南海某海域环境噪声与风速相关性研究*

李韦华，管启亮，马锦垠

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连 116041)



南海某海域环境噪声与风速相关性研究*

李韦华，管启亮，马锦垠

(中国人民解放军91439部队，辽宁 大连 116041)

针对环境噪声谱与多年前噪声谱已不同、非开阔海域环境噪声测量受限等问题，在南海某海域对环境噪声与风速进行了连续多年的观测，并对两者的关系进行了统计分析。文中首先介绍了海洋环境噪声的测量方法及风速数据的获取手段，然后针对环境噪声与风速的时变特性、相关系数进行分析，最后对比浅海与深海两种深度下环境噪声与风速相关性的差异。数据处理与分析结果表明，海洋环境噪声随风速的大小变化剧烈，7 m接收深度的海洋环境噪声值与风速的相关性是所有接收深度中最好的，其中又以频率为2 000 Hz时最佳，并得到了海洋环境噪声与风速的回归拟合方程，此外浅海处环境噪声可能受到航行船舶的影响较多，浅海处环境噪声与风速的相关性明显小于深海处。

环境噪声；风速；相关性；回归拟合

海洋环境噪声是对所在海域海洋环境状况的一种声学描述。在海上进行声学试验时或者利用声学进行通讯时，环境噪声是阻碍水听器使用的重要因素，此时经常被视为一种干扰；另一方面，海洋环境噪声又包含有关海洋的大量信息，通过它可能反演获得某些重要的海洋环境参数。通常情况下，风生环境噪声和远处航船噪声是海洋环境噪声的两种重要噪声源，其能量主要分布在100 Hz～20 kHz频段，而在几百赫兹到20 kHz的频率，风生环境噪声将起主要作用。1948年，Kundson等[1]整理了一战期间实测海洋环境噪声数据，获得了以海况或风力作参数的著名的Kundson谱。此后，人们发现风速与海洋环境噪声谱级的相关性比海况更好。1962年，美国海军电子研究所Wenz[2]在大量统计资料的基础上，统计得出Wenz谱级曲线，并指出噪声与风速的相关关系在1～10 kHz范围内具有非常高的相似性，Wenz谱曲线是现今应用较广泛的一种图谱。我国科学家林建恒等[3]通过对青岛海域环境噪声与风速长期观测，得到按风速分段线性拟合环境噪声与对数风速的关系曲线。上述学者对环境噪声的研究存在目前环境噪声谱与多年前噪声谱已不同、非开阔海域环境噪声测量受限等问题，本文通过南海某宽阔海域长期环境噪声观测数据进行分析，得出该海域海洋环境噪声与风速的相关特性。

1　海洋环境噪声测量方法

采用声学浮标对研究海域的环境噪声垂直分布进行测量，水听器阵列接收到的噪声经前置放大和宽带滤波系统后，送到A/D变换器进行数字化处理，然后被存储到大容量数据存储设备上，海洋环境噪声采集和处理的基本流程如图1所示。

图1　海洋环境噪声采集处理流程图Fig.1　The flow chart of collecting the ambient noises in the ocean

为了获得精确的噪声测量数据，海洋环境噪声测量所使用的水听器，需要有较高的灵敏度，单个水听器阵元的技术要求如下：

1)自由场灵敏度不低于-185 dB，水听器等效噪声和前置放大器以及其他电路总噪声量级低于Wenz噪声谱曲线的底限；

2)进行A/D变换，A/D变换器应采用12位以上，采样率不低于51.2 kHz、在采样之前还需进行宽带抗混叠滤波器处理；

3)在测量频率范围内，各个水听器自由场灵敏度的不均匀性在(±2) dB之内[4-5]。

文中所使用的风速数据为声学浮标工作母船上测量得到，海上噪声测量时工作母船停主机，距离浮标约为5 km。

2　海洋环境噪声与风速的相关性分析

2.1环境噪声与风速的时变特性

首先，本文给出了其中一个深海站位7 m深度处不同频率噪声谱级、风速随时间的变化图，经过数据处理和计算首先得到86 h风速及噪声谱级连续记录图，如图2所示。从图中可以看出，频率大于500 Hz的环境噪声值的散点变化趋势与风速数据的散点变化趋势很相似，这也从另一个角度说明海洋环境噪声与风速存在相关性。

图2　风速和不同频率噪声谱级随时间的变化Fig.2　Temporal variation of the wind speed and the ambient noise spectrum level in different frequencies

