楊秋龍，楊坤德，馬遠(yuǎn)良

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，陜西 西安 710072；2.海洋聲學(xué)信息感知工業(yè)和信息化部重點實驗室(西北工業(yè)大學(xué))，陜西 西安 710072)

環(huán)境噪聲是海洋信道、航船、生物和自然噪聲源等動態(tài)混合的結(jié)果，是聲吶信號處理和聲吶性能預(yù)測的背景干擾場。風(fēng)速、波高、降雨、航船、聲速和海底等海洋環(huán)境和噪聲源分布均影響著噪聲強度，且其隨海區(qū)變化而變化。不同噪聲源機制的持續(xù)時間或時間占比，主導(dǎo)著噪聲譜級的統(tǒng)計結(jié)果[1]。針對噪聲譜級和風(fēng)速、降雨率的相關(guān)性[2]、噪聲譜級月平均和小時平均等統(tǒng)計特性[3]，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。Knobles等[4]發(fā)現(xiàn)了500～3 000 Hz的頻段內(nèi)新澤西大陸架噪聲譜級比東北太平洋深海海域的噪聲譜級高6～9 dB；Buckingham等[5]指出菲律賓海臨界深度以下噪聲譜級比臨界深度以上低10 dB，50 Hz譜級隨深度下降率為-9.9 dB/km[6]；Asolkar等[7]給出了噪聲譜級與海表溫度之間的相關(guān)系數(shù)，并得到了基于海表溫度的噪聲譜級概率密度函數(shù)模型；Valge等[8]比較了墨西哥灣常規(guī)海況下的噪聲譜級、臺風(fēng)期間噪聲譜以及Wenz譜之間的差異；Wilson等[9]指出臺風(fēng)期間高頻噪聲譜與風(fēng)速的三次方成正比關(guān)系并可用于反演與估計海表氣象參數(shù)[10]；利用自組織映射網(wǎng)絡(luò)[11]等方法，可提取海表參數(shù)和噪聲數(shù)據(jù)之間的非線性關(guān)系，實現(xiàn)噪聲譜級預(yù)測；Ma等[12]給出了噪聲譜級與風(fēng)速、降雨量之間的半經(jīng)驗表達式；40～800 Hz頻段內(nèi)，東北太平洋本底噪聲頻譜斜率服從f-2特征[13]；一般海況下，高頻噪聲譜與f-1成正比，而受熱帶風(fēng)暴影響，噪聲譜與f-2成正比[14]；基于長期觀測數(shù)據(jù)，史陽等[15]分析了南海東北部噪聲均值、百分位數(shù)、晝夜變化等統(tǒng)計特征。然而，關(guān)于南海南部深海海域的環(huán)境噪聲的統(tǒng)計特征還未見報道?；谀成詈Ｕ疚粚崪y海洋環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)，本文對比分析了夏季和冬季南海南部海域深海環(huán)境噪聲的統(tǒng)計特性，給出了噪聲譜級與風(fēng)速、波高、參考頻譜之間的經(jīng)驗參數(shù)化公式，提出了基于Weibull和Burr分布的噪聲譜級概率密度分布擬合方法。針對統(tǒng)計特性的季節(jié)差異，從風(fēng)速海況、航船噪聲源強度、渦旋分布和聲信道傳播損失等方面給出了物理解釋。

1 深海環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)獲取與處理

2014年夏季和2016年冬季課題組在南海南部某深海站位分別進行了連續(xù)6 d和16 d的海洋噪聲觀測實驗，水聽器靈敏度為-168 dB(帶前置放大)，采樣率為48 kHz和20 kHz，該站位海深約4 480 m。噪聲接收錨系結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。16個自容式水聽器布放于50～680 m的深度內(nèi)，并通過重塊錨定，以防止因海流漂移。如圖1(b)、(c)所示，噪聲觀測期間環(huán)境氣象參數(shù)隨時間的變化，風(fēng)速、海表溫度、氣壓、降雨量等數(shù)據(jù)來源于美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)再分析數(shù)據(jù)庫，有效波高(波高)數(shù)據(jù)來自于WAVEWATCHⅢ數(shù)據(jù)庫。夏季觀測期間，接收位置風(fēng)速基本上集中在4級風(fēng)速以下，最大有效波高不超過2 m，沒有降雨的出現(xiàn)；而冬季風(fēng)速主要為在4級風(fēng)和5級風(fēng)，還有相對持續(xù)時間不長的3級風(fēng)和6級風(fēng)出現(xiàn)，最大波高達到了4 m左右，有連續(xù)8 d的降雨。

