风成海洋环境噪声的形成机理及实验研究

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风成海洋环境噪声是海洋环境噪声的重要组成部分,它是海气界面的动力过程在水下激发的噪声。研究风成海洋环境噪声的形成机理、分析总结风成海洋环境噪声的时空统计特性,对于海洋噪声预报、海洋参数反演、台风的声学观测等方面都有着非常重要的理论和现实意义。  风成海洋环境噪声的理论研究主要包括水下噪声模型和风成噪声的源级模型。前者从波动理论和射线理论等方面研究无限大平面上噪声源的声场传播,主要分析接收声场的相关性、指向性和阵增益;后者从风成噪声的物理成因出发,研究风成噪声的能量传递机理,利用气泡、波浪等海面动力因素的发声过程,探讨和建立风速和风成噪声级的关系。但是,通过与风成噪声的实验数据对比显示,对于频段在几百赫兹以上和几十赫兹以下的风成海洋环境噪声,目前的理论研究还很难实现对噪声谱斜率和强度的预报。  针对风成海洋环境噪声的形成机理,本文提出了一种基于气泡振动的噪声模型和一种基于波浪运动的海面波浪谱。通过对深海噪声实验数据的分析,给出了风成噪声的时频、统计特性,分析了噪声级与风速、频率的关系,验证了理论模型的有效性。  首先,本文在气泡振动理论的研究基础上,提出了任意形状气泡云内的气泡振动发声模型,分析了气泡的分布与风速和空气卷入量的理论关系,通过基尔霍夫积分公式给出了任意形状的气泡云内声压辐射的理论解,考虑了气泡云内大量气泡对声波的吸收,根据分层海洋中表面声源传播理论给出了面源的传播损失,推导了接收噪声级的理论解,并给出了模型的敏感性分析。理论分析显示,气泡云内的振动气泡在辐射声波的过程中,气泡云内外介质的阻抗不同会影响声波的吸收和透射。当风速增大时,水下卷入的气泡增多,深度变大,辐射噪声级增大。  其次,分析了台风过境对中国南海深海水下环境噪声的影响,比较台风内部结构与噪声级起伏变化的对应关系,给出了深海水下噪声级在台风过境时与频率和风速的关系。结果表明:水下噪声级与台风的风眼、眼壁、雨带和外区的距离有关,风眼和外区到达时的噪声级较小,眼壁和雨带到达时噪声级较高。在0.5-4kHz的频段内,实测的风成噪声强度正比于频率的-1次方。理论实验对比显示,基于气泡振动的噪声模型可以在0.5-4kHz的频段内实现对深海风成噪声谱的有效预测。与国际上的相关权威文献结果对比显示,我们的实测数据与该类文献结果较为一致。  最后,分析了海面波浪谱对深海低频噪声的影响,结合实测噪声数据,给出了低频海洋环境噪声的时频、统计特性,比较了声压、振速的强度与风速、频率的关系,以及不同海域的统计结果。结果表明:低频噪声级不仅与波浪谱的幅度有关,也与波浪的波数和群速度有关。本文提出的波浪谱在重力波频段与经典谱一致,在较高频段能对噪声的统计结果实现较好地预测。实测噪声谱在1-100Hz的频段内近似呈倒“N”型分布,噪声谱的谷值和峰值分别分布在3Hz和50Hz的频率附近。5Hz以下的实测声压级与风速存在明显的相关性,振速对应的频率可达10Hz,频率越低,相关性越高,并且相比水平振速,垂直振速的相关性较高。
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