2.2环境噪声与风速相关系数

对2008—2014年间的9个航次不同频率不同深度的海洋环境噪声数据与风速对数数据作线性相关性分析，获取相关系数，采用皮尔逊相关系数公式计算r。

(1)

式中，x代表环境噪声谱级，y代表风速对数大小。

从表1可知，在较浅(<15 m)和较深(>100 m)接收深度(深海环境)时，100～3 000 Hz频段内的11个频率中，大部分频率的海洋环境噪声与风速数据大多具有较好的正相关性，相关系数为0.4～0.7，为中度相关。但中间几个接收深度(40，70和90 m)和最深(200 m)接收深度的所有频率的环境噪声值与风速的相关性则明显都偏低，相关系数仅为0.2～0.4。在频率大于500 Hz的情况下，7 m接收深度的海洋环境噪声值与风速的相关性是所有接收深度中最好的，其中以2 000 Hz频率时为最佳，其相关系数达到0.72。

表1　不同频率、不同接收深度的环境噪声数据与风速对数数据的相关系数

图3给出了接收深度7 m时，不同频率的噪声谱级与不同提前时间的风速的散点序列图。综上分析可知，接收深度7 m的海洋环境噪声总体上与风速的相关性最好。接收深度为7 m、频率为2 000 Hz条件下，海洋环境噪声与风速的回归拟合方程为

NLW=52.21+17.86·lg(W)，

(2)

式中，NLW为接收深度7 m处的海洋环境噪声谱级值，W为风速。

在大多数情况下，20～500 Hz频段的海洋环境噪声主要来自远处船舶航行噪声；而在0.5～20.0 kHz频段，海洋环境噪声主要来源于距测量点不远的海面风生噪声。因此，500 Hz以内频段的海洋环境噪声数据与风速的相关性较小，不适合用于反演海面风速。但本次分析表明，在某些接收深度(7 m和100～180 m)，特别是较深的接收深度(100～180 m，这些深度的数据都来自深海站位)，500 Hz以内频率(100，200和400 Hz)的海洋环境噪声与风速也呈现出中度相关性，相关系数大部分在0.5以上。这与Burgess和Kewley[6]以及Cato[7-8]在澳大利亚附近深海水域的研究结果基本一致。分析认为，在深海环境下，远处的船舶噪声贡献很小，对噪声数据的影响不明显。在本次的分析数据中，接收深度100～180 m的数据全部来自深海站位，7 m接收深度的数据也主要来自深海站位(浅海站位仅占全部86个样本中的12个)。因此我们认为：本次分析中，低频海洋环境噪声与风速的中度相关性也是和深海环境下，远处船舶密度小密切相关；同时也说明在浅海环境下，尽管我们尽量剔除了船舶噪声影响明显的数据，但浅海的噪声数据仍然有可能受到船舶噪声的影响。因此海面风速数据用于反演浅海低频的环境噪声时应小心谨慎。

图3　海洋环境噪声与风速回归图Fig.3　The regression chart of the oceanic ambient noise and the wind speed

3　浅海和深海环境下海洋环境噪声与风速相关性的差异

为了进一步研究浅海和深海环境下海洋环境噪声与风速相关性的差异，我们根据2008—2014年结果将数据区分为浅海和深海数据，并各自进行相关性统计分析。浅海和深海噪声数据的共有接收深度为7，10，15，40，70和90 m共6个深度。图4a和图4b分别列出了7和15 m两个接收深度下浅海和深海环境噪声数据与风速的相关系数与频率的关系，其余4个深度变化趋势类似。由图可知，在所有接收深度和频率中，深海环境噪声与风速的相关性要明显大于浅海的相关性。深海环境的大部分深度和频率的相关系数在0.4以上；而浅海环境的相关系数很低，一些深度和频率的噪声与风速还表现为负相关。造成浅海环境噪声与风速的相关性较低的原因可能是由于浅海环境噪声受船舶噪声的影响较大所致,浅海环境噪声数据多数靠近航道附近, 而随着近年来海上航运量的快速增长,近海环境噪声级显著升高。

图4　水深为7和15 m处浅海与深海环境噪声数据与风速相关系数对比Fig.4　The correlation coefficients of the oceanic ambient noise and the wind speed at depth of 7 m，15 m shallow sea and deep sea, respectively

4　结　论

海洋环境噪声与风速的关系是海洋环境噪声反演海面风速以及建立风生噪声源强度模型的基础。大量的研究[2-3，8]表明海洋环境噪声与风速的对数具有线性相关关系。利用多年的水声调查数据与同步风速数据对南海某海域的环境噪声与风速进行相关性分析，结论如下：

