202

2d d 1n

n n k z Z Z ζ=+，其中00c k ω=，ζn 为常数值，可得到Z n (z )所满足的微分方程：

0d d 220222=???

? ??-+n n n Z c z Z ζω （7） 公式（7）的解需要满足正交归一化条件：

()()???≠==?n

m n

m z z Z z Z H

m n 01

d 0

（8） Z n (z )被称为本征函数。从公式（7）可以看到，可以令解Z n (z )等于

()()()z k B z k A z Z zn n zn n n cos sin += 0 ≤ z ≤ H （9）

式中2

2

02n zn c k ζω-???

? ??=，A n 和B n 为待定常数。根据海面为自由界面和海底为硬质界面的边界条件，Z n (z )应分别为满足Z n (0)=0和0d d =???

??H

n z Z ，则得到：

B n =0

H n k zn π21??? ??

-=

n=1, 2, 3, …

k zn 称为本征值，则解Z n (z )等于：

()()z k A z Z zn n n sin = 0 ≤ z ≤ H （10）

把Z n (z )代入正交归一化条件（3-36）式中。可决定常数H

A n 2

=

，于是有 ()()z k H

z Z zn n sin 2

=

0 ≤ z ≤ H （11） 由于2

2

02zn n k c -???

? ??=ωζ，则 2

20π21???

?????? ?

?--???? ??=H n c n ωζ （12） 从上面的推导中可以看出，ζn 和k zn 分别为波数

c ω

的水平分量和垂直分量。现把

式（7）代入式（6）可得到函数R n (r )所满足的微分方程：

()()()

()()()

()r H z k r H z Z r R n zn n n n ξξ20

020

0sin H

2j πj π?-=-= （13） 于是声压p (r , z )可以写成：

()()()()

()∑-

=n

20

0sin sin j 2π,r H z k z k H z r p n zn zn ξ （14） 对于远离点源的观察点ζn r >>1，根据汉克尔函数的近似表示式：

()()()∑???

??

--=n 4πj -0n n e sin sin π

2j 2,r zn zn z k z k r

H z r p ξξ （15）

由公式（15）可以看出，每一阶简正波是深度z 方向作驻波分布、沿水平r 方向传播的波。不同阶数n 的简正波其驻波的分布形式不同。

四、实验内容

由公式（1）-（15）推导过程，给出如图1仿真环境下100Hz 声信号传播损失曲线，其中海深H =50m 、声源深度z 0=20m 、接收深度z 1=10m （z 2=10m ）、传播距离r =5000m 。

五、实验步骤

1、通过Matlab 编程实现上述实验内容。

六、数据记录

无