水声学第八章 水下噪声
水下噪声
远处航船的辐射噪声—水平指向性。
注意：
工程上通常将海洋环境噪声视为各向同性的，便于信号处理。
水声学 第7章 水下噪声 12
7.2 海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，是水声信道的一种干扰背景。 研究环境噪声的目的： 研究噪声场的时空统计特性与环境因素之间的依赖关系，找出 其规律，预报NL值，为声呐设备设计、研制提供必要的数据；
（3）平稳随机过程： p1，t p1，t 结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关。
水声学 第7章 水下噪声 3
7.1 噪声的基本概念
1、噪声描述
短时间内水中噪声可视为平稳随机过程，且噪声声压服从高 斯分布，称为高斯噪声，其概率密度函数为：
p
其均值和方差：
环境噪声与环境条件密切相关，如风速等自然条件。
水声学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第7章 水下噪声
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7.2 海洋环境噪声
1、深海中的环境噪声源
从低频到高频次序讨论噪声源及其特性：
（1）潮汐和波浪的海水静压力效应 潮汐和海面波浪是引起海洋内部海水静压力变化的原因， 是低频噪声源。 （2）地震扰动 地震扰动是海洋中的极低频噪声源。 地震扰动在海水中产生的压力：
7.2 海洋环境噪声
3、自然噪声间歇源及其变化特性
（1）间歇源的噪声源 一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋生物、降雨等。 海洋生物噪声：
甲壳类、鱼类和海生哺乳类—特殊鸣声、嘈杂声等；
降雨噪声： 提高自然噪声级，与降雨率和降雨面积有关。
水声学
第7章 水下噪声
《水声学》部分习题答案
线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，
rR<rn，所以混响是主要干扰。
声信号级
回声信号级
混响掩蔽级
噪声掩蔽级
rR rn
距离r
6 工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为 1000Hz，且探测沉底目
标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工
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8
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哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成 表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早 晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说明声波在深海声道中远距离传播的
7
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第 4 章 典型传播条件下的声场
1 邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大小如何？会聚增益是如何定义的？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
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6
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一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
水下振动,噪声及相关问题研究
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➢海洋上有涌浪起伏的海面，下有凸凹不平的 海底；海水中各点处的声速，受该点处温度、 盐度、和压力的影响而不同：
➢ 温度每增加1℃，声速增加4.2m/s. ➢ 盐度每增加1‰, 声速增加1.3m/s. ➢ 压力每增加1atm.声速增加0.17m/s.
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声波的传播方式图
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➢声纳是一种可用来进行水下 探测、导航、定位的设备， 它利用声波作为信息载体， 实现对水下目标信息的主动 或被动感知；
➢既服务于不同的海洋活动， 也同时受制于复杂的海洋环 境条件。
➢利用声的传播规律，也可以通过反演，获
得介质及海底海面环境条件。
➢；
测深仪、 测冰仪、 旁侧声纳
海洋层析 术、大洋 测温计划
海底堪探、 海底底质 参数测量
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大洋测温布置图
★
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简正波群速度随频率变化图
c 前三阶简正波群速度 u(i) 与相速度 (i)与频率的关系
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深海声传播衰减规律图
声道中不同深度接收时声强与距离的关系
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舰船水下噪声测量 标准
舰船水下噪声测量标准
舰船水下噪声测量是一项重要的技术，可以用于评估舰船的隐蔽性能和潜艇的探测能力。
为了保证测量结果的准确性和可比性，国际上制定了一系列的标准和规范，下面将对其中几个常用的标准进行介绍。
1. ISO 17208-1：这是国际标准化组织（ISO）发布的舰船水下噪声测量标准之一，主要用于评估商用船舶和海洋工程设施的水下噪声水平。
该标准规定了测量方法、测量设备、数据处理和报告等方面的要求，同时还提供了一些参考值和建议。