1)大部分频率、深度的海洋环境噪声与风速数据具有较好的同步性，随风速大小的变化而变化。

2)在频率大于500 Hz的情况下，7 m接收深度的海洋环境噪声值与风速的相关性是所有接收深度中最好的，其中以2 000 Hz频率时为最佳，其相关系数达到0.72，其海洋环境噪声与风速的回归拟合方程为NLW=52.21+17.86·lg(W)。

3)当海洋环境噪声受远处船舶噪声影响较小时，在多个接收深度上，500 Hz以内频率(100，200和400 Hz)的海洋环境噪声与风速的相关性同样也较高，相关系数大部分达到0.5以上。因此，在深海环境下(船舶噪声影响小)低频(100～500 Hz)的海洋环境噪声数据也可以用于反演海面风速。

4)在所有接收深度和频率，深海环境噪声与风速的相关性要明显大于浅海的相关性，这可能与浅海环境噪声受船舶噪声的影响更大密切相关，有待进一步分析。

[1]KUNDSON V O, ALFORD R S, EMLING J W. Underwater ambient noise[J].Journal of Marine Research,1948,7:410-429.

[2]WENZ G M. Acoustic ambient noise in the ocean: spectra and sources[J].Journal of the Acoustical Society of America,1962,34:1936-1956.

[3]LIN J H,JIANG G J,GAO W,et al.Measurements and analyses of the vertical distribution of ocean ambient noise[J].Acta Oceanologica Sinica(in Chinese),2005,27(3):32-38.林建恒，蒋国健，高伟，等.海洋环境噪声垂直分布测试和分析[J].海洋学报(中文版)，2005,27(3)：32-38.

[4]XU G H,CHEN H Z,WANG E Q,et al.Ocean ambient noise observation technology and signal processing methods[J].Ocean Technology,2011,30(2):69-71.徐功慧，陈鸿志，王二庆，等.海洋环境噪声观测技术及数据处理方法[J].海洋技术，2011,30(2)：69-71.

[5]YAN S F, MA Y L, NI J P,et al. A numerical method for simulating broadband undersea noise field for hydrophone array[J].Acoustic Technology,2002,22(1):29-32.鄢社锋，马远良，倪晋平，等.一种海洋宽带噪声场数值模拟方法[J].声学技术，2002,22(1)：29-32.

[6]BURGESS A S, KEWLEY D J. Wind-generated surface noise source levels in deep water east of Australia[J].Journal of the Acoustial Society of America, 1983, 73(1):201-210.

[7]CATO D H. Ambient sea noise in waters near Australia[J].Journal of the Acoustial Society of America, 1976, 60: 320-328.

[8]CATO D H. Ambient sea noise in Australian waters[C]∥Proc. fifth international congress on sound and vibration, Adelaide, 1997,5:2813-2818.

The Correlation Research of Ocean Ambient Noise and Wind Speed in South China Sea

LI Wei-hua, GUAN Qi-liang, MA Jin-yin

(Unit91439ofthePeople'sLiberationArmyofChina, Dalian 116041, China)

Subject to the facts that the ambient noise spectrum in nowadays has been changed from several years ago, and that the ambient noise measurement is limited in closed seas, the oceanic ambient noise and the wind speed were continuously observed for years in a certain area of the South China Sea, and the relationship of the two parameters were statistically analyzed. This paper firstly introduces the methods to measure the ocean ambient noise and to acquire the wind speed. Then the temporal evolvement of the ambient noise and the wind speed, and their correlation coefficients were analyzed. At last, the differences of this correlation is investigated through comparison in the shallow and the deep seas. The results showed that, the oceanic ambient noise changed substantially with the wind speed, and the correlation of the oceanic ambient noise and the wind speed at the depth of 7 m was highest in all of the receiving depths and the correlation was highest for frequency 2 000 Hz. A regression fitting equation was obtained between the oceanic ambient noise and the wind speed. At the same time, the ambient noise in the shallow sea was more prone to be influenced by the sailing noises from the vessels passing by, the correlation of the ambient noise and the wind speed in shallow water is lower than that in the deep sea.

ambient noise; wind speed; correlation; regression fitting

August 28, 2015

2015-08-28

总装预研基金项目——重点调查海域环境噪声与风速相关性研究(9140A03060213JB15039)

李韦华(1987-)，男,山东安丘人,助理工程师,硕士,主要从事水声测量方面研究.E-mail：liweihua123ab@163.com

(王燕编辑)

P733.2

A

1671-6647(2016)03-0397-06

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.009