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1、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： 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
2、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
3、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1001000Hz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
4、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2R0-5Pa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120130dB但就某一频率而言其动态范围在 4060dB在低频段，一 般下降较陡，每倍频程下降310d
5、B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 6080dB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，
6、有时才看到连续谱上加有突出的线谱，这是一种复合谱。的dl Ej*沁Ion*FbWqLHK-R l*U |Lf 呵 tonBad4qw*ri fUlk In taiLlaUM rd I rrsrrii WfrWIKli *F 111 kN1 Ah Hl ytaaM &fclc MMlpqpkM* btflr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
7、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
8、定关系的正弦信号之和，并通过对各个正弦信号的研 究来了解复杂信号的频率成分和幅值。信号频谱分析是采用傅立叶变换将时域信号 X(t)变换为频域信号X(f)，从 而帮助人们从另一个角度来了解信号的特征。时域信号x(t)的傅氏变换为：X f xte 叫t(1)式中X(f)为信号的频域表示，x(t)为信号的时域表示，f为频率。用傅立叶变换将信号变换到频率域，其数学表达式为：b?sin 4 n-t-ai sin 2 ntb sin 2 nta? sin 4 nt2C0Cn cos 2 mf0t fnn 1用Cn画出信号的幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特征。三、实验内容与要求1、实验内容(1) 使用已经
9、有采集完成的噪声信号数据，海上测量工作可以不必进行(2) 对各种不同的海洋环境噪声进行谱分析。2、实验要求 使用MATLAB寸已录制的各种噪声信号(船舶噪声)进行频谱分析，并画出 分析结果的功率谱曲线。(2) 从传播噪声的谱分析中，取几组特征声线谱进行分析。(3) 利用时-频分析处理方法对测量结果各谱线的谱特性进行讨论，并分析其产 生的原因。六、数据记录实验四ADCP原理及数据处理方法一、实验目的1、了解声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler ，ADCP 基本的工作原理和使用方法；2、掌握对ADCF实测数据的基本处理方法并作图实现；、实验仪器声
10、学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler ，ADCP、计算机 三、实验原理声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiler）（图1）的英文缩写为ADCP它是近十多年才发展和应用的一种快速、经济、有效的高精度 测流仪器。该仪器自20世纪90年代初被引进我国，至今已在我国的河流、湖泊、海洋等的水体流量测验中广泛应用，特别是在潮汐河段的水文测验中应用较多。图1声学多普勒流速剖面仪ADCP安装在特制的船上（图2），每个ADCP配有 4个换能器（图3），换能 器与ADC轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接收器。
11、换能器发射的声 波能集中于较窄的范围内，也称为声束。换能器发射固定频率的声波，然后聆听 被水体中颗粒物散射回来的声波。 假定颗粒物的运动速度和水体流速相同， 当颗 粒物的运动方向接近换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率高；当颗粒物的运动方向背离换能器时，换能器聆听到的回波频率比发射波的频率低。 声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式确定：VFd 2Fs（ 1）C（1）中：Fd为声学多普勒频移；Fs为发射声波频率；V为颗粒物沿声波方向的移动速度；C为声波在水中的传播速度。2为系数，因为ADCP既能发射声波又能接 受回波，因此多普勒频移加倍图2四声束ADCP换能器分布及编号示
12、意ADCP每个换能器轴线即为1个声束坐标，每个换能器测量的流速是水流沿其 声束坐标方向的速度，任意3个换能器轴线即组成一组相互独立的空间声束坐标。 此外，ADCP自身定义有直角坐标系：X-Y-Z。Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP 首先测出沿每一声束坐标的流速分量，然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转 换关系，将声束坐标系下的流速转换为 X-Y-Z坐标系下的三维流速，再利用罗盘 和倾斜仪提供的方向、倾斜数据将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的 流速。而利用四个波束测量，增加了测量信息量，使流速测量的短期精度比采用 三波束提高了 25%，其对称性，能够有效地消除由于船只横摇和纵
13、摆引起的流速 测量误差。图3 ADCP原理流程图四、实验内容1 、通过Matlab作图给出测量过程中测量地形深度与行船轨迹变化关系;2 、通过Matlab作图给出测量过程中行船轨迹上各店流速矢量分布图；3 、通过Matlab作图给出某一测量断面全海深流速分布图；五、实验步骤1、通过Matlab编程三选二实现上述实验内容。六、数据记录无实验五硬底均匀浅海声场建模研究、实验目的1. 掌握利用简正波方法计算对典型浅海声场进行建模仿真；2. 掌握利用Matlab编程实现对单频声信号传播损失的计算;、实验仪器计算机 三、实验原理把浅海看做硬质海底，水深为常数和声速均匀的水层，是一简化了的浅海模 型。运用
14、波动声学方法对简化浅海模型的分析，将得到有用的结论和了解浅海声 传播的物理现象。z0=20mz2=40m50m1km*Z图1硬底均匀浅海声道把浅海看作硬质海底，水深为常数和声速均匀的水层，是一简化了的浅海模 型。运用波动声学方法对简化浅海模型的分析，将得到有用的结论和了解浅海声 传播的物理现象。如图1仿真环境所示，若有一声速c=c。、水深z=H的均匀水层，z=0为海表 面，海表面为一自由平整界面，z=H为一完全硬质海底，点声源位于 r=0、z=zo 处。在该环境下，层中声场应满足非齐次赫姆霍兹方程，可写为：2(1)p 22kp4 nArrzro为点源的位置r=Or+zoz，r和z为单位矢量。S
15、 （r ro）为三维狄拉克函数,定义为:r r0 dVV1r0包含在体积V内0 r0包含在体积V外(2)在圆柱对称情况下，体积分选成圆柱对称形式，则:(3)r r0 2 n drdzV为了满足上式，把S （r r。）选为:r(4)令A=1，式（1）可写成:2p2r2p2zk0p2一 r zzr(5)令 p r,zRn r Zn z代入上式，经分离变量后得:Znd2Rndr21 d2Rn厂Rn灼 koZndrdz2r zZ0r(6)若Zn( Z)满足n2，其中k0为常数值，可得到Zn(Z)所满足的微分方程:d2Zn dzr2C0(7)公式(7)的解需要满足正交归一化条件:HZn z Zm01 zdz0(8)Zn(Z)被称为本征函数。从公式(7)可以看到,可以令解Zn(Z)等于ZnAn s