2. MIL-STD-740：这是美国国防部发布的军用舰船水下噪声测量标准，适用于评估军用舰艇的水下噪声水平。
该标准要求测量设备必须符合军用标准，同时还规定了测量方法、数据处理和报告等方面的要求。
3. ANSI/ASA S12.64：这是美国声学学会（ASA）发布的舰船水下噪声测量标准，适用于评估商用船舶和军用舰艇的水下噪声水平。
该标准要求测量设备必须符合声学学会标准，同时还规定了测量方法、数据处理和报告等方面的要求。
除了上述标准外，还有一些国家和地区制定了自己的舰船水下噪声测量标准，如英国的DEF STAN 00-35和中国的GB/T 18388等。
这些标准在测量方法、测量设备、数据处理和报告等方面可能存在一些差异，但都致力于提高测量结果的
准确性和可比性，为舰船水下噪声的研究和评估提供科学依据。
主动声纳方程期末总结-水声学讲义
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
目标强度参数定义 刚性大球目标强度计算理论推导 常见声纳目标的目标强度值和特性 目标强度测量方法 目标回波组成及其特征 壳体目标的回波信号特征
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作业点评
聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？ 举出二个F>1的场合。
解：聚集因子 F Ix, z/ I0 ，其中I是非均匀介
质中的声强，I0是按球面波衰减的声强，若 F>1，表示该处衰减小于球面波规律，反之， 则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区和焦 散线上F>1。
声信号级
回声信号级 混响掩蔽级 噪声掩蔽级
rR rn
距离r
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作业点评
第四章
声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们 之间的规律。
海水中声速值从海面的1500m/s均匀减小到100m深处 的1450m/s。求（1）速度梯度；（2）使还表面的水平 声线达到100m深处时所需要的水平距离；（3）上述 声线到达100m深处时的角度。
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第六章 声波在目标上的反射和散射
本章主要内容
刚性球体散射声场计算及其特性 弹性球体散射声场计算 弹性球体散射声场特性 求解散射声场的理论方法
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华北理工水声学讲义07水下噪声
第7章 水下噪声本讲主要内容1、噪声的基本概念（了解）2、海洋环境噪声（了解）3、海洋环境噪声的指向性（重点）4、舰船辐射噪声的声源级和噪声谱（了解）5、舰船辐射噪声源及其一般特性（重点）6、辐射噪声源概要（了解）7、舰船、潜艇、鱼雷的辐射噪声级（了解）8、辐射噪声的测量（重点）一、噪声的基本概念1、噪声的定义：是指在特定条件下不需要的声音。
2、水下噪声：它们是声呐系统的主要干扰背景之一，限制装备性能。
3、噪声描述噪声是一种随机过程描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布函数。
一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。
其均值和方差：常识：一般将水声干扰噪声视为高斯噪声。
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。
4、噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。
()()222p e 21p σμ--πσ=Φ()()()()⎰⎰∞∞-∞∞-Φμ-=μ-=σΦ==μdp p p p pdp p p 222()()()()()⎰⎰∞∞-ωτ--∞→ττ=ωτ-⋅=τd e R S dt t p t p T 21lim R j T T T根据信号频谱曲线形状划分：1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号的频谱就是线谱信号；2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号的频谱就是连续谱。
声强平均频谱密度： 声强频谱密度函数：带宽内的总声强：提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
水下振动噪声及控制技术绪论PPT课件
• 随着近代工业的迅猛发展，噪声污染越 来越严重，已成为一种公害。控制噪声 污 染 、 保 护 环 境 已 成 为第人6页们/共的56页共 识 。
噪声的评价方法
声压、声强和声功率
声波引起空气质点的振动，使大气压力产生压强的波 动称为声压，亦即声场中单位面积上由声波引起的压力增 量为声压，其单位为N/m2，简称帕（帕斯卡），符号为Pa。 通常都用声压来衡量声音的强弱。
• 暂时听阈偏移，亦称听觉疲劳。 • 听觉疲劳时，听觉器官并未受到器质性损害。 • 如果人们长期在强烈的噪声环境中工作，日积月累，内膜器官不断受噪声
刺激，恢复不到暴露前的听阈，便可发生器质性病变，成为永久性听阈偏 移，这就是噪声性耳聋。
第32页/共56页
听力损失
国际标准化组织(ISO)于1964年规定，在500Hz、1000Hz、 2000Hz三个倍频程内听阈提高的平均值在25dB以上时，即 认为听力受到损伤，又叫轻度噪声性耳聋。按照听力损失 的大小，对耳聋性程度进行分级，见表2-1。
噪声分析的基本知识
音调是人耳对声音的主观感受。（宫 商 角 徵 羽） 试验证明，音调的高低主要由声源振动的频率决定。 由于振动的频率在传播过程中是不变的，所以声音的频 率指的就是声源振动的频率。 声音按频率高低可分为次声、可听声、超声。
第20页/共56页
噪声分析的基本知识
• 次声是指低于人们听觉范围的声波，即频率低于 20Hz；可听声是人耳可以听到的声音，频率为2020000Hz；
• 当声波的频率高到超过人耳听觉范围的极限时，人 们观察不出声波的存在，这种声波称为超声波。
• 噪声控制中研究的是可听声，在噪声控制这门学科 中，通常把500Hz以下的称为低频声，
