水聲探測技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書三-五

1、實(shí)驗(yàn)三 海洋環(huán)境噪聲的測量及頻譜分析本實(shí)通過對(duì)現(xiàn)有艦船輻射噪聲采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到某一實(shí)驗(yàn)過程海洋環(huán)境噪聲的分布規(guī)律，并將所得結(jié)果作圖表示。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解以艦船輻射噪聲為代表的海洋環(huán)境噪聲的基本特性。2、掌握基本的時(shí)-頻處理方法。3、以實(shí)測數(shù)據(jù)為例，通過上機(jī)操作，達(dá)到一定的實(shí)際訓(xùn)練。二、實(shí)驗(yàn)儀器計(jì)算機(jī)三、實(shí)驗(yàn)原理1、海洋噪聲的來源 海洋噪聲的來源是多方面的，總的歸納起來有幾大類：(1) 動(dòng)力噪聲：由、涌、浪引起低頻壓力脈動(dòng)，水中引起的壓力起伏，以及海浪拍岸的噪聲，雨噪聲等。(2) 冰下噪聲：由冰層運(yùn)動(dòng)引起的碰撞、摩擦和破裂的噪聲，以及不平整的冰層表面與大氣、海流相互作用的噪聲。(3)

2、生物噪聲：由海洋動(dòng)物所引起的各式各樣的聲音。(4) 地震噪聲:由地震、火山爆發(fā)以及海嘯產(chǎn)生的噪聲。(5) 工業(yè)噪聲：由人類的各種活動(dòng)所引起的噪聲。如船舶航行的噪聲，港口作業(yè)噪聲，海底作業(yè)噪聲等。以上這些噪聲源各有其自己的頻譜特性。通過頻譜分析，不但可以了解聲源信息，如根據(jù)海洋噪聲探測海上風(fēng)浪的情況，還可以根據(jù)海洋噪聲場的特性，提高水聲器材的抗干擾性能。因此，有必要進(jìn)一步了解水下噪聲場的譜特性。2、船艦噪聲的譜特性 艦船在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將輻射噪聲，其來源有下列三個(gè)方面：(1) 機(jī)械噪聲：主機(jī)、輔機(jī)和各種空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，它通過船殼輻射到海中。(2) 螺旋槳噪聲：螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生水介質(zhì)空化引起的

3、空化噪聲、及它的劃水聲和渦流聲。(3) 水動(dòng)力噪聲：水流過船殼產(chǎn)生的摩擦聲及附件產(chǎn)生共振輻射的聲音。在多數(shù)情況下，機(jī)械噪聲和螺旋槳噪聲是主要的。圖5-1是典型的艦船噪聲圖譜。在低頻段，譜級(jí)隨頻率增高而增大。在1001000Hz之間出現(xiàn)一個(gè)峰值，主要是由于空化噪聲產(chǎn)生的，峰值位置取決于艦船的航速。在此頻段以后，以大約每倍頻程6dB的坡度下降。另外還可以看到，在低頻段出現(xiàn)一些線譜，它是機(jī)械噪聲和螺旋槳“葉片速率”的譜線，早高頻端這些譜線被連續(xù)譜掩蓋，所以從圖上看不到。圖1 典型的艦船噪聲圖譜 對(duì)艦船噪聲特性，一般可用它的平均功率譜、線譜和“動(dòng)態(tài)譜”來描述。這些譜特性，對(duì)我們檢測和識(shí)別艦船噪聲提供了

4、有用的信息。因此，測量和分析艦船噪聲，認(rèn)識(shí)它的規(guī)律性，將有利于我們?cè)O(shè)計(jì)最佳接收設(shè)備和判別艦船目標(biāo)。3、海洋噪聲的頻譜特性海洋噪聲是由各種原因產(chǎn)生的，并且受到許多因素的影響。它的頻譜很復(fù)雜，一般無法用一組簡單的頻譜曲線來描述。圖2匯集了對(duì)海洋噪聲的各種研究結(jié)果，一般稱之為文茲譜級(jí)圖?？v坐標(biāo)代表聲壓級(jí)（注意：這里是以210-5Pa為參考值），橫坐標(biāo)使用對(duì)數(shù)刻度表示頻率。箭頭所表示的頻段為某類噪聲源的頻譜范圍。整個(gè)噪聲級(jí)的變化趨勢(shì)是隨頻率的增加而下降。在1Hz到100kHz范圍內(nèi)變化120130dB，但就某一頻率而言其動(dòng)態(tài)范圍在4060dB。在低頻段，一般下降較陡，每倍頻程下降310dB。在100H

