Impact of continental-slope bottom on ambient noise in the South China Sea
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摘要:
通过位于大陆坡上和深海处的两站点相同深度噪声实验数据, 分析了大陆坡海域不同海底环境对海洋环境噪声的影响, 并利用三维射线模型计算了不同海底条件下的噪声谱级和垂直指向性, 进而研究了海底环境对环境噪声场的影响规律, 数值仿真的噪声谱级和实验结果在绝对幅值和随频率变化趋势方面均符合较好。实验和仿真结果表明, 由于大陆坡上坡方向的浅海环境不利于航船噪声远距离传播, 因此大陆坡上站点的低频(300 Hz以下)噪声谱级较深海处更低; 由于大陆坡海底底质较硬, 海面高频风生噪声除了直达接收器外还可经海底反射后到达, 因此大陆坡上站点的高频(1 kHz以上)噪声谱级较深海处高且随频率下降缓慢, 导致大陆坡上和深海处的环境噪声谱级曲线随着频率增加会存在交叉现象。
Abstract:The impact of continental-slope bottom on the ocean ambient noise is analyzed by using experimental noise data received from the same depth at two locations on the continental slope and in the deep water, respectively. The noise spectral level and vertical directivity under different bottom conditions are calculated using a three-dimensional ray model, and then the influence of the bottom environment on ambient noise field is studied. The numerically predicted noise spectral level agrees well with the experimental data in terms of absolute amplitude and frequency trend. The experimental data and simulation results show that, in the shallow area of the continental shelf, the waveguide is not conducive to long-distance propagation for ship noise, therefore the low frequency (below 300 Hz) noise level is lower than that in the deep area at the same depth. Meanwhile, due to the bottom with hard characteristics in the shallow area, the high frequency (above 1 kHz) noise from the sea surface can also reach the receiver after being reflected by the seabed in addition to directly reaching the receiver. Therefore, the high frequency noise level in the shallow area on the continental shelf is higher than that in the deep area, and decreases with frequency slower. As a result, there is a crossover phenomenon of the ambient noise spectral levels on the continental slope and at the deep water with the increase of frequency.