水声学原理
水声学原理
水声学是研究水中声波传播和水中声学现象的学科，它涉及到声波在水中的传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
水声学原理是水声学研究的基础，对于理解水声学的相关知识具有重要意义。
首先，我们来看一下水声学原理中的声波传播特性。
声波是一种机械波，它是由介质的微小振动引起的，能够传播能量和信息。
在水中，声波的传播速度约为1500米/秒，远远快于空气中的声波传播速度。
这是因为水的密度比空气大，声波在水中传播时受到的阻力较小，传播速度较快。
此外，水中的声波传播距离也比空气中的远，这是由于水的吸收和散射特性导致的。
其次，声波的产生和接收也是水声学原理中的重要内容。
声波的产生可以通过声源来实现，比如声纳、声呐等设备可以产生声波并将其传播到水中。
而声波的接收则需要利用水下声学传感器来实现，这些传感器可以将声波转化为电信号，并进行相应的处理和分析。
通过声波的产生和接收，我们可以获取水下的信息，比如水下地形、水下目标等。
最后，水中声场的特征也是水声学原理中的重要内容。
水中声场是指水中的声波分布情况，它受到水下地形、水下目标等因素的影响。
水中声场的特征可以通过声纳、声呐等设备进行测量和分析，从而获取水下环境的信息。
水中声场的特征对于水下通信、水下导航等应用具有重要意义。
总结一下，水声学原理涉及到声波传播特性、声波的产生和接收、水中声场的特征等内容。
通过对水声学原理的研究，我们可以更好地理解水下环境，并应用于水下通信、水下探测等领域。
希望本文能够对水声学原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
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2020/10/17
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舰船辐射噪声源及其一般特性
机械噪声 结论： （1）舰船辐射噪声为强线谱加弱连续谱的迭加， 与舰船航行状态及机械工作状态密切相关，一 般较复杂、多变； （2）机械噪声是舰船辐射噪声低频段主要成分。
ppdp 2 p2pdp
提示：水下噪声研究中经常将某一类干扰假定为高斯 噪声。
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、 数学期望、方差、相关函数、功率谱。
白噪声
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变 换即为功率谱密度函数：
Rlim1 T ptpt T2T T
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噪声的基本概念
水下噪声的指向性特性 水下噪声具有指向性 原因：噪声源具有指向性、噪声源空间分布、海 洋传播条件等。 提示：工程上将噪声视为各向同性的，便于处理。 常识：海面噪声（风浪噪声）—垂直指向性； 远处航船的辐射噪声—水平指向性。
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海洋环境噪声
海洋环境噪声也称自然噪声，研究环境噪声的 目的：解决NL及其时空统计特性与环境因素之间的 依赖关系，找出其规律，并由此作出必要的预报， 为声纳设备设计、制作提供必要的数据。 深海中的环境噪声源 从低频到高频次序讨论噪声源及其特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 行船 行船是50Hz~500Hz频率范围内的主要噪声源， 与风和天气无关。 海面波浪 海面波浪噪声是500Hz~
25000Hz频率范围内的噪声 源，与海况直接相关。
Kundson海洋环境噪声谱
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 热噪声 海洋分子的热噪声限制水听器的高频灵敏度， 等效热噪声谱级：
舰船辐射噪声声源级 在远场测得噪声级后，再修正传播损失，归算到 离声源声中心1米处，并计算出1Hz带宽内的声 强，则声源级（谱级）为：
SL10lg IN
I0f
式中，f 是换能器工作带宽， I 0 为参考声强，I N
为距声源声中心1米处的噪声声强。
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舰船辐射噪声的声源级和噪声谱
第八章 水下噪声
本章主要内容
噪声的基本概念（了解）
噪声是一种随机过程 噪声的频谱分析 水下噪声的指向性特性
海洋环境噪声（了解）
深海中的环境噪声源 深海环境噪声谱 自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性 海洋环境噪声的振幅分布和空间相关
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本章主要内容
海洋环境噪声（了解）
目标（舰船、潜艇、鱼雷等）辐射噪声 它是被动声纳系统的声源，通过接收该噪声实现 目标检测。
水下噪声研究的意义（对抗与反对抗） 提高设备性能、提高自身隐蔽性
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程 描述噪声的统计量有：概率密度函数、概率分布
函数。 平稳随机过程 描述：如果一个随机过程经过时间平移后，其统计 特性保持不变，即
舰船辐射噪声的危害： 破坏了舰船的隐蔽性； 可能引爆某些水中兵器； 干扰本舰的水声设备（自噪声）。
舰船、鱼雷辐射噪声特点 噪声源繁多、集中，噪声强度大，频谱成分复杂。
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舰船和鱼雷的辐射噪声
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舰船和鱼雷的辐射噪声
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舰船辐射噪声的声源级和噪声谱
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海洋环境噪声
深海环境噪声的指向性 深海自然噪声具有指向性：
低频噪声来自远处——水平指向性 高频噪声源来自顶部的海面——垂直指向性