5、z到20kHz范圍是目前水聲工作中較常用的頻段，它的噪聲級(jí)高達(dá)6080dB，與風(fēng)力大小關(guān)系有關(guān)。低頻段還與艦船噪聲的大小有關(guān)，一般隨頻率的增加而下降。在高頻段的熱噪聲，反而隨頻率增加而增強(qiáng)，每倍頻程增大6dB。標(biāo)有圓圈數(shù)字的一簇曲線，代表海面風(fēng)速大小所對(duì)應(yīng)的噪聲譜曲線。圈內(nèi)的數(shù)字表示蒲氏風(fēng)級(jí)，它的噪聲級(jí)隨風(fēng)速增大而增高，但不是直線關(guān)系。陰影區(qū)為大洋航線上的平均船舶噪聲級(jí)概況。它上面的虛線為通過較頻繁海區(qū)的噪聲頻譜?？煽吹胶Ｑ笤肼暿怯稍S多頻率和強(qiáng)度不同的成分隨機(jī)地組合。在頻譜上對(duì)應(yīng)的各頻率成分緊密地連在一起，成為一條連續(xù)的曲線，所以它一般是連續(xù)譜。只有在接收船舶噪聲時(shí)，有時(shí)才看到連續(xù)譜上加有突出

6、的線譜，這是一種復(fù)合譜。圖2文茲譜級(jí)圖4、頻譜分析技術(shù)大家都知道，海洋噪聲是一個(gè)隨機(jī)過程。描述它的基本統(tǒng)計(jì)特性，主要由它的功率譜密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)兩方面來表征。而相關(guān)函數(shù)的富氏變換便是功率譜密度。如果在海況和風(fēng)力不變的情況下，海洋噪聲可以看作為一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程。借助傅里葉變換，信號(hào)可以時(shí)間函數(shù)或頻率函數(shù)兩種形式描述，特別是周期信號(hào)和準(zhǔn)周期信號(hào)（前者由一個(gè)基頻成分和若干諧波成分，后者雖可分解為幾個(gè)正弦分量，但它們的周期沒有公倍數(shù)），從頻率域可以很清楚地了解它們由哪些正弦分量組成。信號(hào)的頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對(duì)數(shù)譜等等。對(duì)信號(hào)作頻譜分析的設(shè)備主要是頻譜分析儀，它把信號(hào)按數(shù)學(xué)關(guān)系作為頻

7、率的函數(shù)顯示出來，其工作方式有模擬式和數(shù)字式二種。模擬式頻譜分析儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，從信號(hào)中選出各個(gè)頻率成分的量值；數(shù)字式頻譜分析儀以數(shù)字濾波器或快速傅立葉變換為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)-頻關(guān)系轉(zhuǎn)換分析。 傅立葉變換是信號(hào)頻譜分析中常用的一個(gè)工具，它把一些復(fù)雜的信號(hào)分解為無窮多個(gè)相互之間具有一定關(guān)系的正弦信號(hào)之和，并通過對(duì)各個(gè)正弦信號(hào)的研究來了解復(fù)雜信號(hào)的頻率成分和幅值。 信號(hào)頻譜分析是采用傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)x(t)變換為頻域信號(hào)X(f)，從而幫助人們從另一個(gè)角度來了解信號(hào)的特征。時(shí)域信號(hào)x(t)的傅氏變換為： （1）式中X(f)為信號(hào)的頻域表示，x(t)為信號(hào)的時(shí)域表示，f為頻率。用傅立葉變換

8、將信號(hào)變換到頻率域，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （2）用Cn畫出信號(hào)的幅值譜曲線，從信號(hào)幅值譜判斷信號(hào)特征。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 使用已經(jīng)有采集完成的噪聲信號(hào)數(shù)據(jù)，海上測量工作可以不必進(jìn)行。(2) 對(duì)各種不同的海洋環(huán)境噪聲進(jìn)行譜分析。2、實(shí)驗(yàn)要求(1) 使用MATLAB對(duì)已錄制的各種噪聲信號(hào)（船舶噪聲）進(jìn)行頻譜分析，并畫出分析結(jié)果的功率譜曲線。(2) 從傳播噪聲的譜分析中，取幾組特征聲線譜進(jìn)行分析。(3) 利用時(shí)-頻分析處理方法對(duì)測量結(jié)果各譜線的譜特性進(jìn)行討論，并分析其產(chǎn)生的原因。六、數(shù)據(jù)記錄 無實(shí)驗(yàn)四 ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic

9、 Doppler Current Profiler，ADCP）基本的工作原理和使用方法；2、掌握對(duì)ADCP實(shí)測數(shù)據(jù)的基本處理方法并作圖實(shí)現(xiàn)；二、實(shí)驗(yàn)儀器 聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、計(jì)算機(jī)三、實(shí)驗(yàn)原理 聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler）（圖1）的英文縮寫為ADCP，它是近十多年才發(fā)展和應(yīng)用的一種快速、經(jīng)濟(jì)、有效的高精度測流儀器。該儀器自20 世紀(jì)90 年代初被引進(jìn)我國，至今已在我國的河流、湖泊、海洋等的水體流量測驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，特別是在潮汐河段的水文測驗(yàn)中應(yīng)用較多。圖