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引言
海洋环境噪声是海洋声信道中的固有背景场, Knudsen和Wenz通过对大量噪声数据的统计分析给出了不同频段海洋环境噪声的主要来源, 并总结出海洋环境噪声谱级参考曲线, 即著名的Knudsen谱线和Wenz谱线[1-2]。航船噪声和风生噪声是海洋环境噪声的主要组成部分, 通常认为航船噪声是低频段的主要噪声, 噪声源来自无限大的海面, 而风生噪声是高频段的主要噪声, 噪声源主要来自接收点上方较小范围的海面。海洋中某一位置处的噪声场可看作是环境中各类噪声源经水声信道传播后叠加作用的结果, 而复杂的海底地形、底质参数和水文条件均会对声传播产生影响, 进而导致不同海域噪声场的差异。南海大陆坡所在海域面积大, 地形变化剧烈, 声传播规律较为复杂, 因此大陆坡海域水下噪声场的空间和方位差异研究具有重要意义。
关于海底对水下声传播的影响, 已有大量研究。Northrop等在加利福尼亚海域的声学传播实验中观察到, 斜坡海底条件下的传播损失与平坦海底相比会有所降低, 该现象被称作“斜坡增强效应”[3]。Rousseau等利用射线理论研究海底斜坡反射对声传播的影响, 指出上坡方向的传播损失比下坡方向大[4]。秦继兴等利用大陆坡海域的实验数据, 分析了存在向下斜坡时声源位于海面附近和斜坡表面两种情况下斜坡分别对声传播的影响规律[5]。Liu等在声传播实验中观察到不同方位的传播损失有高达35 dB的明显差异, 认为地形不同是产生差异的主要原因[6]。张鹏等指出在深海不完全声道条件下, 海底反射对声传播具有重要影响, 会使得声场出现会聚现象[7]。实际上, 上述不同地形对声传播影响规律的研究结果, 可以用于相似环境下海洋环境噪声特性的研究。
大量实验测量及研究结果表明, 环境噪声谱级随深度的分布规律与海域以及噪声源类型有关。Arase等分析了浅海和深海坐底水听器接收的噪声数据, 指出在22~715 Hz频段深海噪声谱级比浅海高14 dB[8]。Perrone等研究了不同频段噪声谱级随深度变化情况, 指出噪声谱级在不同频段随深度变化呈现不同的规律[9]。Morris等分析了东北太平洋噪声数据, 指出低于100 Hz的噪声谱级随深度增加而降低, 高于100 Hz的噪声谱级垂直分布与风速有关[10], Marshall和Farrokhrooz等通过研究也得出了相似结论[11-12]。Barclay等利用可自动升降的噪声采集设备在菲律宾海测量环境噪声谱级, 分析了50 Hz~30 kHz的噪声数据, 指出1 kHz以上的风生噪声谱级随频率变化的斜率随深度增加有明显的变陡趋势[13]。Felix指出在30~200 Hz频带内, 深海噪声谱级比浅海可高出23%, 并且这一差异随频率或风速的降低而增大, 其他学者也得到了相似的研究结论[14-15]。这是由于深海中航船和风生噪声可从远处传播至接收点, 而浅海声道主要由海底和海面反射决定, 远处声源的影响可以忽略, 从而导致浅海中噪声谱级在低频范围内较低[16]。不同海域的海底环境是导致海洋环境噪声差异的重要原因, 海底条件对环境噪声的影响不可忽略。
随着研究的深入和工程应用的需求, 在噪声数值预报研究中需要分析海水声速剖面、海面状况、海底地形和底质等对噪声场的影响。研究指出, 位于大陆架区域的噪声源经过下斜坡海底反射后的声线更接近水平方向, 因此造成噪声水平凹陷消失的现象[17-19]。Carey等利用抛物方程模型, 仿真研究了大陆坡地形下不同位置的噪声源对噪声场的影响, 同时指出噪声水平凹陷可以被斜坡反射填充[20]。衣雪娟等仿真研究了复杂地形对风生海洋环境噪声场的影响, 指出岛礁海域的风生噪声场和接收点深度、与岛礁的相对位置、岛礁高度和大小等因素密切相关[21]。张乾初等研究了南海深海环境噪声特性, 指出海面航船噪声源通过岛礁斜坡作用进入深海声道可以改变环境噪声垂直分布结构[22]。单元春等结合模型仿真和南海岛礁实验数据, 研究了风生噪声谱级的垂直分布情况和航船噪声的垂直指向性[23]。
