水聲探測技術(shù)實驗指導(dǎo)書三-五

1、實驗三 海洋環(huán)境噪聲的測量及頻譜分析本實通過對現(xiàn)有艦船輻射噪聲采集數(shù)據(jù)進行處理，得到某一實驗過程海洋環(huán)境噪聲的分布規(guī)律，并將所得結(jié)果作圖表示。一、實驗?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-頻處理方法。3、以實測數(shù)據(jù)為例，通過上機操作，達到一定的實際訓(xùn)練。二、實驗儀器計算機三、實驗原理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) 動力噪聲：由、涌、浪引起低頻壓力脈動，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：由冰層運動引起的碰撞、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 艦船在水中運動時，將輻射噪聲，其來源有下列三個方面：(1) 機械噪聲：主機、輔機和各種空調(diào)設(shè)備產(chǎn)生的機械振動，它通過船殼輻射到海中。(2) 螺旋槳噪聲：螺旋槳轉(zhuǎn)動產(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，譜級隨頻率增高而增大。在1001000Hz之間出現(xiàn)一個峰值，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 對艦船噪聲特性，一般可用它的平均功率譜、線譜和“動態(tài)譜”來描述。這些譜特性，對我們檢測和識別艦船噪聲提供了

4、有用的信息。因此，測量和分析艦船噪聲，認(rèn)識它的規(guī)律性，將有利于我們設(shè)計最佳接收設(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匯集了對海洋噪聲的各種研究結(jié)果，一般稱之為文茲譜級圖?？v坐標(biāo)代表聲壓級（注意：這里是以2×10-5Pa為參考值），橫坐標(biāo)使用對數(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。整個噪聲級的變化趨勢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態(tài)范圍在4060dB。在低頻段，一般下降較陡，每倍頻程下降310dB

5、。在100Hz到20kHz范圍是目前水聲工作中較常用的頻段，它的噪聲級高達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，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)速大小所對應(yīng)的噪聲譜曲線。圈內(nèi)的數(shù)字表示蒲氏風(fēng)級，它的噪聲級隨風(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多頻率和強度不同的成分隨機地組合。在頻譜上對應(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，有時才看到連續(xù)

6、譜上加有突出的線譜，這是一種復(fù)合譜。圖2文茲譜級圖4、頻譜分析技術(shù)大家都知道，海洋噪聲是一個隨機過程。描述它的基本統(tǒng)計特性，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平穩(wěn)的隨機過程。借助傅里葉變換，信號可以時間函數(shù)或頻率函數(shù)兩種形式描述，特別是周期信號和準(zhǔn)周期信號（前者由一個基頻成分和若干諧波成分，后者雖可分解為幾個正弦分量，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。信號的頻譜可分為幅值譜、相位譜、功率譜、對數(shù)譜等等。對信號作頻譜分析的設(shè)備主要是頻譜分析儀，它把信號按數(shù)

7、學(xué)關(guān)系作為頻率的函數(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)，從信號中選出各個頻率成分的量值；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)，實現(xiàn)信號的時-頻關(guān)系轉(zhuǎn)換分析。     傅立葉變換是信號頻譜分析中常用的一個工具，它把一些復(fù)雜的信號分解為無窮多個相互之間具有一定關(guān)系的正弦信號之和，并通過對各個正弦信號的研究來了解復(fù)雜信號的頻率成分和幅值。 信號頻譜分析是采用傅立葉變換將時域信號x(t)變換為頻域信號X(f)，從而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。時域信號x(t)的傅氏變換為： （1）式中X(f)為信號

8、的頻域表示，x(t)為信號的時域表示，f為頻率。用傅立葉變換將信號變換到頻率域，其數(shù)學(xué)表達式為： （2）用Cn畫出信號的幅值譜曲線，從信號幅值譜判斷信號特征。三、實驗內(nèi)容與要求1、實驗內(nèi)容(1) 使用已經(jīng)有采集完成的噪聲信號數(shù)據(jù)，海上測量工作可以不必進行。(2) 對各種不同的海洋環(huán)境噪聲進行譜分析。2、實驗要求(1) 使用MATLAB對已錄制的各種噪聲信號（船舶噪聲）進行頻譜分析，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行分析。(3) 利用時-頻分析處理方法對測量結(jié)果各譜線的譜特性進行討論，并分析其產(chǎn)生的原因。六、數(shù)據(jù)記錄 無實驗四 ADCP原理及數(shù)據(jù)處理方

9、法一、實驗?zāi)康?、了解聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）基本的工作原理和使用方法；2、掌握對ADCP實測數(shù)據(jù)的基本處理方法并作圖實現(xiàn)；二、實驗儀器 聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP）、計算機三、實驗原理 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、有效的高精度測流儀器。該儀器自20 世紀(jì)90 年代初被引進我國，至今已在我國的河流、湖泊、海洋等的水體

10、流量測驗中廣泛應(yīng)用，特別是在潮汐河段的水文測驗中應(yīng)用較多。圖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ADCP 配有4 個換能器（圖3），換能器與ADCP軸線成一定夾角，每個換能器既是發(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。假定顆粒物的運動速度和水體流速相同，當(dāng)顆粒物的運動方向接近換能器時，換能器聆聽到的回波頻率比發(fā)射波的頻率高；當(dāng)顆粒物的運動方向背離換能器時，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

11、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動速度；C為聲波在水中的傳播速度。2為系數(shù)，因為ADCP 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 換能器分布及編號示意 ADCP 每個換能器軸線即為1個聲束坐標(biāo)，每個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個換能器軸線即組成一組相互獨立的空間聲束坐標(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

12、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)系下的流速。而利用四個波束測量，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、實驗內(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、實驗步驟1、通過Matlab編程三選二實現(xiàn)上述實驗內(nèi)容。六、數(shù)據(jù)記錄 無實驗五 硬底均勻淺海聲場建模研究一、實驗?zāi)康?1. 掌握利用簡正波方法

13、計算對典型淺海聲場進行建模仿真； 2. 掌握利用Matlab編程實現(xiàn)對單頻聲信號傳播損失的計算；二、實驗儀器 計算機三、實驗原理 把淺?？醋鲇操|(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。運用波動聲學(xué)方法對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?？醋饔操|(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。運用波動聲學(xué)方法對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，點聲源位于r=

14、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，可寫為： （1）r0為點源的位置r0=0·r+z0·z，r和z為單位矢量。(rr0)為三維狄拉克函數(shù)，定義為： （2）在圓柱對稱情況下，體積分選成圓柱對稱形式，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?？蓻Q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。現(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： （14）對于遠離