第八章-水下噪声1

1、第八章 水下噪声,第二十二讲 噪声的基本概念,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,2,本讲主要内容,噪声的基本概念 噪声是一种随机过程 噪声的频谱分析 水下噪声的指向性特性 海洋环境噪声 深海中的环境噪声源 深海环境噪声谱 自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 海洋环境噪声的指向性,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,3,一、噪声的基本概念,噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。 水下噪声 海洋环境噪声和舰船自噪声 它们是声纳系统的主要干扰背

2、景之一，限制装备性能。 目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声 它是被动声纳系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。 水下噪声研究的意义（对抗与反对抗） 提高设备性能、提高自身隐蔽性,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,4,噪声是一种随机过程 描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数 平稳随机过程 描述：如果一个随机过程经过时间平移后，其统计特性保持不变，即 则称这过程为平稳随机过程。 提示：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关，为处理上的方便，往往把水中噪声视为平稳随机过程,一、噪声的基本概念,College of Underwat

3、er Acoustic Engineering HEU,5,高斯噪声 若噪声的声压概率密度函数表示为： 上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差为： 提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯噪声。,一、噪声的基本概念,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,6,噪声是一种随机过程 一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。 白噪声 由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数： 功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。,一、噪声的基本概念,College o

4、f Underwater Acoustic Engineering HEU,7,噪声是一种随机过程 噪声声压有效值 定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 的平方根 如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则它的方差便等于平均声强：,一、噪声的基本概念,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,8,一、噪声的基本概念,噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义； 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。 根据信号频谱曲线形状划分： 线谱：数学上能够

5、用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号的频谱就是线谱信号； 连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号的频谱就是连续谱。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,9,噪声的频谱分析 频谱测量系统示意图：,一、噪声的基本概念,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,10,噪声的频谱分析 声强平均频谱密度： 声强频谱密度函数： 带宽内的总声强： 提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。,一、噪声的基本概念,College of Underwater Acoustic En

6、gineering HEU,11,噪声的频谱分析 海洋环境噪声级 水听器工作带宽内噪声谱为 均匀： 提示：水下噪声是多种噪声源的综合迭加，每种噪声源的激励不尽相同，因此，它可能是线谱，也可能是连续谱，甚至是两种的迭加。,一、噪声的基本概念,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,12,一、噪声的基本概念,水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识： 海面噪声（风浪噪声）垂直指向性； 远处航船的辐射噪声水平指向性。,College of

7、 Underwater Acoustic Engineering HEU,13,二、海洋环境噪声,海洋环境噪声也称自然噪声 研究环境噪声的目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报，为声纳设备设计、制作提供必要的数据。 深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的原因，它们是低频噪声源。 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,14,二、海洋环境噪声,深海中的环境噪声源 海洋

8、湍流 湍流产生噪声的方式： 1）湍流使水听器、电缆等颤动或作响自噪声（不是自然噪声）； 2）湍流压力变化辐射噪声四极子源，随距离迅速衰减，不是主要源； 3）湍流区内部压力的声效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,15,二、海洋环境噪声,深海中的环境噪声源 行船 行船是50Hz500Hz频率范围内的主要噪声源，与风和天气无关。 海面波浪 海面波浪噪声是500Hz 25000Hz频率范围内的噪声 源，与海况直接相关。,College of Underwater Acoustic Engineering H

9、EU,16,深海中的环境噪声源 热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度，等效热噪声谱级： DI为指向性指数，单位dB； E为转换效率，单位dB； f 为频率，单位kHz。,二、海洋环境噪声,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,17,二、海洋环境噪声,深海环境噪声谱 Wenz谱级图：在一般 情况下，它能够比较细致 地描写出环境噪声的普遍 规律性，被认为最具代表 性的深海噪声谱曲线。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,18,二、海洋环境噪声,深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的

10、例子 如右图，谱由斜率不同的五 部分组成，解释如下： 1Hz以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,19,二、海洋环境噪声,深海环境噪声谱 谱斜率为-8-10dB/倍频程， 与风速仅有很微弱的关系， 最可能的噪声源是湍流。 自然噪声谱变平，远处行船 是主要噪声源。 具有-5-6dB/倍频程，噪声 源是不远处的粗糙海面。 海水介质分子热运动噪声， 谱线斜率为6dB/倍频程。,College of Underwater Acoustic Engineer

11、ing HEU,20,二、海洋环境噪声,深海环境噪声谱 工程上，为预报海洋环境噪声级，需要不同条件下的平均典型自然噪声谱，见下图。 图中画出了不同航 运和风速条件下的预报 用曲线。使用时，选择 适当的航运和风速条件 曲线，和相邻频段的曲 线连接起来，近似地预 报自然噪声谱。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,21,二、海洋环境噪声,自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性 间歇源的噪声源 它是一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 海洋生物：甲壳类、鱼类和海生哺乳类特殊的鸣声、嘈杂声等； 降雨：提高自然噪声级，与降雨率和面积有

12、关在1kHz10kHz频段接近于白噪声。 变化特性：自然噪声具有易变性。产生原因：噪声源的易变性和传播条件的改变。,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,22,海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 振幅分布 根据中心极限定理，海洋环境噪声的振幅分布是高斯分布，但在近海面其分布比高斯型尖，原因是噪声源数目不够大。 空间相关性 噪声的空间相关：指海中相隔开的水听器接收到的噪声的乘积对时间的平均。 两个相距为 的各向同性单频噪声的相关系数为,二、海洋环境噪声,College of Underwater Acoustic Engineering HE

13、U,23,海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 Cron和Sherman研究了具有 指向性的单频噪声源构成的界面噪声场的相关系数。（B. F. Cron, C. H. Sherman. Spatial-correlation functions for various noise models. J. Acoust. Soc. Am.,1962,34(11)。 当 时： 当 时，水平方向： 当 时，垂直方向：,二、海洋环境噪声,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,24,海洋环境噪声的振幅分布和空间相关 海面粗糙度形成的噪声场具有 的指向特性

14、。单频各向同性噪声和辐射特性为 的面声源噪声空间相关系数曲线如下图：,二、海洋环境噪声,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,25,深海环境噪声的指向性 深海自然噪声具有指向性： 低频噪声来自远处水平指向性 高频噪声源来自顶部的海面垂直指向性 提示：海面辐射噪声具有 的指向特性（噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。,二、海洋环境噪声,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,26,三、噪声场相关特性的应用,设 个阵元输出电压的时间函数计入了为转向而插入的相移或时延，记为 、 、 、 。 如果阵元是互相串联的，则阵的输出端上电压为 阵输出端的平均信号功率： 阵输出端噪声的平均功率：,College of Underwater Acoustic Engineering HEU,27,三、噪声场相关特性的应用,基阵输出信号平均信噪比： 假设信号的平均功率相等，噪声的平均功率也相同： 相关系数的定义：,College of Underwater Acoustic Engineering