第7章-水下噪声

第7章水下噪声概述噪声定义：指在特定条件下不需要的声音。水下噪声：（1）海洋环境噪声和目标（舰船、潜艇、鱼雷等）的自噪声声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。（2）目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声被动声呐系统的声源，通过接收该噪声实现目标检测。水下噪声研究的意义（水声对抗与反对抗）：（1）提高被动声呐设备的检测和识别能力；（2）减振降噪处理，提高自身隐蔽性和安全性。7.1噪声的基本概念1、噪声描述噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：（1）噪声的概率密度函数：1111011limpppppPtpp，（2）噪声的概率分布函数：1111111pppdptptppppP，，（3）平稳随机过程：tptp，，11结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。7.1噪声的基本概念1、噪声描述一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：22221pep为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。其均值和方差：dpppppdppp222常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。7.1噪声的基本概念1、噪声描述一般，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。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：若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。deRSdttptpTRjTTT21lim7.1噪声的基本概念1、噪声描述时间平均表示：dpppI)(222/2/22)(1limTTTdttpTI噪声声压有效值：噪声声压有效值：介质特性阻抗为单位值时平均声强平方根。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：2/2/2)(1limTTTedttpTIp7.1噪声的基本概念2、噪声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频谱没有意义；而随机过程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：（1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号频谱就是线谱信号；（2）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频谱就是连续谱。7.1噪声的基本概念2、噪声频谱分析7.1噪声的基本概念2、噪声频谱分析声强平均频谱密度：声强频谱密度函数：iiifISdfdIfIfSiifi0lim带宽内的总声强：21ffdffSI注意：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。0lg10IINLN7.1噪声的基本概念2、噪声频谱分析海洋环境噪声级：注意：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。水听器工作带宽内的噪声总声强假设水听器工作带宽内噪声谱和其响应是均匀的，则：f)(fSfSIN0lg10lg10ISfNL7.1噪声的基本概念2、噪声频谱分析7.1噪声的基本概念3、水下噪声指向特性水下噪声具有指向性：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海洋传播条件等原因。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。注意：工程上将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。7.2海洋环境噪声海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景；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，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；利用噪声与信号场在时空统计特性方面的差异，设计信号处理方案，提高设备的抗干扰能力。7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源采用海底深水水听器，在低于1Hz~100kHz频段内对深海噪声进行测量研究，研究结果表明：噪声源是多种多样的，环境噪声是这些源的综合效应；环境噪声在不同频段有不同特性，各种噪声源发声机理不同；环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。7.2海洋环境噪声1、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：（1）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引起海水静压力变化的原因，是低频噪声源。（2）地震扰动地震扰动是海洋中的极低频噪声源。地震扰动在海水中产生的压力：2pfca式中，a为地震扰动引起的地球表面垂直振幅。7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源（3）海洋湍流海洋中无规则随机水流形成的湍流，以多种方式产生噪声，是一种低频噪声源。海洋湍流产生噪声机理：湍流会使水听器、电缆等颤动或作响，产生自噪声，它不是自然噪声；湍流运动引起压力变化辐射噪声，在湍流区以外海水中产生噪声。它是四极子源，随距离衰减快，对环境噪声贡献不大；湍流区内部压力变化的声效应。7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源Wenz根据湍流理论和实验关系，推导的湍流压力谱。7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源（4）波浪非线性作用引起的低频噪声海面波浪运动产生的压力随深度增加迅速变小；两个反方向传播的行波波浪相遇，可能相互作用形成驻波，产生的压力不随深度增加而变小，其频率是形成它的波浪频率的两倍；波浪非线性作用引起的噪声是低频噪声源。7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源（5）远处航船噪声远处航船噪声是几十赫兹至几百赫兹频率范围内的主要噪声源。测量结果表明：然噪声与风和天气无关，且到达深水水听器的噪声来自水平方向；在50Hz~500Hz范围内，航船频繁海区的自然噪声量级高于航船稀少海区的测量值；在50Hz~500Hz范围内，观测到的自然噪声谱有一段突起或平坦部分，与传播的辐射噪声谱极大值相符合。