由于高频率、宽频带的三维噪声场建模和计算的复杂性, 目前关于三维海底对噪声谱级的影响研究较少。本文通过分析2018年南海大陆坡海域实验获得的不同海底环境下海洋环境噪声数据, 研究了不同地形下噪声谱级分布的差异。使用基于射线理论的三维噪声预报模型, 考虑南海大陆坡海域的复杂海底环境, 研究了海底地形和底质对于噪声谱级和指向性的影响, 并分析了不同海底条件下噪声场存在差异的原因。
1. 大陆坡海域环境噪声实验数据分析
1.1 实验介绍
2018年4月, 声场声信息国家重点实验室在南海北部大陆坡海域开展了一次声学实验, 实验中在两个站点先后布放了潜标垂直接收阵列对海洋环境噪声进行测量。实验海区地形和潜标位置如图1所示, 图中色棒表示海深(单位m), 黑色“
◯ ”表示站点位置, 图中红色虚线表示以站点为中心半径100 km的范围, 黑色虚线表示以站点为中心半径200 km的范围, O2、O3分别位于大陆坡上的浅海区域和深海区域。从图中可知, O2站点北侧多为浅海区域, 其东南方向为大陆坡下坡方向; O3站点南侧是面积较大的岛礁, 西侧是起伏较大的岛礁群。两站点的接收阵列整体结构相似, 实验设备示意图如图2所示。O2布放在大陆坡上浅海区域海深629 m处, 接收阵列由21个自容式水声信号记录器(USR)组成, USR布放在78~571 m深度范围内采集记录环境噪声, 记录起止时间为: 2018年4月27日18时至2018年5月1日16时。O3布放在深海区域, 海深3742 m, 接收阵列由20个USR组成, USR布放在85~3400 m深度范围内采集记录环境噪声, 记录起止时间为: 2018年4月20日13时至2018年4月26日15时。两站点的USR接收灵敏度均为−170 dB, 信号采样率为16 kHz。在两站点位置测量的海水声速剖面如图3所示, 图中红色虚线是O2点的测量结果, 蓝色实线为O3点的声速剖面(1700 m以下为根据深海声速剖面特点补充的数据[24])。O3站点的最小声速值为1483 m/s, 声道轴大约在1163 m深度处, 海面处海水声速为1539 m/s, 海面处声速大于海底附近的海水声速1520 m/s, 为典型深海不完全声道。O2站点的声速剖面整体为负梯度, 在50 m以浅和O3基本相同, 在50~600 m深度内略有差异, 并且在接近600 m深度处基本趋同。
1.2 数据分析
将实验中采集的海洋环境噪声数据, 按1/3倍频程带宽计算平均噪声谱级, 计算公式为[25]
NLe(f0)=10log10[2Nfs1nfH−nfL+1nfH∑i=nfL|Xi|2]−Mv, (1) 式中,
Xi 表示1 s长的平稳时域噪声x(n) 在第i 个频率下的快速傅里叶变换谱,f0 是1/3倍频程带宽的中心频率,fs 是采样频率, N是平稳时域噪声数据的长度。nfH 和nfL 是以f0 为中心频率的1/3倍频程频段的上界频率和下界频率,Mv 是接收灵敏度级。本文1/3倍频程计算的起始中心频点是20 Hz, 最高中心频点为6451 Hz。分别选取两站点115 m和500 m深度的噪声数据进行处理, 对比两站点相同深度噪声谱级数据。两站点在500 m深度的噪声谱级概率密度分布如图4所示。从图中可以看出, 在3000 Hz以下, O3噪声谱级分布整体比O2高, 在3000 Hz以上两者分布逐渐趋同。为了清晰对比两站点噪声谱级, 将两站点在500 m深度谱级分布的中值在图5中给出。低于700 Hz时O3点的噪声谱级比O2点高, 200 Hz处高约7.6 dB, 700~750 Hz频段两者噪声谱级曲线较为接近存在相交现象, 750 Hz以上频段O2点噪声谱级比O3点高, 2000 Hz处高约2 dB。
同样地, 115 m接收深度的噪声谱级概率密度分布和中值对比结果分别在图6和图7中给出。由图6可知, O3站点噪声谱级分布上限整体比O2高。由图7可见, 低于1000 Hz时, O3站点噪声谱级比O2高, 200 Hz处高9.7 dB, 1500~2500 Hz频段两者噪声谱级曲线较为接近存在相交现象, 2500 Hz以上频段O2点噪声谱级比O3点高, 4000 Hz处高约2.7 dB。用于对比的噪声数据所处深度接近, 所在海域声速剖面差异较小, 且噪声源分布基本相同(风速、航船等), 因此两站点的噪声场差异主要是由海底地形和底质造成的。
