基于实测海洋环境噪声谱级的风速反演研究

利用海洋环境噪声数据反演风速特征是目前海洋领域的研究热点之一。本文以南海获得的94 d实测海洋环境噪声数据为基础,研究100 Hz、200 Hz、500 Hz、800 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz等中心频点的噪声谱级特性,结合对应的风速数据,对海洋环境噪声数据进行相关、回归分析,研究结论表明：1 000 Hz以上频段对应的海洋环境噪声谱级与风速相关程度较高,基本不随深度发生较大变化;利用海洋环境噪声谱级反演海面风速的误差结果随着频率的增加而减小,利用1 000 Hz以上的频率进行海面风速反演,可以得到比较准确的结果。     

基于潜标测量的海洋环境噪声谱特性分析

利用海洋环境噪声测量潜标系统对南海典型海域开展了为期3个月的海洋环境噪声测量,16通道海洋环境噪声测量系统每小时测量两分钟噪声信号。数据处理结果表明,800~5 000Hz范围内,噪声谱与风速相关性最好,且风速越大相关性越好,噪声谱与风速的相关性好于与浪高的相关性。风关噪声谱级在海水中部基本不随接收深度发生变化,但由于测量水听器阵长度未能覆盖整个水深,因此未给出海面和海底处谱级变化规律。在400Hz以上的高频段整个风速范围内噪声谱级都随风速发生变化,且噪声谱级与对数风速具有很好的线性关系。     

实测海洋环境噪声数据谱级特性研究

通过对噪声测量潜标系统测得的94 d海洋环境噪声数据及相应的气象数据进行联合时频、相关性、统计特性分析,得到试验海区风速、降雨等自然现象与噪声谱级之间的关系。分析结果表明,海洋环境噪声谱级与风速变化在低频段相关性较低,高频段相关性较高,同时1 k Hz以上频段谱级值分布接近呈正态分布;降雨对环境噪声的影响主要分布在500 Hz以上频段。     

海洋环境噪声垂直分布测试和分析

采用船舷法对某海域海洋环境噪声垂直分布进行了测量.数据处理与分析结果表明,在6种接收深度下,当地的海面风生破碎波浪噪声对环境噪声有显著贡献.给出了所测海域环境噪声在0.1～20.0kHz频段的宽带声级和接收深度以及多种频率谱级与风速的对数之间的关系.1.0～4.0kHz频段的谱级与风速的对数呈良好的线性关系,且基本上不受接收深度的影响.     

南海某海域海洋环境噪声谱级风关特性分析

为探索南海某区域海洋环境噪声谱级与风场的相关特性,结合潜标海洋环境噪声数据及对应海域的海面风场再分析数据,计算各频段噪声级与风速相关系数及线性拟合函数。分析结果表明:400～1 000 Hz频段,海洋环境噪声谱级与海面风速的相关系数在0.5～0.8之间,达到中等相关。1 000～5 000 Hz频段,两者互相关系数大于0.8,达到高度相关。对海洋环境噪声谱级与对数风速的回归分析结果显示,1000～5 000 Hz频段,两者的线性函数关系显著;并且在1 000 Hz附近的拟合斜率最大,海洋环境噪声谱级对海面风速变化的灵敏度最高。     

几种经典海洋环境噪声谱分析

目前风关海洋环境噪声实验研究结果较多,其中较为经典的是Knudsen谱、Wenz谱、Piggott谱、Crouch谱,以及风速与噪声谱级的对数关系等。对这几种经典的海洋环境噪声谱进行了概述,分析了其数据来源,并对Wenz谱、Piggott谱和Crouch谱进行了比较,探究了其差异产生的原因,并给出了不同情况下进行风关海洋环境噪声估计时的参考建议。     

极低频海洋噪声与风的相关性研究

风通过影响海洋表面从而产生200 Hz以上的深海环境噪声,但有研究指出,通过风生表面波之间的非线性相互作用产生的驻波,能够与海床共振构成海底微震,从而产生10 Hz以下的噪声。针对这一新型风生噪声机制,本研究对威克岛海域10 Hz以下的极低频噪声进行了分析。比较了不同频率下海洋环境噪声功率谱级与风速的相关性,并讨论了风速和风向对设立在威克岛南北部二组水听器三联体信号的影响,结果表明2 Hz处的海洋环境噪声级与风速相关性最好,而风速和风向变化越剧烈海洋环境极低频噪声与风速风向的相关性越好。     

船舶噪声对浅海海洋环境噪声空间相关的影响

通过对2001年亚洲海国际声学实验(ASIAEX)得到的海洋环境噪声数据进行处理,计算了噪声场空间相关系数、功率谱密度和垂直指向性,分别研究了受到远距离和近距离船舶辐射噪声影响的海洋环境噪声空间相关性.结果表明:船舶距离较远(10 km)时其辐射噪声会导致500 Hz以下的海洋环境噪声的空间相关性提高,而对500 Hz以上噪声的空间相关性没有影响;船舶距离较近(≤10 km)时,船舶辐射噪声会导致500 Hz以下的海洋环境噪声相关系数振荡变化,噪声空间相关性曲线在噪声信号声程差相差四分之一波长时出现第一个零点,对500 Hz以上的海洋环境噪声则会引起噪声能量升高,噪声的空间相关性也相对提高.基于现有理论,分别讨论了远距离船舶和近距离船舶产生的噪声场声学特性,对两种噪声场的海洋环境噪声空间相关性进行了合理的解释.     

