深海海洋环境噪声垂直相关性研究

王璟琰，李风华



深海海洋环境噪声垂直相关性研究

王璟琰1,2，李风华1

(1. 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京100190； 2.中国科学院大学，北京100049)

海洋环境噪声场是海洋中的固有声场，其空间结构特性是影响水声系统的重要因素之一。在风成海洋环境噪声波数积分模型的基础上，对深海噪声场的垂直相关性进行了研究。通过数值仿真讨论了深海环境下，海底声速、衰减系数、海面噪声源深度及接收器深度对均匀分布于海面附近的噪声源的垂直相关性的影响。仿真结果表明：噪声场的垂直相关随海底声速、衰减系数和接收器的绝对深度的变化较小；高频噪声的垂直相关性对噪声源的深度较敏感，低频噪声的垂直相关性受噪声源深度的影响几乎可以忽略。在此基础上，分析了某次海试噪声数据，并结合数值计算结果对实验测得噪声数据的垂直相关性进行了合理的解释。

海洋环境噪声；深海；垂直相关性

0 引言

海洋环境噪声是水声信道的背景干扰场，携带大量有关海洋环境的信息，是进行海洋环境参数反演的有用信号。在海洋环境噪声场特性中，垂直相关特性能够反映噪声场的空间结构，且仅依赖噪声场的传播条件，是一个相对稳定的物理量。Cron和Sherman在1962年提出了无限大海面噪声源在均匀半空间海洋环境下的噪声模型[1]；Kuperman和Ingenito推导了分层介质中海洋环境噪声相关系数的简正波表达式[2]；在此基础上，Buckingham等得出了考虑海水衰减时噪声相关函数的解析形式，并应用噪声的垂直相关获取海底声学参数[3-4]。我国学者对浅海噪声的垂直相关特性做了大量的研究工作，如殷宝友等分析了浅海环境下海底反射特性与噪声垂直相关的关系，并将其用于海底参数反演[5]；李丙辉等通过数值仿真研究了环境参数对浅海风成噪声空间结构的影响[6]；何利等深入分析了浅海海域不同时间段噪声的频谱特性和垂直相关特性，应用改进的噪声模型有效解释了高频噪声场的垂直相关特性[7]。

本文基于噪声垂直相关函数的波数积分表达式，通过数值仿真，研究了深海环境下海底参数、海面噪声源深度及接收器深度对垂直相关性的影响；分析了某次海试的噪声数据，并结合数值计算结果对实验噪声数据的垂直相关性进行了合理的解释。

1 噪声场垂直相关函数的计算

假定海面噪声源均匀分布于海面附近某一平面上，如图1所示，空间两个水听器的噪声互谱密度函数可以表示为如下形式[8]：

(2)

(4)

(6)

式(6)中的各项由公式(4)直接数值计算得到。

2 垂直相关与海洋环境参数的关系

由公式(4)可以看出，噪声垂直相关函数与声源深度和海洋环境参数等因素有关。

本节基于噪声垂直相关的波数积分表达式，通过数值仿真，研究了海底参数、海面噪声源深度和接收器深度对噪声垂直相关性的影响。本文数值仿真环境为深海环境，水文条件为中国南海典型深海声速剖面，存在着非完全深海声道(即海底处的海水声速小于海面处的海水声速)，海深为3235 m，接收器深度为30 m，间隔为0.5 m。参考水文环境参数如下：噪声源深度0.1 m，海底密度为1.5 g/cm3，海底声速和衰减分别为1584 m/s和0.2 dB/λ。在研究某一参数对垂直相关的影响时，其他参数设为参考值。

2.1 海底各参数对垂直相关的影响

图2和图3分别给出了海底声速为1520、1584和1640 m/s时，300 Hz和1000 Hz的垂直相关系数随阵元间距的变化和在该海底声速条件下距参考阵元间距2 m和14 m的垂直相关系数随频率的变化(接收器位于海深994~1024 m，参考阵元深度为994 m)。其余参数取参考值。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

图2 不同海底声速下垂直相关随间距的变化

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

(a) 2 m

(b) 14 m

图3 不同海底声速下垂直相关随频率的变化

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

图4和图5分别给出海底衰减系数为0.2 dB/和0.8 dB/时，300 Hz和1000 Hz的垂直相关系数随阵元间距的变化和在该海底声速条件下距参考阵元2 m和14 m的垂直相关系数随频率的变化(接收器位置和参考阵元深度同上)。其余参数取参考值。结果表明，海底衰减系数对垂直相关的影响很小，可以忽略。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

图4 不同海底衰减下垂直相关随间距的变化

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

本部分仿真结果说明，在深海水文环境中，由于海深较深及水文条件的因素，海面噪声源激发的噪声受海底作用较小，因而海底参数的变化对垂直相关的计算影响不明显，这与浅海情况不同。

(a) 2 m

(b) 14 m

图5 不同海底衰减下垂直相关随间距的变化

Fig.5 Vertical correlation versus frequency for different seabed attenuations

2.2 噪声源深度对垂直相关的影响

海面风成噪声源的深度与海面附近风速有关，一般在数十厘米的量级。当声源深度小于四分之一波长时，噪声源呈现偶极子辐射特性，随着声源深度增加，偶极子特性逐减转变为两个相位相反的单极子。图6和图7分别给出了参考阵元深度为994 m时，噪声声源深度为0.1、0.5 m和1 m时不同频率和不同间距的垂直相关系数。由图6和图7可看出，不同声源深度导致的垂直相关差异随着间距增大而减小；随着声源深度增大及频率的增高，噪声源的偶极子特性减弱，垂直相关性随频率变化趋于平缓。表现为噪声场的垂直相关性在低频时受噪声源深度影响不大，在高频时受噪声源的影响较大。