接收噪聲譜級時頻結(jié)果如圖2所示。在原始噪聲時間序列中，每2 min抽取20 s數(shù)據(jù)段計算1/3倍頻程噪聲譜級。本文夏季和冬季噪聲譜級樣本數(shù)分別為4 368和10 543。

圖1 海洋氣象參數(shù)與實驗示意Fig.1 Schematic of noise measurements and local meteorological parameters in the experiments

2 深海實測噪聲數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2.1 噪聲深度垂直分布特性

圖3給出了夏季和冬季噪聲譜級中值和最小值隨接收深度的變化。夏季海面附近50～200 Hz噪聲譜級隨深度輕微增大，200 m處的譜級比海面附近增大了約2 dB；而500 Hz以上譜級隨深度幾乎不變；在整個接收深度上，50 Hz和8 000 Hz譜級中值與最小值相差約2 dB，頻率100～4 000 Hz譜級中值比其最小值高了約5 dB。而在冬季，所有頻率譜級中值隨深度不變；50 Hz譜級最小值隨深度輕微增加，其他頻率的噪聲譜級最小值隨深度幾乎不變；在所有接收深度上，500 Hz以上的噪聲譜級中值比最小值高了約8 dB以上，而50～200 Hz其中值與最小值之差均小于5 dB。

圖2 夏季和冬季實測噪聲譜級隨深度和頻率的變化Fig.2 Comparison of noise levels vs time and frequency at 680 m in summer and winter

圖3 夏季和冬季環(huán)境噪聲譜級中值和最小值隨深度的變化Fig.3 Comparison of depth dependence of medium and minimum noise levels in summer and winter

2個季節(jié)相比，在所有的接收深度上，小于400 Hz時，夏季譜級中值比冬季時高了6 dB，1 kHz以上2個季節(jié)譜級中值基本相符；200 Hz以下的夏季譜級最小值比冬季時高了10 dB以上，2個季節(jié)的噪聲譜級最小值在800～4 000 Hz近似一致。這種季節(jié)差異與航船噪聲源空間分布和海洋信道傳播特性均密切相關(guān)?；谏鲜錾疃确植家?guī)律，下文選取680 m接收深度的噪聲數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析。

2.2 噪聲譜級參數(shù)化表示以及與Wenz曲線對比

圖4給出了不同風(fēng)速條件下，接收深度680 m噪聲譜級均值的季節(jié)對比結(jié)果。對于夏季，1 kHz以上噪聲譜級均隨風(fēng)速增大而增加，2級和3級風(fēng)之間的譜級差值小于3 dB，3級和4級風(fēng)之間的譜級差值約為10 dB，4級和5級風(fēng)之間的譜級差值約為4 dB；夏季3～5級風(fēng)時，1 kHz以上噪聲譜隨頻率的下降斜率近似相等，但小于2級風(fēng)時譜級下降斜率，這是由于低風(fēng)速和低海況條件下的高頻環(huán)境噪聲中依然包含有航船噪聲成分導(dǎo)致的；而對于100～600 Hz噪聲譜級，夏季時2～4級風(fēng)的譜級幾乎一致，5級風(fēng)時譜級最高。對于冬季，500 Hz以上噪聲譜級也隨風(fēng)速的增大而增大，3級和4級風(fēng)之間的譜級差值最大為5 dB左右，4級和5級風(fēng)之間的噪聲差值小于2 dB，5級和6級風(fēng)之間譜級差值約為3 dB；冬季4～6級風(fēng)時500 Hz以上譜級隨頻率的下降斜率近似相等，但小于3級風(fēng)時的噪聲譜級下降斜率，這是由冬季高風(fēng)速高海況時航船密度減小決定的；相比于3級風(fēng)時的譜級，冬季4～6級風(fēng)時100～200 Hz低頻噪聲譜級近似相等，比3級風(fēng)時低了約3 dB。

