海上降雨的水下噪声功率谱特征分析.pdf

第32卷第4期
应用海洋学学报
Vol, 32. No 4
2013年11月
Journal of Applied Oceanography
Nov.,2013
海上降雨的水下噪声功率谱特征分析
刘贞文2,文洪涛,牛富强,杨燕明,郑凌虹
国家海澣局第三海洋硏究所,福建厦」361005;2.国家海洋局海岛研究中心,福建平潭3504(0
摘要:海上降雨噪声是海洋环境噪声背景的重要河歇性噪声源.它的存在会严重降低许多水声设备
的检测效能.国内外对降雨噪声的产生机制及对降雨噪声与降雨类型的量化规律研究仍十分有限
为充分掌握降雨噪声的特性,首先从微观上综合分析了单个水滴落至水衝在水中辐射声音的机理,
总结了影响声音辐射的3个主要因素:水滴的粒径分布、水滴的终端速度和水滴的入射角度,阐述
了室内水滴实验与自然界实际降雨过程中辐射噪声信号的差异,指出了自然界降雨噪声的复杂性
其次从宏观角度建立了降雨强度与噪声功率语的联系,介绍了降雨强度与噪声功率谱的同步关联
方法;统计并提取不同降雨强度下的噪声功率谮类型,并依据谱分布初步分为3大类型,一是降雨
强度为0.1~4.0m/h的噪声功率谱,其特点是在频段13~25kHz之间存在較高幅度的谱峰;ニ
是降雨强度在4.0~18.0mm/h的噪声功率谱,其特点是除继续存在13~25kHz的谱峰外,烦段
10kHz的功率谱级也迅速増加;三是降雨强度大于18.0m/h的噪声功率语,其特点是在整
频带上语级都较高,比无雨时的背最噪声功率谱级增加了20~30dB
关鍵词:海洋声学;降甬;噪声;强度;功率谱
DOl:10.3969/J.ISSN.20954972.2013.04.008
中图分类号:P733.2
文献标识码:A
文章编号:20954972(2013)04050908
海上降雨会在海水中辐射声音“.它的存在统建立降雨噪声与降雨类型的内在规律上仍缺乏足
会极大地降低声呐的检溏能力,影响水声通信的应够的数据和方法支撑.而且,在降雨噪声产生机制
用频段和降低许多被动水声设备的工作性能.因此,上,虽然存在十多篇相关的理论研究或实验文献,但
它作为一个重要的间歇性干扰源出现在海洋环境噪缺乏将这些零星散落在各文献中的成果系统地综
声背景场中,被简称为降雨噪声.考虑未来的海战极合.国内对降雨噪声特性的研究亦劇起步一既对
可能是在恶劣天气(往往伴随疾风暴雨)下进行,究降雨噪声的机理了解有限,又缺乏实遡的降兩噪声
分掌握降雨噪声的特性,军事上有利于从海洋环境数据「2”.
噪声背景场中辦別干扰源,提升水声设备的作战效
因此,为促进对降雨噪声的掌握,本文首先尝试
能.此外,在民方应用方面,利用降雨噪声的特性,可从国外零散文献中综合分析丽滴辐射声音的机理
实现用水声技术监测浩瀚大洋上空的降雨,为全球其次,重点建立降雨噪声与降雨类型的量化方法及
气候变化研究提供海澣降廟数据s0
初步的内在规律性,为将来充分掌握降兩噪卢特性
二战之后,国外已认识到海上降雨噪声对声呐奠定基础
设备的影响,较地开展相关研究.研究工作主
要集中在3个方面:(1)丽滴落在水面在水中辐射
水滴辐射声音的机理
宽频带声音的现象掲示;(2)单个水滴辐射声音
水滴辐射声音现象
的机理实验观察1?;(3)降雨噪声与降雨类型的
通过在室内开展可控的单个水滴实验6,发
内在规律性探崇6”2.上述的研究成果促进了对现:水面降雨产生水中声音至少存在3种机制:首
降雨噪声的理解.由于受限于海上降雨噪声观测的先,水滴落至水面形成初始撞击声";其次,水滴在
诸多困难与数据获取的不确定性,已有的研究在系撞击水面后在水中产生气泡,气泡的振和破裂辐
收稿日期:201305-10
甚金项国;国家海洋局青年基金资助项日(201244);建省户然科学基金资助项目(2011J01272)
作者简介:刘贞文(1979~),男,副研究员,博十;E-mail:_zwy126.com
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射声音;第三,较大的水滴在撞击水面之后产生个声波脉神(撞击声);随后,水中的空腔闭合形成
飞溅,飞溅导致水滴的二次撞击并在水中辐射声气泡,气泡在自由水面上振荡构成一对偶极子声源
音1.因此,水滴落至水面后,通常会出现两类声音产生典型的有阻尼的正弦波
波形,如图1所示.具体地,初始的撞击总是产生
理论波形
S0.0
b.实测波形
0.5
0.0
400
时间/ms
图1单一水滴落在水面辐射的声音波形
Fig. I Schematic of the sound and the typical shape of the sound pressure produced
by a water droplet falling onto water surface
a:理论预测的波形?,b:实测的单个水滴落至水面的波形
水滴直径5.2mm,撞击水面速度6.8m/
1.2影响声音辐射的主要因素
亦随之大幅度降低.
撞击声的产生机制相对简单,而气泡共振声的幅1.3自然界降雨噪声的复杂性
度、频率不仅与气泡振荡有关,而且与形成气泡的机
室内人工水滴实验能够采用可控手段逐个观察
制紧密联系.研究表明,影响气泡形成的主要因素取单一水滴辐射声音现象,而自然界降雨落在海面上
决于容器中液体的粘度(或者表面张力)、水滴的粒产生的降雨噪声则复杂得多.因为,自然界的降雨类
径、水滴降落时的终端速度和人射倾角(人射倾角是型丰富,不同降雨条件的雨滴粒径分布差异较大,雨
指水滴撞击水面前一时刻与垂直方向之间的夹角).滴的终端速度不均匀,雨滴人射倾角易受到海面风
海水和淡水的表面张力差别较小(海水约场的扰动,所有这些影响因素直接导致了自然界降
0.075~0.078N/m,蒸馏水约0.073N/m).因此,雨噪声十分复杂
降雨期间作为液面的海水或淡水不是决定气泡形成
自然界降雨中,影响雨滴辐射声音的一个重要
的主要因素,而是水滴降落至水面时的物理状态、因素是雨滴粒径分布.一般情况下,自然界降雨中
Medwin等(1990)利用3种粒径水滴(0.83、0.91和雨滴的粒径介于0.5~7.0mm之间.通常,低层云
0.98mm)开展气泡形成与声音产生实验,指出:是以小粒径雨滴为主,即“毛毛雨”;积雨云存在较
水滴粒径越大,降落速度越快,产生气泡的概率越强的垂直气流,雨滴在落至水面之前会继续增大,形
大.此外,尽管在实验过程中水滴粒径和终端速度保成较大粒径的南滴
持不变,但若增加水滴的人射倾角,气泡的形成概率
自然界降雨中,影响雨滴辐射声音的另2个重
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