10、1 聲學(xué)多普勒流速剖面儀 ADCP 安裝在特制的船上（圖2），每個(gè)ADCP 配有4 個(gè)換能器（圖3），換能器與ADCP軸線成一定夾角，每個(gè)換能器既是發(fā)射器又是接收器。換能器發(fā)射的聲波能集中于較窄的范圍內(nèi)，也稱為聲束。換能器發(fā)射固定頻率的聲波，然后聆聽被水體中顆粒物散射回來的聲波。假定顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度和水體流速相同，當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向接近換能器時(shí)，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高；當(dāng)顆粒物的運(yùn)動(dòng)方向背離換能器時(shí)，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率低。聲學(xué)多普勒頻移，即發(fā)射聲波頻率與回波頻率之差由下式確定： （1）（1）中：FD為聲學(xué)多普勒頻移；FS為發(fā)射聲波頻率；V為顆粒物沿聲波方向的移

11、動(dòng)速度；C為聲波在水中的傳播速度。2為系數(shù)，因?yàn)锳DCP 既能發(fā)射聲波又能接受回波，因此多普勒頻移加倍。圖2四聲束ADCP 換能器分布及編號(hào)示意 ADCP 每個(gè)換能器軸線即為1個(gè)聲束坐標(biāo)，每個(gè)換能器測量的流速是水流沿其聲束坐標(biāo)方向的速度，任意3個(gè)換能器軸線即組成一組相互獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)。此外，ADCP 自身定義有直角坐標(biāo)系：X-Y-Z。Z方向與ADCP 軸線方向一致。ADCP 首先測出沿每一聲束坐標(biāo)的流速分量，然后利用聲束坐標(biāo)與X-Y-Z 坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將聲束坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為X-Y-Z坐標(biāo)系下的三維流速，再利用羅盤和傾斜儀提供的方向、傾斜數(shù)據(jù)將X-Y-Z坐標(biāo)系下的流速轉(zhuǎn)換為地球坐標(biāo)

12、系下的流速。而利用四個(gè)波束測量，增加了測量信息量，使流速測量的短期精度比采用三波束提高了25，其對(duì)稱性，能夠有效地消除由于船只橫搖和縱擺引起的流速測量誤差。圖3 ADCP原理流程圖四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、通過Matlab作圖給出測量過程中測量地形深度與行船軌跡變化關(guān)系； 2、通過Matlab作圖給出測量過程中行船軌跡上各店流速矢量分布圖； 3、通過Matlab作圖給出某一測量斷面全海深流速分布圖；五、實(shí)驗(yàn)步驟1、通過Matlab編程三選二實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。六、數(shù)據(jù)記錄 無實(shí)驗(yàn)五 硬底均勻淺海聲場建模研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 掌握利用簡正波方法計(jì)算對(duì)典型淺海聲場進(jìn)行建模仿真； 2. 掌握利用Matlab

13、編程實(shí)現(xiàn)對(duì)單頻聲信號(hào)傳播損失的計(jì)算；二、實(shí)驗(yàn)儀器 計(jì)算機(jī)三、實(shí)驗(yàn)原理 把淺海看做硬質(zhì)海底，水深為常數(shù)和聲速均勻的水層，是一簡化了的淺海模型。運(yùn)用波動(dòng)聲學(xué)方法對(duì)簡化淺海模型的分析，將得到有用的結(jié)論和了解淺海聲傳播的物理現(xiàn)象。圖1 硬底均勻淺海聲道 把淺海看作硬質(zhì)海底，水深為常數(shù)和聲速均勻的水層，是一簡化了的淺海模型。運(yùn)用波動(dòng)聲學(xué)方法對(duì)簡化淺海模型的分析，將得到有用的結(jié)論和了解淺海聲傳播的物理現(xiàn)象。 如圖1仿真環(huán)境所示，若有一聲速c=c0、水深z=H的均勻水層，z=0為海表面，海表面為一自由平整界面，z=H為一完全硬質(zhì)海底，點(diǎn)聲源位于r=0、z=z0處。在該環(huán)境下，層中聲場應(yīng)滿足非齊次赫姆霍茲方程

14、，可寫為： （1）r0為點(diǎn)源的位置r0=0r+z0z，r和z為單位矢量。(rr0)為三維狄拉克函數(shù)，定義為： （2）在圓柱對(duì)稱情況下，體積分選成圓柱對(duì)稱形式，則： （3）為了滿足上式，把(rr0)選為： （4）令A(yù)=1，式（1）可寫成： （5）令代入上式，經(jīng)分離變量后得： （6）若Zn(z)滿足，其中，n為常數(shù)值，可得到Zn(z)所滿足的微分方程： （7）公式（7）的解需要滿足正交歸一化條件： （8）Zn(z)被稱為本征函數(shù)。從公式（7）可以看到，可以令解Zn(z)等于 0 z H （9）式中，An和Bn為待定常數(shù)。根據(jù)海面為自由界面和海底為硬質(zhì)界面的邊界條件，Zn(z)應(yīng)分別為滿足Zn(0)=0和，則得到：Bn=0 n=1, 2, 3, kzn稱為本征值，則解Zn(z)等于： 0 z H （10）把Zn(z)代入正交歸一化條件（3-36）式中。可決定常數(shù)，于是有 0 z H （11）由于，則 （12）從上面的推導(dǎo)中可以看出，n和kzn分別為波數(shù)的水平分量和垂直分量?，F(xiàn)把式（7）代入式（6）可得到函數(shù)Rn(r)所滿足的微分方程： （13）于是聲壓p(r, z)可以寫成： （1