浅海风成海洋环境噪声模型

摘要：本文推导了浅海风成噪声的互谱密度，给出了互谱密度的简正波表达式，然后给出了谱级随频率的数值计算结果并对南海实验所测得的环境噪声数据进行分析，最后给出结论。

关键词：风成噪声 互谱密度 简正波

1、引言

风噪声是海洋环境噪声中比较重要的组成部分，它存在于噪声谱中相当宽的范围内[1]，快速并准确的预报模型是近年来的重要课题。

2、风成噪声场模型

设噪声源位于深度为z′无穷大平面内，如图1所示。

源平面中某一点的声源强度以单极子声源表示，令其强度为s（r′，t）。t为时间。由于海面压力释放作用单极子将耦合为偶极子对，单极子描述了基本的波动源，复杂的噪声源传播问题可以看作由单极子源适当叠加得到。

声场方程为[2]： （1）

噪声场的互谱密度用（r1，z1）与（r2，z2）点声场的复共轭之积的集平均表示。当两个声场点在同一位置时，它简化为局部声谱级。互谱密度表示为：

（2）

其中为此问题的格林函数，方括号代表是对噪声源S求平均。可以把格林函数写成傅里叶变换式：

（3）

满足以下等式：

（4）

因此可以把互谱密度写成：

（5）

以下使R=r1-r2，ρ=r’-r’’，假设噪声源空间相关是均匀的，在空间上它只与生源间隔p=r’-r’’有关，即：=q2N（p）这里q是噪声源强度。则公式（5）可转化为：

（6）

式（6）经积分可转化为：

（7）

由于假设噪声源为无指向性的，则其相关函数N（ρ）是空间各向同性的。另外，由于假定这些噪声源分布在图1的源平面上，在存在压力释放表面的情况下，这些噪声源是作为高阶极子辐射器与海水耦合的。如果噪声源是不相关的，它们的相关函数就有δ函数的形式。对不相关噪声源，相关函数可表示为[1]：

（8）

利用式（8）则式（7）可以写为：

（9）

当R=0和z1=z2=z时则公式（7）退化为：

（10）

3、噪声场的简正波表示

这部分用第二部分的结果应用于分层介质，在分层介质中声速和密度只是深度的函数，格林函数可以表示成相对简单的形式，用简正波求解一般传播问题时，若接收器离声源足够远，则简正波连续谱对声场贡献很小，只需计算简正波的离散谱。而噪声源为海面下一层均匀分布的单极子，由于有近距离声源存在，简正波连续谱部分不能忽略，即必须考虑分支线积分。以下用特征函数展开式，即简正波模式展开式来表示与深度有关的格林函数：

（11）

最后，经过一系列简化，当海面声源不相关时，互谱密度可以写为：

（12）

从（12）式可以看到衰减系数对海面噪声场结构影响很大，在浅海中，海底沉积物的声学相互作用对衰减系数的影响很大。

按R=0和z1=z2进行计算时，即得环境噪声谱，取分贝数即得噪声谱级。

4、数值计算

本节对南海实验测得的环境噪声数据进行分析。图2为某段时间的噪声信号，图3给出了300～2000Hz频带内由测量数据计算的噪声谱级频率特性和本模型噪声谱级频率特性比对结果，模型计算中风速取6m/s（如图2、图3）。

由上图可见，实测噪声谱级曲线变化趋势基本与理论计算结果一致，都随频率的增加而减小，但数值偏大，由于实验为噪声传播实验并非针对海洋环境测量进行的实验，噪声可能包括船舶、生物等噪声，使噪声数据骗大。

5、结语

本文建立了分层介质的海洋环境噪声模型，来处理风关噪声的传播问题，并对实测噪声进行处理，将其所得的噪声谱级频率曲线与本模型计算的曲线进行比较。可以得出实测数据谱级频率特性与理论计算结果趋势一致的结果，说明本模型是可行的，但由于环境差异，数值上有差别。

参考文献

[1] 布列霍夫斯基.海洋声学[M].北京：科学出版社，1983.

[2]Kuperman，Ingenito.Spatial-correlation of surface generated noise in a stratifiedocean.[J]JASA，1980，67，1988-1966.