實測的海洋噪聲譜級可采用多參數(shù)對數(shù)模型進行參數(shù)化擬合，該模型可以表示為[17]：

(1)

式中：NL0是恒定的參考海洋噪聲譜級；f0、f1、f2是對應(yīng)于3個頻段的臨界頻率；m0、m1、m2是對應(yīng)的3個頻譜斜率因子。3個頻段的噪聲譜級斜率取值如下，頻段1和頻段2，斜率分別為3midB/倍頻程；頻段0，斜率為3(m0-m2) dB/倍頻程。

圖5給出了噪聲譜級與Wenz曲線的對比結(jié)果。當(dāng)風(fēng)速為3級風(fēng)時，夏季時譜級與冬季基本吻合，且均比Wenz曲線高約4 dB。當(dāng)風(fēng)速為4級風(fēng)時，冬季時譜級與Wenz曲線近似吻合，而夏季時譜級幾乎在所有頻率上比冬季時的噪聲譜級高了約10 dB。當(dāng)風(fēng)速為5級風(fēng)時，冬季時譜級與Wenz近似吻合，但夏季時譜級比Wenz曲線高10 dB左右。

圖4 不同風(fēng)速下的接收深度680 m噪聲譜級Fig.4 Noise spectrum levels under different wind conditions at receiver depth of 680 m

圖5 680 m夏季和冬季噪聲譜級中值結(jié)果與Wenz曲線對比Fig.5 Comparison of Wenz and noise levels at 680 m in summer and winter

此外，基于噪聲譜級的參數(shù)化擬合模型，由于不同噪聲源機制的影響，將噪聲分為3個頻段分析處理，第1個頻段為50～400 Hz，第2個頻段為500～800 Hz，第3個頻段為1～8 kHz。在不同分速下和不同季節(jié)，每個頻段的噪聲譜級隨頻率變化的斜率如表1所示。擬合結(jié)果如圖5所示，該參數(shù)化模型能夠準(zhǔn)確擬合從50 Hz～8 kHz的噪聲譜級，其中，f0、f1、f2取值分別為400、800和1 000 Hz，斜率m0、m1、m2取值來自于實測噪聲譜級的擬合斜率。

2.3 廣義線性回歸擬合結(jié)果

本文采用互相關(guān)函數(shù)來定量分析海洋環(huán)境噪聲譜級與風(fēng)速或波高的關(guān)系，互相關(guān)系數(shù)定義為[18]：

(2)

如圖6所示，整個噪聲觀測期間的噪聲譜級與風(fēng)速和波高的相關(guān)系數(shù)。無論夏季還是冬季，其相關(guān)系數(shù)均隨著頻率的升高而增大，在1 kHz以上，相關(guān)系數(shù)均大于或接近0.5；譜級與風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)要高于噪聲譜級與有效波高的相關(guān)系數(shù)，這與風(fēng)關(guān)噪聲源機制密切相關(guān)；中高頻段，夏季時相關(guān)系數(shù)比冬季時高，這是由于夏季噪聲觀測期間海況較好，而冬季噪聲觀測期間，海況較差，還有降雨噪聲等其他噪聲源存在引起的。

風(fēng)速對海洋噪聲的影響可采用參數(shù)化對數(shù)表達式進行定量研究，該式描述了3個風(fēng)速段內(nèi)的不同噪聲源機制。第1個風(fēng)速段是低于臨界風(fēng)速Uc的噪聲區(qū)域，此時波浪沒有破碎。高于臨界風(fēng)速Uc后，噪聲譜級隨著風(fēng)速的增大而增加，增加率由風(fēng)速相關(guān)因子k。高于飽和風(fēng)速Us后稱為高風(fēng)速段，在高風(fēng)速段，海況充分發(fā)展，噪聲譜級趨于飽和。噪聲譜級風(fēng)關(guān)特性參數(shù)化擬合模型可以表示為[17]：

(3)

式中NL0為恒定的噪聲譜級。

表1 不同風(fēng)速條件下噪聲譜級擬合結(jié)果

圖6 噪聲譜級與風(fēng)速、波高之間的相關(guān)系數(shù)Fig.6 Correlation coefficient between noise spectrum levels at 680 m and wind speed or wave height

