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海洋環境雜訊

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海水的運動、風和大氣對海面作用的雜訊,厚冰層的移動或融化所產生的雜訊,海底地質構造變化引起的低頻聲波,海中生物體發出的聲響等。這些都是海洋本身的雜訊,它們限制了聲信號在海洋中的傳播距離。因此了解海洋環境的雜訊,對於解決從雜訊干擾背景中檢測和分離出有用信號,是十分重要的。

1 海洋環境雜訊 -海洋環境雜訊

 

2 海洋環境雜訊 -正文

 
  海洋環境雜訊源  海水熱雜訊 為海水分子熱運動所產生,是 50~200千赫頻段範圍的雜訊的主要組成部分,它的頻譜是隨頻率而增加的上升譜。
  水動力雜訊  主要由海浪、海流、拍岸浪、風、雨滴和海水中小氣泡天然空化所產生,它們與海況和風速有明顯的關係。譜級主要由風速決定。深海中這部分雜訊的頻譜為0.5~50千赫,斜率為-5~-6分貝/倍頻程。在任何水文氣象條件下,都有水動力雜訊。
  冰下雜訊  與冰原的移動和振動、冰塊的破裂、浮冰群的積成、吹過冰表面的渦旋氣流的不平穩性及氣溫變化等因素有關。此外,冰山離開極地向較暖海面浮動時,還產生冰山融化的雜訊。當冰不連成一片,且成碎塊狀時,在同樣的海況下,冰下雜訊的功率譜級比無冰時高5~10分貝。
  生物雜訊  海中能發聲的生物有甲殼類、魚類和海生哺乳類動物(鯨、海豚)。它們發出的聲響是多種多樣的(見海洋生物發聲)。甲殼類中以螯蝦為主,它們用螯相互撞擊作響。魚類中能夠發聲的甚多,如北美的叫魚,發出叩擊般的間斷雜訊序列;中國黃海和東海的大黃魚和小黃魚,發出 500~5000赫的咕咕聲;海豚在各種不同的生態發出不同的調頻嘯聲,在尋找目標時發出短促的脈衝聲(圖1)。   遠處航船動力裝置傳來的水下雜訊  其頻譜約為10赫至1千赫。
  極低頻雜訊  由地震、海底火山爆發、微地震、大尺度湍流和遙遠的風暴所產生,頻率為 1~10赫。要用水聽器準確測定周圍的海洋自然雜訊,必須設法消除或盡量減輕所有干擾,如懸挂水聽器電纜搖擺振動引起的雜訊,水流過水聽器表面產生的附加雜訊等。為此,廣泛採用海底深水寬頻水聽器陣來測量自然雜訊場。
  雜訊場  海洋不同地區不同季節不同種類的雜訊源構成的海洋環境雜訊場,特徵不同,通常以雜訊的功率譜、振幅的空間分佈和空間相關性等統計學的參數來表達,其中研究得較多的是平均功率譜。海洋環境雜訊的功率譜,是一種連續譜。各類水下雜訊源在空間的分佈是無規則的,但它們本身都有方向性。海況和氣象條件引起的海面狀況和水文條件的變化及海底特性不同,都會影響雜訊場的指向性。此外,風速和航運量的變化,生物雜訊的間歇性,溫度和鹽度的時空變化,潮汐、晝夜和季節的影響,都會使雜訊場呈明顯的周期性或隨機的變化。由於水下雜訊場有指向性,故場的時空相關特性的研究十分重要。圖2是在海底設置的水聽器陣測得的 0°~90°間的環境雜訊指向性圖。以頻率為 112Hz的雜訊為例,在海面風速達蒲氏風級 4級以上時,沿水平方向傳播的聲壓譜級N(0)在-30與-40之間;沿著與水平面成θ角的方向傳播的聲壓譜級N(θ)都小於N(0)。但對於頻率為 1414Hz的雜訊來說,θ越大,N(θ)越小。由此可知,極遠處的低頻雜訊通過水平路徑傳播,而高頻雜訊則大多數從海面傳播到接收陣。   深海雜訊場  大量的實測數據表明,深海的環境雜訊譜相當穩定。圖3是在深海中不同風速和不同海況下測得的,1赫~100千赫的海洋環境雜訊綜合數據繪製的典型連續譜。圖右下方的虛線,表示海水分子運動的熱雜訊;曲線族1、2、3、5、8所標的數字錶示風級。譜線1和2中的1~20赫範圍,很可能是大尺度渦流中的湍流產生的雜訊,它們和風速的關係甚小。低於 1赫的譜,可能來自水靜壓力效應或地球內部的地震騷動。   淺海雜訊場  淺海雜訊受水文條件、海底特點、近岸工業設施和魚類回遊的影響,隨地區和季節的變化較大。海灣和港口附近的工業設施和潮汐等雜訊源,有較強的晝夜和季節性的變化,因此只能粗略地繪出不同海灣、港口和附近地區的環境雜訊譜級。儘管如此,從長期的大量取樣所獲得的環境雜訊平均譜,仍然是很有實用價值的。
  對於設計和使用聲吶設備和水下聲學儀器來說,海洋環境雜訊是一種干擾源。必須測出不同海區和不同季節的海洋環境雜訊場的功率譜特徵、指向性及時間與空間的相關特性,並在水聽陣和電路設計中採取相應措施,以提高信號雜訊比的增益。海洋生物雜訊譜是海洋生物研究和海洋捕撈的重要判據。
  隨著檢測和數據處理技術的進展,對環境雜訊和接收深度的關係,雜訊場的方向性,冰下雜訊譜,雜訊級瞬時值的統計特性,及對低於10赫甚至 1赫以下的雜訊源的探索等方面的研究,都有較大的進展。
  參考書目
 R.J.Urick, Principles of Underwater Sound for Engineers,McGraw-Hill,New York,1975.

 

3 海洋環境雜訊 -配圖

 

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