西沙北部海域海洋环境噪声频谱特性

Ambient noise is very important in the prediction system of a sonar performance, because it determines the detection ranges always in a passive sonar and usually in an active sonar. In the uncertainty issue for the so-nar performance, it is necessary to know this factor＇s statistical characteristics that are only obtained by data processing from the underwater ambient noise measurements. Broad-band ambient noise signals from 16 hydrophones were amplified and recorded for 2 min every 1 h. The results show that the ambient noise is essentially depth independent. The cross correlation of the ambient noise levels （1, 6 and 12 h average） with a wind speed is presented. It was found that the correlation is excellent on the upper frequency band and the noise levels correlate better with high wind speed than with low wind speed.     

星载微波散射计海面风场与海洋环境噪声的相关特性分析

根据海洋环境噪声机理及风关噪声已有的研究成果,提出利用星载微波散射计反演的海面风场数据进行海洋环境噪声分析,并对HY-2A和ASCAT数据与噪声谱级的相关性进行了对比分析。选取南海海域作为研究区,利用潜标测量系统获取的噪声数据和多源散射计风场数据开展了相关实验,并采用NCEP海面风场数据进行对比分析。结果表明,ASCAT数据与噪声的相关性优于HY-2A,散射计数据优于NCEP数据,散射计风场更适合海洋环境噪声的分析研究。该研究内容拓展了微波散射计风场数据的应用领域,并为海洋环境噪声研究提供了更好的技术手段。     

Using ocean ambient noise for array self-localization and self-synchronization

Estimates of the travel times between the elements of a bottom hydrophone array can be extracted from the time-averaged ambient noise cross-correlation function (NCF). This is confirmed using 11-min-long data blocks of ambient noise recordings that were collected in May 1995 near the southern California coast at an average depth of 21 m in the 150-700 Hz frequency range. Coherent horizontal wavefronts emerging from the time derivative of the NCF are obtained across the array's aperture and are related to the direct arrival time of the time-domain Green's function (TDGF). These coherent wavefronts are used for array element self-localization (AESL) and array element self-synchronization (AESS). The estimated array element locations are used to beamform on a towed source.     

Vertical directionality of ambient noise at 32°N as a functionof longitude and wind speed

Measurements of the ambient-noise field between 50 and 300 Hz with vertical arrays at 32°N (124°W, 136°W, and 150°W) have been made. Substantial differences in the vertical distribution of noise have been measured (especially at the higher frequencies), which can be interpreted in the context of attenuation by seawater sound absorption of coastal shipping noise. Under low wind-speed conditions, the vertical distribution of ambient noise is clearly concentrated within approximately ±15° of the horizontal. High wind speed has the effect of filling in the higher vertical angles, while leaving the level within the low-angular region unchanged     

Effects of sediment properties on surface-generated ambient noise in a shallow ocean

Surface-generalized ambient noise in a shallow ocean waveguide with a sediment layer possessing a specific class of density and sound speed distributions capable of describing a realistic seabed environment is considered in this analysis. This class of non-uniform sediment layer has the density and sound speed distributions varying with respect to depth as a generalized-exponential and an inverse-square function, respectively. The study invokes a formulation developed by Kuperman and Ingenito (Kuperman, W. A., Ingenito, F., 1980. Spatial correlation of surface-generated noise in a stratified ocean. J. Acoust. Soc. Am., 67, 1988-1996.) for surface noise generation, in conjunction with the analytical solutions for the Helmholtz equation corresponding to the sediment layer, to arrive at an analytical expression convenient for numerical implementation. The intensity and spatial correlation of the noise sound field are analyzed with respect to the variation of the system parameters, including frequency, sediment layer thickness, sound speed gradient, with emphasis on the effects of sediment properties on the ambient noise field. The results have demonstrated that the intensity of the noise field is relatively sensitive to the variation of the parameters, but the spatial correlation is affected to a less extent, suggesting that the energy distribution, rather than the spatial structure, of the noise field is more susceptible to the environmental variations.     

基于ASCAT 散射计数据的2013 年南极周边海面风速特征分析

利用2013年1月1日~2013年12月31日的ASCAT散射计风速数据,从海面风速季平均分布特征、平均海面风速特征、海面风速大于10 m/s发生比例统计等方面,对55°S以南的南极周边海域开展了风速空间分布特性统计,得到以下结果:7月平均风速最大,为12 m/s,1月平均风速最小,为8 m/s。对于南极周边海域,区域平均风速主要在9~12 m/s,全年出现的时间大于280 d,约占全年的77%。风速大于10 m/s所占比例4~9月大于1~3月和10~12月。从全年来看,南极周边海域在4~9月风速普遍较大,且0°~60°W海域内风速明显比其他海域要小。在此基础上将2013年每日的区域平均风速与月平均风速与2012年做了对比,变化趋势与2012年基本一致。通过本项长期工作,可以了解南极风场环境基本情况,建立与更新基础资料和图件,得到南极地区风场要素时空分布、变化规律,服务于南极科学考察、全球变化等多学科研究应用。     

高风速下海面阻力系数的研究

利用由于海面摩擦造成的台风角动量的损失，推算出高风速下的海面阻力系数．高风速条件下的阻力系数迅速增大，与风速的平方成正比．此结论对于研究高风速下的海浪、风暴潮有着实际意义．