基于實測數(shù)據(jù)，圖7和圖8分別給出了夏季和冬季噪聲觀測譜級與風(fēng)速和波高的分段線性擬合結(jié)果。夏季噪聲觀測期間，由于有低風(fēng)速和波高條件的存在，即有臨界風(fēng)速和臨界波高的存在，臨界風(fēng)速和臨界波高分別取值為4.5 m/s和1 m，因此采用分段線性擬合方法擬合噪聲譜級與風(fēng)速和有效波高的關(guān)系；而冬季噪聲觀測期間，風(fēng)速較高，海況較差，不存在臨界風(fēng)速和臨界波高，因此直接采用線性擬合的方法分析噪聲譜級與風(fēng)速或波高的關(guān)系。

表2給出了噪聲譜級與風(fēng)速的定量擬合結(jié)果。夏季時，當(dāng)風(fēng)速小于4.5 m/s時，實驗海域噪聲譜級幾乎不隨著風(fēng)速的增大而變化，譜級整體上保持不變；當(dāng)風(fēng)速大于4.5 m/s時，噪聲譜級隨著風(fēng)速的增大而增大，噪聲譜級與風(fēng)速的對數(shù)存在線性關(guān)系；譜級與風(fēng)速的擬合斜率在1 kHz左右達到了最大值，擬合斜率為4.18。冬季時，在100 Hz～8 kHz的頻段范圍內(nèi)，譜級與風(fēng)速的擬合斜率隨著頻率的升高的增大，而后基本保持不變；擬合斜率在4 kHz時，噪聲譜級與風(fēng)速的擬合斜率達到最大值1.51，此時斜距值為40 dB左右。

圖7 夏冬兩季680 m接收深度噪聲譜級與風(fēng)速的擬合結(jié)果對比Fig.7 Fitting results between noise levels at 680 m and wind speed in summer and winter

圖8 夏冬兩季680 m深度噪聲譜級與波高的擬合關(guān)系季節(jié)對比Fig.8 The fitting results between noise levels at 680 m and wave height in summer and winter

表2 680 m噪聲譜級與風(fēng)速對數(shù)的擬合結(jié)果

表3給出了噪聲譜級與波高的擬合結(jié)果。與風(fēng)速擬合相似，當(dāng)波高小于1 m時，夏季噪聲譜級幾乎不隨著波高的增大而增大，譜級整體上保持不變；當(dāng)有效波高大于1 m時，噪聲譜級隨著波高的增大而增大，噪聲譜級與波高的對數(shù)存在線性關(guān)系；譜級與波高的擬合斜率在1 kHz左右達到了最大，擬合斜率取值為7.83。冬季時，在整個噪聲觀測期間，波高值均大于1 m，噪聲譜級與波高的擬合斜率隨著頻率的升高而增大，而后基本保持不變；擬合斜率在2 kHz時達到最大值0.44，此時斜距值為58 dB左右。

2.4 噪聲頻間特性研究

海洋環(huán)境噪聲譜級與參考頻率上噪聲譜級的經(jīng)驗關(guān)系滿足：

NL(f)=a0NLf0+a1

(4)

式中a0、a1為線性擬合系數(shù)。根據(jù)Wenz曲線結(jié)果，1 kHz的噪聲譜級主要是由風(fēng)關(guān)噪聲源決定。圖9給出了夏季和冬季時接收深度680 m的噪聲譜級與1 kHz譜級的頻間特性擬合結(jié)果。無論夏季還是冬季，500 Hz～8 kHz的噪聲譜級與1 kHz譜級均呈明顯線性關(guān)系，與夏季的擬合結(jié)果相比，冬季時500 Hz以上的擬合結(jié)果更好，實測噪聲數(shù)據(jù)集中在擬合直線左右，分散程度較小，這是由于冬季時實驗區(qū)域的海況較差，風(fēng)速和波高值較大，風(fēng)關(guān)噪聲源占據(jù)主導(dǎo)地位，而夏季時實驗海區(qū)的海況較好，風(fēng)速和有效波高值較低，接收到的環(huán)境噪聲中包含遠(yuǎn)處航船噪聲成分，導(dǎo)致夏季噪聲譜級數(shù)據(jù)相對分散；對于100 Hz的噪聲譜級，夏季時100 Hz與1 kHz的噪聲譜級呈微弱線性關(guān)系，冬季時100 Hz噪聲譜級與1 kHz的噪聲譜級幾乎無關(guān)，這表明冬季時100 Hz和1 kHz噪聲譜級是由不同噪聲源主導(dǎo)的。