由上述噪声谱级对比可知, 在相同深度下O2噪声谱级在低频段(200 Hz以下)低于O3, 随着频率升高两者差异变小且谱级曲线存在相交, 而在高频段O2较高。两站点的噪声谱级在200 Hz以下的低频段随频率下降的斜率相近; 在500 Hz以上频段, O3噪声谱级基本满足−5 dB/oct的下降规律, 与Wenz曲线相符, 而O2噪声谱级随频率下降较缓, 约为−3.6 dB/oct。可见, 大陆坡浅海区域的噪声谱级在高频段随频率下降趋势较深海区域更缓慢。
2. 海洋环境噪声场数值分析
2.1 三维射线噪声模型
射线方法计算速度快且物理意义清晰, 对高频声场计算具有良好的适用性, 能够用于求解随距离变化的深海声场。本文利用三维射线方法建立环境噪声模型, 结合海面噪声源、海水声速、地形、底质等参数可以计算海洋环境噪声场[26]。
三维噪声场建模采用柱坐标系, 如图8所示, 近海面噪声源涵盖航船噪声、风生噪声等, 假设接收阵位于图8左图中垂直点划线所示的z轴上, 在水平海面内以接收阵为中心计算半径r范围内噪声源产生的噪声场。将计算海域按照角度分为L个方位分区, 按距离沿半径划分为J个距离间隔, 则计算区域被划分为与方位角
θl=lΔθ (l=1,2,⋯,L) 和水平距离rj=r0+jΔr (j=1,2,⋯,J) 有关的多个扇环, 每个扇环的面积为Sj,l=rjΔθΔr 。计算每个扇环内中心声源至接收点的声场, 叠加后获得接收点的总噪声场。假设互不相关的噪声源随机均匀分布在海面以下1/4波长
zs 深度的无限大平面上[27]。单位面积的噪声源强度级为SL(dBre1μPa2/1μPa2HzHz) , 则单位面积的噪声源强度为ns2=10SL/10 。用p(zr,j,l,zs) 表示位于水平距离rj 、方位θl 、深度zs 的声源在接收位置zr 处产生的声压, 用ns2j,l 表示位于水平距离rj 、方位θl 的单位面积噪声源强度。为简化计算, 根据互易原理将接收器位置作为仿真声源点, 将噪声源位置作为仿真接收点, 则接收位置zr 处的环境噪声场Pnoise(zr) 可由所有海面噪声源对接收位置的贡献叠加获得[20]:Pnoise(zr)=L∑l=1exp(iΨl)J∑j=1exp(iΨj)nsj,l√Sj,lp(zr,j,l,zs), (2) 式中,
Ψj 和Ψl 是在0−2π 内均匀分布的随机数, 分别表示距离和方位的随机相位信息,nsj,l=√ns2j,l 。噪声场空间分布特征通常用两点声场复共轭积的时间平均表示, 称为噪声互谱密度, 它代表了噪声场的空间特性,zr 和z′r 的噪声互谱密度Cnoise(zr,z′r) 定义为Cnoise(zr,z′r)=⟨Pnoise(zr)P∗noise(z′r)⟩, (3) 式中, 上标“*”表示复共轭,
⟨⟩ 表示时间平均。将式(3)等号右侧⟨⟩ 内表达式展开:Pnoise(zr)P*noise(z′r)=L∑l′=1L∑l=1J∑j′=1J∑j=1exp[i(Ψl−Ψl′)]exp[i(Ψj−Ψj′)]⋅nsj,lnsj′,l′√Sj,l√Sj′,l′p(zr,j,l,zs)p∗(z′r,j′,l′,zs). (4) 假设来自不同扇环面(即
l≠l′ 或j≠j′ )的噪声是互不相关的, 则噪声互谱密度可近似为⟨Pnoise(zr)P*noise(z′r)⟩=L∑l=1J∑j=1ns2j,lSj,lp(zr,j,l,zs)p∗(z′r,j,l,zs). (5) 接收位置
zr 的声压值p(zr,j,l,zs) 可通过三维射线模型计算获得[28]。令zr=z′r , 对式(5)两边取对数便可获得接收位置zr 处的环境噪声谱级[20-21]:NL(zr)=10log10⟨|Pnoise(zr)|2⟩. (6) 噪声源强度
ns2 可由噪声源强度级表示, 包括降雨噪声、风生噪声、船舶噪声等噪声源强度级, 使用文献中的噪声源强度级公式(为表述方便下文使用噪声源级公式代替)。Harrison使用的风生噪声源级公式适用频带较宽, 公式的整体形式也具有代表性, 结合本文研究的海域环境, 采用在Harrison噪声源级公式的基础上利用深海环境修正的风生噪声源级公式[26]:SLW=48.78−3.74log10[(f/400)2+1]+(11.85+U/4)log10(U/10), (7) 式中, f为频率(单位Hz), U为风速(单位kn)。航船噪声源级