(a) 300 Hz

(b) 1000 Hz

图6 不同噪声源深度下垂直相关随间距的变化

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

(a) 2 m

(b) 14 m

图7 不同噪声源深度下垂直相关随频率的变化

Fig.7 Vertical correlation versus frequency for different source depths

2.3 接收器间距和深度对垂直相关的影响

图8给出了参考阵元深度为994 m时，垂直间距分别为0.5、2和4 m处的垂直相关系数。显然，接收器垂直间距越大，其垂直相关性越弱；频率越高，垂直相关系数越低。图9为接收器位于不同深度时的垂直相关性，其中接收器的绝对深度分别为180、182，994、996，3170、3172 m；图9 (a)中接收器间距为2 m，图9 (b)中为4 m。图9的计算结果表明，在本文仿真的深海环境下，接收器的绝对深度对垂直相关性有影响，但是影响较小。

(a) 2 m

(b) 4 m

图9 不同深度的垂直相关随频率的变化

Fig.9 Vertical correlation versus frequency for different receiver depths

3 噪声实验分析

3.1 实验介绍

实验海区海深为3235 m，声速剖面如

图10所示。实验布放等间距垂直分布的8个水听器于994～1008 m之间，位于声道轴附近，阵元间距为2 m，其中从浅到深第6个阵元信号异常，分析时剔除该通道。测量期间海况良好，风速在3～6 m/s范围内，选取时间段内接收船附近船只很少，且关闭了接收船的发动机，因此收集的噪声数据主要为海面风成噪声。接收器的采样频率为8000 Hz，分析时截取10 s的噪声数据，做8192点的FFT，每20段做一次平均。

3.2 实验结果分析

应用式(4)和(6)计算了600 Hz和1000 Hz的垂直相关系数随垂直间距的变化关系，并与实验结果进行比较，如图11所示。图12给出了间隔6 m和8 m的垂直相关系数随频率的变化曲线。理论计算时选取的参数如下：声源深度0.1 m，海底声速1584 m/s，衰减系数0.2 dB/λ，海底密度1.5 g/cm3，海水声速剖面和接收器位置与实验相同。

图中实验结果与理论计算结果在高频时较一致，在低频时偏差较大；且实验值均小于理论计算值。这可能是由于实验时接收器位于声道轴附近，来自远距离的其他噪声源与本地风成噪声叠加作用，使得低频噪声的成分更复杂，从而降低了低频风成噪声的相关性；而高频噪声则还是以本地的风成噪声为主，因而与理论计算结果较符合。

(a) 600 Hz

(b) 1000 Hz

图11 理论计算与实验数据的比较（随间距变化）

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

(a) 6 m

(b) 8 m

图12 理论计算与实验数据的比较（随频率变化）

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

4 结论

基于风成海洋环境噪声的波数积分模型，数值仿真了深海环境下的垂直相关函数，讨论了海底参数、声源深度和接收器深度对噪声垂直相关性的影响。计算结果表明，对于深海环境，海底参数和接收器深度对垂直相关性影响不大；噪声源深度对高频噪声的垂直相关性影响较显著，对低频的垂直相关性影响不大。分析了某海域实测噪声数据的垂直相关性，并结合理论计算结果对实验结果进行了合理的解释。

[1] CRON B F, SHERMAN C H. Spatial correlation functions for various noise models [J]. J. Acoust. Soc. Am., 1962, 34(11): 1732- 1736.

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[3] BUCKINGHAM M J. Theory of the directionality and spatial coherence of wind-driven ambient noise in a deep ocean with attenuation [J]. J. Acoust. Soc. Am., 2013, 134(2): 950-958.

[4] BUCKINGHAM M J, JONES S A S. A new shallow-ocean technique for determine the critical angle of the seabed from the vertical directionality of the ambient noise in the water column[J]. J. Acoust. Soc. Am., 1987, 81(4):938-946.

[5] 殷宝友, 尚尔昌, 马力, 等. 浅海环境噪声垂直相关提取海底反射参数[J]. 中国科学, 2011, 41(6): 741-748.

YIN Baoyou, SHANG Erchang, MA Li, et al. Extracting bottom reflection parameters from the vertical correlation of ambient noise in shallow water [J]. Sci China Ser G-Phys Mech Astron, 2011, 41(6): 741-748.

[6] 李丙辉. 浅海风成海洋环境噪声场空间结构及海底参数反演研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2004: 43-53.

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[7] HE L, Li Z L, PENG Z H. Ambient noise near the sea-route[J]. Sci China Ser G-Phys Mech Astron, 2009, 52(1): 40-45.

[8] JENSEN F B, KUPERMAN W A, Porter M B, et al. Computational Ocean Acoustics. [M]. 2nd, New York: AIP Press, 2001. 489-519.

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

国家自然科学基金资助项目(11125420)

王璟琰(1988－), 女, 陕西商洛人, 博士研究生, 研究方向为水声物理。

李风华, E-mail:lfh@mail.ioa.ac.cn。