表3 680 m噪聲譜級與波高對數(shù)的擬合結(jié)果

圖9 夏冬兩季680 m深度噪聲譜級與1 kHz譜級的擬合結(jié)果對比Fig.9 Fitting results between noise levels at 680 m and spectrum levels at 1 kHz in summer and winter

表4給出了噪聲譜級與1 kHz譜級擬合結(jié)果。無論在夏季還是冬季，擬合斜率值均隨頻率升高而增大，達到極值后，逐漸減小，在1 kHz以下斜率值均小于1，當(dāng)頻率高于1 kHz，斜率值大于1，在4 kHz處，斜率達到最大值，其在夏季和冬季的取值分別為1.16和1.11，接收深度680 m譜級與1 kHz譜級的定量擬合結(jié)果如表4所示；擬合斜距值均隨頻率升高而減小，當(dāng)頻率低于1 kHz時，斜距為正值，當(dāng)頻率高于1 kHz時，斜距為負(fù)值，夏季時，在4 kHz處，斜距達到了最小值，此時擬合斜距值為-21.6 dB，而在冬季，也在4 kHz時斜距取值最小，此時斜距取值為-16.8 dB。

2.5 概率密度函數(shù)

Weibull分布廣泛用于風(fēng)速、波高等海洋隨機變量的統(tǒng)計分布，其概率密度函數(shù)(PDF)可寫為：

f(x;k,λ,a)=

(5)

式中：k，λ，a為待定參量；x為隨機變量；k>0為形狀參數(shù)；λ>0為比例參數(shù)。

表4 680 m噪聲譜級與1 kHz譜級的擬合結(jié)果

Burr分布可以擬合大量的經(jīng)驗測量數(shù)據(jù)，并且可以通過不同參數(shù)實現(xiàn)寬范圍的峰度、偏度分布，三參數(shù)的Burr分布PDF可表示為：

(6)

式中c、p、η分別為Burr 分布的第1形狀參數(shù)、第2形狀參數(shù)和比例參數(shù)。

圖10給出了夏季和冬季實測譜級的PDF擬合結(jié)果。夏季時，100和500 Hz譜級的PDF近似服從于Burr分布，此時譜級偏度均為正值，即左偏態(tài)；2 kHz譜級的概率密度比較復(fù)雜，不滿足具體的高斯分布、Weibull分布或Burr分布，滿足于多個自由度的卡方分布或者高階的高斯混合模型，2 kHz譜級的PDF與風(fēng)速和波高的PDF相似，2 kHz譜級主導(dǎo)噪聲源為風(fēng)浪攪拌，由于夏季噪聲觀測時間限制，風(fēng)速和波高的樣本值有限，實測噪聲樣本數(shù)量少，因此統(tǒng)計特征不明顯。冬季時，100 Hz譜級的PDF近似與服從Burr或Weibull分布，此時譜級偏度為負(fù)值，即右偏態(tài)；500 Hz以上的噪聲譜級PDF基本服從于高斯分布，同時更接近于服從Burr分布，Burr分布的峰值和偏度值與實測噪聲數(shù)據(jù)更吻合。

圖10 夏冬兩季680 m深度噪聲譜級概率密度分布Fig.10 The probability density function of noise levels at 680 m in summer and winter

2.6 季節(jié)差異分析

由上文可知，南海南部海域深海噪聲譜級夏季和冬季統(tǒng)計特性存在明顯的差異。如圖11所示，噪聲觀測期間海表高度(SSH)結(jié)果，SSH數(shù)據(jù)和聲速剖面來自于HYCOM再分析數(shù)據(jù)庫(https://www.hycom.org)，SSH可表征中尺度渦旋的空間分布，圓圈表示接收位置。夏季噪聲觀測期間，接收站位西南方向為熱渦，海水聲速和溫度較高，正西方向和西北方向(靠近越南附近海域)為冷渦，海水聲速和溫度較低；在冬季噪聲觀測期間，觀測站位北部和西部海域存在中尺度冷渦，冷渦范圍大，海水溫度和聲速相對較低。根據(jù)VOS航船數(shù)據(jù)庫(https://www.pmel.noaa.gov/co2/story，如圖13所示)，南海海域航船主要分布在主航道附近，即連接馬六甲和巴士或臺灣海峽、珠江口的航道等。