SLS 使用Hamson[29]给出的经验公式:SLS=186−20log10f+6log10(vs/6.18)+20log10(L/300)+10log10(N), (8) 其中, f为频率(单位Hz),
vs 为船舶航速(单位m/s), L为船舶长度(单位ft), N为每平方米面积内的船舶数量。噪声源强度ns2 表示为ns2=10SL/10=10SLW/10+10SLS/10, (9) 式中, SL为风生、船舶噪声源共同作用下的噪声源强度级。
从实验期间海面天气可知, 该海域在实验期间海况较好, 基本均为2级海况, 对应蒲福风级3级, 平均风速为5 m/s, 采用风速U = 5 m/s条件下的风生噪声源级。实验海区远离航道, 因此航船噪声源级参数采用
vs 为20 kn, L为200 m, N为0.05只/平方米。下文仿真均采用上述相同噪声源级条件, 假设各频段噪声源均匀分布在海面上。2.2 地形对环境噪声指向性的影响
根据实验海底环境仿真计算两站点垂直阵不同水平方位的垂直指向性, 垂直阵各个阵元的噪声场以向量的形式表示为
\begin{split} { {\boldsymbol P}_{{\text{noise}}}} = & \left[ {P_{{\text{noise}}}}\left( {\boldsymbol x}_1 \right),{P_{{\text{noise}}}}\left( {\boldsymbol x}_2 \right), \cdots , {P_{{\text{noise}}}}\left( {\boldsymbol x}_n \right), \cdots ,\right.\\& \left.{P_{{\text{noise}}}}\left( {\boldsymbol x}_{N_P} \right) \right]^{\text{T}}\text{, } \end{split} (10) 其中,
{N_p} 是阵元数目, 上标T表示向量转置,{P_{{\text{noise}}}}({\boldsymbol x}_n) 是第n 个阵元三维位置{\boldsymbol x}_n 处的环境噪声场。阵列方向向量为{\boldsymbol q} (\alpha ,\beta ) = {\left[ {{q_1}(\alpha ,\beta ),{q_2}(\alpha ,\beta ), \cdots, {q_n}(\alpha ,\beta ) ,\cdots ,{q_{{N_P}}}(\alpha ,\beta )} \right]^{\text{T}}} \text{, } (11) 其中,
{q_n}(\alpha ,\beta ) = \exp ( - {\text{i}}{\boldsymbol k} \cdot {\boldsymbol x} _n) ,{\boldsymbol k} = (\omega /{c_0})\,{\rm col}\,(\cos \alpha \sin \beta , \cos \alpha \cos \beta ,\sin \alpha ) , 式中{\text{i}} 是虚数单位,\omega 是角频率,{c_0} 是参考声速,\alpha 和\beta 分别是俯仰角和方位角。垂直阵列的噪声指向性强度级为D\left( {\alpha ,\beta } \right) = 10{\log _{10}}\left[ {\left\langle {{{\left| {{{\boldsymbol q }^*}(\alpha ,\beta ) \cdot {{\boldsymbol P }_{{\text{noise}}}}} \right|}^2}} \right\rangle } \right]. (12) 计算中以接收阵位置为中心, 海面正北方位为0°, 其他方位按顺时针依次排序至360°, 垂直角度以水平方向为0°, 向海面方向为正值, 向海底方向为负值, 如图9所示。
