水声探测技术实验指导书三-五讲述.docx

实验三 海洋环境噪声的测量及频谱分析 本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理，得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律，并将所得结果作图表示。 一、实验目的 1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。 2、掌握基本的时-频处理方法。 3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定的实际训练。 二、实验仪器 计算机 三、实验原理 1、海洋噪声的来源 海洋噪声的来源是多方面的，总的归纳起来有几大类： (1) 动力噪声：由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起的压力起伏，以及海浪拍岸的噪声，雨噪声等。 (2) 冰下噪声：由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声，以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。 (3) 生物噪声：由海洋动物所引起的各式各样的声音。 (4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。 (5) 工业噪声：由人类的各种活动所引起的噪声。如船舶航行的噪声，港口作业噪声，海底作业噪声等。 以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。通过频谱分析，不但可以了解声源信息，如根据海洋噪声探测海上风浪的情况，还可以根据海洋噪声场的特性，提高水声器材的抗干扰性能。因此，有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。 2、船舰噪声的谱特性 舰船在水中运动时，将辐射噪声，其来源有下列三个方面： (1) 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中。 (2) 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。 (3) 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。 在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。图5-1是典型的舰船噪声图谱。在低频段，谱级随频率增高而增大。在100~1000Hz之间出现一个峰值，主要是由于空化噪声产生的，峰值位置取决于舰船的航速。在此频段以后，以大约每倍频程6dB的坡度下降。另外还可以看到，在低频段出现一些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线，早高频端这些谱线被连续谱掩盖，所以从图上看不到。 图1 典型的舰船噪声图谱 对舰船噪声特性，一般可用它的平均功率谱、线谱和“动态谱”来描述。这些谱特性，对我们检测和识别舰船噪声提供了有用的信息。因此，测量和分析舰船噪声，认识它的规律性，将有利于我们设计最佳接收设备和判别舰船目标。 3、海洋噪声的频谱特性 海洋噪声是由各种原因产生的，并且受到许多因素的影响。它的频谱很复杂，一般无法用一组简单的频谱曲线来描述。图2汇集了对海洋噪声的各种研究结果，一般称之为文兹谱级图。纵坐标代表声压级（注意：这里是以2×10-5Pa为参考值），横坐标使用对数刻度表示频率。箭头所表示的频段为某类噪声源的频谱范围。整个噪声级的变化趋势是随频率的增加而下降。在1Hz到100kHz范围内变化120~130dB，但就某一频率而言其动态范围在40~60dB。在低频段，一般下降较陡，每倍频程下降3~10dB。在100Hz到20kHz范围是目前水声工作中较常用的频段，它的噪声级高达60~80dB，与风力大小关系有关。低频段还与舰船噪声的大小有关，一般随频率的增加而下降。在高频段的热噪声，反而随频率增加而增强，每倍频程增大6dB。标有圆圈数字的一簇曲线，代表海面风速大小所对应的噪声谱曲线。圈内的数字表示蒲氏风级，它的噪声级随风速增大而增高，但不是直线关系。阴影区为大洋航线上的平均船舶噪声级概况。它上面的虚线为通过较频繁海区的噪声频谱。 可看到海洋噪声是由许多频率和强度不同的成分随机地组合。在频谱上对应的各频率成分紧密地连在一起，成为一条连续的曲线，所以它一般是连续谱。只有在接收船舶噪声时，有时才看到连续谱上加有突出的线谱，这是一种复合谱。 图2文兹谱级图 4、频谱分析技术 大家都知道，海洋噪声是一个随机过程。描述它的基本统计特性，主要由它的功率谱密度函数和相关函数两方面来表征。而相关函数的富氏变换便是功率谱密度。如果在海况和风力不变的情况下，海洋噪声可以看作为一个平稳的随机过程。 借助傅里叶变换，信号可以时间函数或频率函数两种形式描述，特别是周期信号和准周期信号（前者由一个基频成分和若干谐波成分，后者虽可分解为几个正弦分量，但它们的周期没有公倍数），从频率域可以很清楚地了解它们由哪些正弦分量组成。 信号的频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。对信号作频谱分析的设备主要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率的函数显示出来，其工作方式有模拟式和数字式二种。模拟式频谱分析仪以模拟滤波器为基础，从信号中选出各个频率成分的量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或快速傅立叶变换为基础，实现信号的时-频关系转换分析。???? 傅立叶变换是信号频谱分析中常用的一个工具，它把一些复杂的信号分解为无穷多个相互之间具有一定关