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： 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) 生物

2、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

3、引起的空化噪聲、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

4、噪聲提供了有用的信息。因此，測量和分析艦船噪聲，認識它的規(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。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坐標代表聲壓級（注意：這里是以2X10-5Pa為參考值），橫坐標使用對數(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31

5、0dB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

6、噪聲時，有時才看到連續(xù)譜上加有突出的線譜，這是一種復(fù)合譜。jNiLMiiiri Fthrr amj local tttcTsFPttquirKli 州町_= c 亠 牛 *i*fc*lB*fc rt l«*k# hwnn Fil» MlirffHi4 d * i； 生0P 帝圖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，

7、特別是周期 信號和準周期信號(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)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

8、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x(t)的傅氏變換為：(1)f為頻率。用傅立葉變換而幫助人們從另一個角度來了解信號的特征。時域信號X f xt e j2ntdt式中X(f)為信號的頻域表示，x(t)為信號的時域表示, 將信號變換到頻率域，其數(shù)學(xué)表達式為：x t -aisin2n°tb sin 2hota2sin4n°tbsin4n°t2C0 Cn cos 2 nf0t fnn 1用G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

9、(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寸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ADCF實測數(shù)據(jù)的基本

10、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。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ADC軸線成一定夾角，每個換能器既是發(fā)射器

11、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：VFd 2Fs(1)C(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

12、布及編號示意ADCP每個換能器軸線即為1個聲束坐標，每個換能器測量的流速是水流沿其 聲束坐標方向的速度，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。 此外，ADCP自身定義有直角坐標系：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的流速分量，然后利用聲束坐標與X-Y-Z坐標之間的轉(zhuǎn) 換關(guān)系，將聲束坐標系下的流速轉(zhuǎn)換為 X-Y-Z坐標系下的三維流速，再利用羅盤 和傾斜儀提供的方向、傾斜數(shù)據(jù)將X-Y-Z坐標系下的流速轉(zhuǎn)換為地球坐標系下的 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

13、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、實驗?zāi)康?. 掌握利用簡正波方法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;、實驗儀器計算機 三、實驗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

14、 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。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=Co、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=0、z=zo 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：2(1)p 22kop4 nArr°zS' (r ro)為三維狄拉克函ro為點源的位置ro=O r+zo z，r和z為單

15、位矢量 數(shù)，定義為：r r。dVV1r0包含在體積V內(nèi)0 r0包含在體積V外(2)在圓柱對稱情況下，體積分選成圓柱對稱形式，則:r02 ndrdz(3)為了滿足上式，把S (r r°)選為：12 nr°(4)令 A=1，式(1)可寫成:2P2r2P2zk0pz°(5)令 p r,zRn代入上式，經(jīng)分離變量后得:Znd2Rndr2drdzZo(6)1 d2Zn若乙(z)滿足Zn dz2的微分方程：:，其中k0C0，z為常數(shù)值，可得到乙(Z)所滿足d2Zndz22C0(7)公式(7)的解需要滿足正交歸一化條件:HZn z Zm0Zn(z)被稱為本征函數(shù)。從公式(1 z

16、dz07)可以看到,Zn zAn sin kznZ(8)面的邊界條件,可以令解乙(z)等于Bn COS kznZ 0< z < H(9):，a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)界乙(z)應(yīng)分別為滿足dZn乙(0)=0和dz h0，則得到:B=0kznnnHn=1,2, 3,(10)kzn稱為本征值，則解 乙（Z）等于:Zn zAn sin kznZ把乙（z）代入正交歸一化條件（3-36）式中可決定常數(shù)AH，于是有Zn z(11)由于n co21 nn _ 一2 H（從上面的推導(dǎo)中可以看出,Z n和kzn分別為波數(shù)一的水平分量和垂直分量co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:Rn r J ：Zn z0 H。2nr J n H sin kznZ。H。2.r(13)于是聲壓p（r, z）可以寫成:p r, z2nJsin kznz sin kz.z。H。2.rH n(14)對于遠離點源的觀察點Z nr&