实验时对站点附近的海底进行了采样和底质参数分析, O3站点底质整体比O2站点“软”。O2站点海底参数分析表明其底质类型为粉砂质黏土, 表层2 m范围内的平均声速为1530 m/s, 平均密度为1.58 g/cm3。O3站点海底参数分析表明其底质类型也为粉砂质黏土, 海底表层沉积层的声速和密度分布较为均匀, 平均声速为1499 m/s, 平均密度为1.36 g/cm3。由于模型计算的水平范围较广且地形和底质参数变化较大, 实验中实测地形和底质无法涵盖和代表全部实验海区, 仅能为海底参数的选取提供参考。仿真中采用图1所示地形, 图3所示声速剖面, 海底模型为双层海底, 由沉积层和半无限基底组成。参考底质采样结果, O2站点沉积层厚度20 m, 声速1530 m/s, 密度1.58 g/cm3, 吸收系数0.35
{{{\mathrm{dB}}/\lambda }} , 半无限基底声速1600 m/s, 密度1.75 g/cm3, 吸收系数由计算式A=0.517\cdot(f/1000)^{1.07}\; \mathrm{dB}\mathrm{/}\lambda [30]得到。O3站点沉积层厚度20 m, 声速1515 m/s, 密度1.36 g/cm3, 吸收系数0.35{{{\mathrm{dB}}/\lambda }} , 半无限基底声速1650 m/s, 密度1.8 g/cm3, 吸收系数也由上述计算式得到。假设噪声源均匀分布在海面以下1/4波长深度, 仿真200 Hz环境噪声的垂直指向性, 阵元分布为200~340 m, 阵元间隔为3.5 m, 共41个阵元。仿真2000 Hz环境噪声的垂直指向性, 阵元分布为200.0~210.5 m, 阵元间隔为0.35 m, 共31个阵元。O2和O3两阵列200 Hz不同方位的噪声垂直指向性仿真结果见图10, 其中(a)和(b)分别对应两站点海面噪声源计算半径为100 km的结果, (c)和(d)分别对应两站点计算半径为200 km的结果。两站点2000 Hz的结果见图11, 其中(a)和(b)分别对应两站点海面噪声源的计算半径为100 km的结果, (c)和(d)分别对应两站点的计算半径为200 km的结果。![]()
图 10 O2、O3两站点200 Hz噪声垂直指向性随水平方位变化 (a) O2站点100 km海面计算半径; (b) O3站点100 km海面计算半径; (c) O2站点200 km海面计算半径; (d) O3站点200 km海面计算半径![]()
图 11 O2、O3两站点2000 Hz噪声垂直指向性随水平方位变化 (a) O2站点100 km海面计算半径; (b) O3站点100 km海面计算半径; (c) O2站点200 km海面计算半径; (d) O3站点200 km海面计算半径由图11可知, 2000 Hz时增大噪声源计算半径对于噪声垂直指向性的结果影响较小, 而由图10可知200 Hz时增大噪声源计算半径对于噪声垂直指向性的结果影响较大, 这说明对高频段噪声场起主要作用的噪声源分布在计算点上方较小范围内, 而对低频段噪声场起主要作用的噪声源分布范围较广, 可见不同频率的噪声需要考虑的海面噪声源水平计算范围有所不同。
对应图1的海底地形和图10(c)中O2站点的50°~100°方位的垂直指向性可知, 该方位的噪声凹陷被明显地填充, 这是因为该水平方位对应着大陆坡地形, 斜坡对声传播的影响改变了该方位的噪声到达角度从而填充了噪声凹陷。相比之下, 在图10(c)中O2站点的200°~300°水平方位的垂直指向性就存在较明显的噪声凹陷。
上述两处垂直阵由于不同水平方位的地形不同, 导致不同方位的声传播有所差异, 因此不同地形下的噪声主要到达角度和强度有所不同进而影响噪声场垂直指向性, 并且由于不同频段的噪声源来自不同的海面范围, 最终会导致地形对不同频段的噪声谱级的影响有所区别。由于不同方位海底环境的差异导致相应的噪声垂直指向性存在差异, 可以利用不同方位的噪声垂直指向性的特点进行阵列布放和信号处理, 从而根据具体海底状况提高阵列信号处理的信噪比。
2.3 数值结果与实验数据对比
同样采用实验海域海底地形(图1)和两个站点声速剖面(图3)数值计算噪声谱级。仿真参数选取与2.2节中相同, 为了研究海底对环境噪声场的影响, 噪声源级公式均采用2.1节中公式, 假设各频段噪声源均匀分布在海面, 噪声源深度固定, 海面噪声源计算半径为200 km。