7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源（6）风成噪声（海面波浪噪声）海面粗糙度是更高频段的自然噪声的噪声源。测量结果表明：在500Hz~25kHz频率范围内，自然噪声与海况、水听器处风速直接相关，到达深水水听器方向接近垂直。风成噪声与风速的相关性比与海况的相关性更好。Kundson海洋环境噪声谱7.2海洋环境噪声1、深海中的环境噪声源（7）热噪声海洋分子热噪声限制水听器高频灵敏度，等效热噪声谱级：1520lgNLfDIEDI—为指向性指数，单位dB；E—为转换效率，单位dB；f—频率，单位kHz。7.2海洋环境噪声2、深海环境噪声谱20世纪60年代，Wenz提出环境噪声的Wenz谱级图。在一般情况下，它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。7.2海洋环境噪声2、深海环境噪声谱深海环境噪声谱由斜率的不同的五部分组成：（1）频段Ⅰ，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。（2）频段Ⅱ，谱斜率为-8~-10dB/倍频程，与风速仅有很微弱关系，最可能噪声源是海洋湍流。7.2海洋环境噪声2、深海环境噪声谱（3）频段Ⅲ，噪声谱基本是平的，远处行船是主要噪声源。（4）频段Ⅳ，谱斜率具有-5~-6dB/倍频程，噪声源是离测量点不远的粗糙海面。（5）频段Ⅴ，海水介质分子热运动噪声，谱线斜率为6dB/倍频程。7.2海洋环境噪声2、深海环境噪声谱工程上，为预报海洋环境噪声级，需要用到不同参数表示典型自然噪声谱。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，综合考虑航运条件、蒲氏风级、噪声频率、海况等因素，近似地预报自然噪声谱。7.2海洋环境噪声3、自然噪声间歇源及其变化特性（1）间歇源的噪声源一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。海洋生物噪声：甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；降雨噪声：提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。7.2海洋环境噪声3、自然噪声间歇源及其变化特性长岛海峡东端海深为36米海域测得的降雨自然噪声谱7.2海洋环境噪声3、自然噪声间歇源及其变化特性不同降雨率的降雨噪声谱理论估计值7.2海洋环境噪声3、自然噪声间歇源及其变化特性（2）自然噪声的易变性自然噪声具有易变性。产生原因：——噪声源的易变性；——传播条件的改变，影响来自远处噪声源的声传播，从而改变了噪声强度。——百慕大和巴哈马群岛海底水听器观测结果：冬季的自然噪声级比夏季高7dB。7.2海洋环境噪声4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性（1）振幅分布海洋环境噪声是由大量噪声源的辐射噪声叠加所组成的，各噪声源之间互不相关；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。7.2海洋环境噪声4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性（2）空间相关性对声呐基阵设计具有重要意义；为降低环境噪声的干扰，基阵基元间距应大于环境噪声的空间相关半径，提高基阵输出端的信噪比；噪声的空间相关性：指海中相隔开的水听器接收到噪声的乘积对时间平均。两个相距为d各向同性单频噪声相关系数为：kdkdd/sin)(7.2海洋环境噪声4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关Cron和Sherman对噪声源分布无限大平面上、噪声源指向性为噪声场相关系数进行研究。mcos水平方向和垂直方向上的相关系数随间距d做衰减振荡，曲线与各向同性的单频噪声场具有相同形状；水平方向和垂直方向上的相关系数第一个零点分别位于0.8和0.9附近；2cos海面粗糙度形成噪声场具有指向特性。7.2海洋环境噪声4、海洋环境噪声振幅分布和空间相关性（3）相关延时与噪声源如果把两相隔开的水听器的输出信号进行相关分析，则相关峰位置的延时值表示了信号到达两个水听器的时差，相关峰的幅值、形状表示了两个信号的相关特性。百慕大群岛垂直阵测量结果：—低风速时，噪声源为远处航船和风暴；高风速时，噪声源为海面噪声源。7.2海洋环境噪声5、深海环境噪声指向性深海环境噪声具有指向性：低频噪声来自远处，高频噪声源来自顶部的海面。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）。2cos7.3舰船和鱼雷辐射噪声舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声，是被动声呐探测、分类识别和跟踪目标的信号，是被动声呐方程中的声源级SL。舰船辐射噪声的危害：（1）破坏了舰船和潜艇的隐蔽性；（2）可能引爆某些水中兵器；（3）干扰本舰的水声设备（自噪声）。舰船辐射噪声是水中兵器研制的重要依据舰船、鱼雷辐射噪声特点：噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。7.3舰船和鱼雷辐射噪声7.3舰船和鱼雷辐射噪声1、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱舰船辐射噪声的声源级：定义：水听器声轴方向上距源的等效声中心1m处的声强与参考声强之比的分贝数。在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到离声源声中心1米处，并计算出1Hz带宽内声强，则声源级和谱源级：010lgNISLI式中，是换能器工作带宽，为参考声强，为距声源声中心1米处的噪声声强。f0INI010lgNISLIf7.3舰船和鱼雷辐射噪声1、舰船辐射噪声声源级和噪声谱噪声谱基本类型：（1）连续谱；（2）线谱；（3）混合谱。舰船辐射噪声为线谱和连续谱的迭加。7.3舰船和鱼雷辐射噪声2、舰船辐射噪声源及其特性7.3舰船和鱼雷辐射噪声2、舰船辐射噪声源及其特性舰船辐射噪声源分为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声机械噪声螺旋桨噪声水动力噪声主机：柴油机、主电动机、减速器辅机：发动机、泵、空调设备螺旋桨空化螺旋桨引起船壳振动水流辐射噪声空腔、板和附件的共振支柱和附件的空化7.3舰船和鱼雷辐射噪声（1）机械噪声机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。产生机理：不平衡的旋转部件（电机电枢等）重复的不连续性（齿轮、电枢槽、涡轮机叶片等）往复部件（内燃机汽缸中爆炸）——产生线谱噪声，其成分是振动基频及其谐波分量。流体空化和湍流及排气（泵、管道、阀门中流体，凝汽器排气