本文利用拋物方程模型，計算得到了航船噪聲源與接收水聽器之間的傳播損失結(jié)果，如圖12所示，其中，航船噪聲源有效深度假設(shè)為10 m，頻率100 Hz，可以看出，30°和300°方位，距離接收位置200 km以上(正北方向為0°，順時針方向)，冬季時信道傳播損失比夏季高約3 dB，且航船噪聲源主要位于冷渦上，東北方向熱渦對噪聲強度幾乎無影響，因此接收航船噪聲貢獻較小，而在夏季，航船噪聲源位于西部或西北部強度低的冷渦和西南部熱渦上，加上海洋信道傳播條件要好于冬季，因此航船噪聲貢獻較大。

圖11 夏冬兩季海表高度季節(jié)對比Fig.11 The comparison of SSH in summer and winter

圖12 傳播損失對比，100 HzFig.12 The comparison of transmission loss at 100 Hz

另外，如圖13所示，圓圈表示接收水聽器位置，與冬季相比，觀測海域航附近航船密度要高于冬季，因此夏季航船噪聲源強度比冬季高；而夏季海況較好，風(fēng)速相對較小(如圖1所示)，夏季時的風(fēng)關(guān)噪聲源強度相對較低，這是噪聲季節(jié)差異的另一個原因。綜上，實驗海域噪聲譜級夏冬2季統(tǒng)計特性差異的主要因素為渦旋導(dǎo)致的聲信道傳播損失差異、風(fēng)速和海況大小以及航船噪聲源強度共同決定的。

圖13 航船噪聲源分布季節(jié)對比Fig.13 The comparison of ship noise sources distribution in summer and winter

3 結(jié)論

1)本文基于某深海站位實測數(shù)據(jù)研究了南海南部海域夏季和冬季海洋環(huán)境噪聲的統(tǒng)計特性，分析了噪聲譜級深度分布、環(huán)境參數(shù)相關(guān)性、經(jīng)驗表達式和概率密度分布等統(tǒng)計特征，發(fā)現(xiàn)了顯著的季節(jié)差異。當(dāng)頻率小于400 Hz時，夏季噪聲譜級中值比冬季高約6 dB，1 kHz以上譜級差異小于2 dB。

2)本文利用接收深度680 m的噪聲數(shù)據(jù)分析2個季節(jié)的統(tǒng)計特性差異，獲得了不同風(fēng)速條件下的噪聲譜級參數(shù)化經(jīng)驗公式；當(dāng)風(fēng)速大于3級風(fēng)時，冬季噪聲譜級與Wenz曲線基本吻合；

3)文中定量對比分析了噪聲譜級與風(fēng)速、波高之間的互相關(guān)系數(shù)，利用參數(shù)化模型等獲得了噪聲譜與風(fēng)速、波高、參考頻率譜級之間的經(jīng)驗關(guān)系；提出了基于Weibull分布和Burr分布的噪聲譜級概率密度函數(shù)擬合方法，受航船噪聲主導(dǎo)的低頻噪聲譜級服從Burr分布，而由破碎波浪和風(fēng)速主導(dǎo)的高頻噪聲譜級同時服從于Burr分布和高斯分布。

此外，基于HYCOM和VOS數(shù)據(jù)，本文從海洋環(huán)境中的冷渦和熱渦分布、信道傳播損失變化、航船噪聲源分布等角度，給出了實驗海域深海噪聲譜級季節(jié)統(tǒng)計性差異的物理解釋。下一步，將更深入研究噪聲源作用機制和頻帶對海域噪聲譜級的影響以及數(shù)值建模研究。

致謝

感謝為海上實驗數(shù)據(jù)獲取付出辛勤汗水的全體調(diào)查隊員和“向陽紅14”、“實驗1”號全體船員。