图12给出了115 m和500 m两个深度数值仿真噪声谱级与实验数据的对比结果, 二者变化趋势整体吻合较好, 在部分频段存在差异, 误差在3 dB内。从Wenz图可知在1000 Hz以上频段噪声谱级随频率基本满足−5 dB/oct的下降趋势, 而在115 m深度(图12(a)), 对于1000 Hz以上频段, O3站点实验噪声谱级基本满足−4.8 dB/oct的下降趋势, 仿真噪声谱级为−4.3 dB/oct, O2站点实验噪声谱级随频率下降相对较缓为−3.1 dB/oct, 其仿真结果为−3 dB/oct, 基本符合较好。在500 m深度(图12(b)), 对于1000 Hz以上频率, O3站点实验噪声谱级基本满足−5 dB/oct的下降趋势, 仿真噪声谱级为−4.4 dB/oct, O2站点实验噪声谱级满足−3.3 dB/oct下降趋势, 仿真结果为−2.8 dB/oct, 基本符合较好。上述仿真结果与实验数据斜率变化对比见表1。
表 1 仿真结果与实验数据谱级斜率对比仿真/实验 站点 深度 (m) 斜率 (dB/oct) 实验 O2 115 −3.1 仿真 O2 115 −3.0 实验 O3 115 −4.8 仿真 O3 115 −4.3 实验 O2 500 −3.3 仿真 O2 500 −2.8 实验 O3 500 −5.0 仿真 O3 500 −4.4 3. 不同海底环境下噪声场差异分析
在相同噪声源条件下, 噪声场差异主要是由噪声源到接收点的传播损失不同造成的, 在相同水文条件下传播损失主要受海底地形和底质影响, 本节重点分析实验海区的声传播特性, 以及其对海洋环境噪声场的影响。
3.1 声传播实验结果
首先结合实验数据比较相同深度的声源经地形不同的路径到达接收点的传播损失差异, 分析海底条件对传播损失的影响。选取实验中50 m深度的声源, 接收点深度115 m, 获得距接收点不同距离下的传播损失。图13(a)是O3站点不同方位角对应声传播测线的地形, 图13(b)和图13(c)分别是相应测线200 Hz和2000 Hz的传播损失。图14(a)是O2站点不同方位角对应的测线地形, 图14(b)和图14(c)分别是相应测线200 Hz和2000 Hz的传播损失。
由图13(b)可知, 210°方位上200 Hz传播损失整体较大, 是由于距离接收阵13 km附近的海底山一定程度上阻挡了测线上的声传播[7]。由图13(a)可知, 310°方位的测线在80 km到140 km距离存在海底山, 相应此距离范围内传播损失均存在起伏, 在100 km附近传播损失较小, 这是因为海底山造成的声波反射增强。350°方位由于120 km后到达大陆坡, 海深逐渐变浅, 传播损失相较于其他测线明显减小。由图13(c)可知, 310°和350°方位的2000 Hz传播损失在60 km以内的差异较小, 但同样因为210°方位13 km处的海底山影响使得该测线在60 km内传播损失相应较大。
由图14(a)可知, O2站点60°方位是浅海大陆架海区, 海深较浅且平坦, 仅在60~110 km之间有微小起伏。分析图14(b)相应的200 Hz传播损失, 80 km以内60°方位的传播损失较130°和180°小, 这是因为该方向海深较浅且底质较“硬”, 声源除直达外还可经海底反射到达接收点; 180°方位存在随距离先变深后变浅的海沟环境, 相应的200 Hz传播损失在距离为80~170 km范围内呈现凸起现象, 这是因为声能量与海沟的上坡地形作用而汇聚造成传播损失减小, 而180 km之后的位置海深骤减, 声场能量逐渐会聚的效果再次凸显, 传播损失随即骤减10 dB以上[31]。分析图14(c)相应的2000 Hz传播损失, 20 km以内距离三个方位的传播损失较为一致, 20~80 km距离内60°方位的传播损失总体上最小, 这与相应的200 Hz传播损失的结果原因一致。通过上面的实验结果可知, 两个站点不同方位的海底条件使得对应的声传播路径和传播损失不同, 不同的海底条件对海面噪声源的传播也会有相应影响, 下面通过仿真验证。
3.2 噪声测量站点三维声传播特性
在海洋环境噪声数值仿真中, 需要计算所有方位上的声传播结果。如3.1节所述, 实验中只进行了几个方位50 m深度声源的声传播测量。为了更加直观地掌握实验海域海底状况对于噪声源声传播的影响, 利用图1中实验海域地形数据和图3中声速剖面数据计算海面噪声源到接收阵元的三维传播损失。
仿真所用海底模型和参数与2.2节一致, 根据互易原理将声源深度设置为115 m, 接收深度设置为噪声源分布深度, 利用三维射线模型(BELLHOP3D)[32]计算接收点至海面声源位置的三维传播损失。200 Hz的三维传播损失结果如图15所示, 2000 Hz的结果如图16所示。规定图中x轴沿东西方向, y轴沿南北方向, 接收阵位于坐标原点, 正北方位角为0°, 其他方位按顺时针依次排序。
200 Hz环境噪声的主要来源是分布在海面上的航船, 因此可以根据三维传播损失分析噪声场特性。由图1可知O2站点位于大陆架浅海区域, 其接近一半的方位角对应的海深较浅。从图15(a)中可以看出, O2站点在西北大陆架浅海方向的传播损失相比于东南的大陆坡深海方向更大, 不利于噪声源到接收点的传播, 所以该站点低频段环境噪声较低。O3站点位于靠近大陆坡的深海区域, 其各方位对应的海深均较大。从图15(b)中可以看出在O3站点, 从东南、西南方向约100 km外到达该点的传播损失均较大, 这是因为相应方向和距离处存在大面积岛礁阻碍了声传播, 由于地形较为开阔, O3站点东北方位的传播损失总体较小。
对于2000 Hz的仿真结果, 由图16(b)可知, 各方位噪声源沿半径到O3接收点的传播损失差异较小, 这是因为高频噪声源主要来自接收点上方较小海面范围, 而O3站点在较小距离范围内海深均较深且地形差异较小。而由图16(a)可知, 在约20 km范围内O2站点在西北大陆架浅海方向相比于东南大陆坡深海方向传播损失较小。值得注意的是, 在约10 km的半径范围内O2站点传播损失普遍明显小于O3站点, 这是由于O2站点所处海深较浅底质较硬, 高频噪声源除直达外还可经海底反射到达接收点。仿真结果表明, 在噪声源分布相同的情况下, 各噪声源同样由于传播路径的地形和底质的不同, 使得对接收点的环境噪声场贡献不同, 最终导致了噪声场的差异。
4. 结论
南海大陆坡海域不同海底环境下两站点噪声实验数据的分析结果表明, 深海处站点与大陆坡上站点的噪声谱级分布和随频率变化趋势存在差异, 噪声谱级分布的中值表明在较低频段内深海处噪声谱级比大陆坡上高, 两者的中值曲线随着频率升高而相交, 在较高频段大陆坡上噪声谱级更高。利用三维射线噪声模型, 考虑实验海域三维海底环境进行噪声谱级和噪声指向性的仿真, 模型计算的噪声谱级和实验测量结果在绝对幅值和随频率变化趋势方面符合较好, 幅值误差在3 dB内。
通过数值仿真验证了海底地形和底质对环境噪声场的显著影响：1) 对于低频段环境噪声, 主要噪声源分布在无限大海面上, 大陆坡浅海方向的传播损失较大导致低频噪声源对于大陆坡上的接收点贡献小, 而深海处各方向传播损失较小使得低频噪声源易作用于接收点, 因此深海处低频噪声谱级较大陆坡上高; 2) 对于高频段环境噪声, 主要的风生噪声源分布在接收点正上方小范围海面, 大陆坡浅海区域的底质较“硬”且海深较浅, 高频噪声除了从声源直达大陆坡上接收点外还可经海底反射后到达, 因此大陆坡上高频噪声谱级较深海处高且随频率下降趋势缓。
本文研究内容对复杂海底环境下噪声场的预报、评估复杂海底环境中声呐系统的性能以及指导声呐布放具有一定的参考价值。
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图 10 O2、O3两站点200 Hz噪声垂直指向性随水平方位变化 (a) O2站点100 km海面计算半径; (b) O3站点100 km海面计算半径; (c) O2站点200 km海面计算半径; (d) O3站点200 km海面计算半径
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图 11 O2、O3两站点2000 Hz噪声垂直指向性随水平方位变化 (a) O2站点100 km海面计算半径; (b) O3站点100 km海面计算半径; (c) O2站点200 km海面计算半径; (d) O3站点200 km海面计算半径
表 1 仿真结果与实验数据谱级斜率对比
仿真/实验 站点 深度 (m) 斜率 (dB/oct) 实验 O2 115 −3.1 仿真 O2 115 −3.0 实验 O3 115 −4.8 仿真 O3 115 −4.3 实验 O2 500 −3.3 仿真 O2 500 −2.8 实验 O3 500 −5.0 仿真 O3 500 −4.4 
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