提示：海面辐射噪声具有 cosm 的指向特性 （噪声源和海面上虚源干涉效应引起的）。
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舰船和鱼雷的辐射噪声
舰船、潜艇和鱼雷的辐射噪声是被动声纳系统赖以 探测、跟踪的信号。
螺旋桨噪声 螺旋桨噪声：螺旋桨空化噪声和螺旋桨叶片振 动辐射噪声。
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舰船辐射噪声源及其一般特性
螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 螺旋桨旋转时，叶片尖上和表面上产生空化。
Blade Tip Cavitation
Water Flow
Sheet Cavitation
Water Flow
dt
S Rejd
功率谱是均匀的噪声，则称之为白噪声。
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噪声的基本概念
噪声是一种随机过程
噪声声压有效值 p e
定义：等于介质阻抗为单位值时平均声强 I 的平
方根。
如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则 它的方差便等于平均声强：
I2 p2(p)dp
I2lim 1 T/2p2(t)dt T T T/2
2020/1Leabharlann /1721海洋环境噪声
深海环境噪声谱 工程上，为预报海洋环境噪声级，需要不同条
件下的平均典型自然噪声谱，见下图。 图中画出了不同航 运和风速条件下的预报 用曲线。使用时，选择 适当的航运和风速条件 曲线，和相邻频段的曲 线连接起来，近似地预 报自然噪声谱。
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潮汐和海面波浪是海洋内部海水静压力变化的 原因，它们是低频噪声源。
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海洋环境噪声
深海中的环境噪声源 地震扰动 地震是海洋中的极低频噪声源。 海洋湍流 湍流产生噪声的方式： 湍流使水听器、电缆等颤动或作响——自噪声 （不是自然噪声）； 湍流压力变化辐射噪声——四极子源，随距离 迅速衰减，不是主要源；湍流区内部压力的声 效应。海洋湍流是海洋中的低频噪声源。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 深海环境噪声谱的例子
如右图，谱由斜率不同的 五部分组成，解释如下：
1）1Hz以下，这段谱至今 还不为人所知。估计该噪 声来源于海水静压力效应 或是地球内部的地震扰动。
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海洋环境噪声
深海环境噪声谱 2）谱斜率为-8~-10dB/倍频 程，与风速仅有很微弱的关 系，最可能的噪声源是湍流。 3）自然噪声谱变平，远处 行船是主要噪声源。 4）具有-5~-6dB/倍频程，噪 声源是不远处的粗糙海面。 5）海水介质分子热运动噪 声，谱线斜率为6dB/倍频程。
p 1 ,t p 1 ,t
则称这过程为平稳随机过程。 提示：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关，为
处理上的方便，往往把水中噪声视为平稳随机过程
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噪声的基本概念
高斯噪声 若噪声的声压概率密度函数表示为：
p 1 ep222
2 上述概率密度函数为高斯分布，相应的噪声称为高斯 噪声。其均值和方差为：
海洋环境噪声
自然噪声的间歇源及自然噪声的变化特性
间歇源的噪声源
1）它是一种暂时存在的噪声源，如能发声的海洋 生物、降雨等。
2）海洋生物：甲壳类、鱼类和海生哺乳类——特 殊的鸣声、嘈杂声等；
3）降雨：提高自然噪声级，与降雨率和面积有 关——在1kHz~10kHz频段接近于白噪声。
变化特性
自然噪声具有易变性。产生原因：噪声源的易变 性和传播条件的改变。
(d)siknd /kd
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海洋环境噪声
海洋环境噪声的振幅分布和空间相关
Cron和Sherman研究了具有 cosm 指向性的 单频噪声源构成的界面噪声场的相关系数。 （B. F. Cron, C. H. Sherman. Spatial-correlation
functions for various noise models. J. Acoust. Soc. Am.,1962,34(11))。
lim pe I
1 T/2p2(t)dt T T T/2
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确 定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义； 随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反 映了该过程的各频率分量的平均强度。
根据信号频谱曲线形状划分： 线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周 期、准周期信号的频谱就是线谱信号； 连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬 态非周期信号的频谱就是连续谱。
2020/10/17
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析
声强平均频谱密度
Si
Ii fi
声强频谱密度函数
SflimIi dI
f fi0 i df
带宽内的总声强：I f2 Sf df f1
提示：连续谱某确定频率分量上的声强贡献无限小。
2020/10/17
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噪声的基本概念
噪声的频谱分析 海洋环境噪声级
2020/10/17
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舰船辐射噪声源及其一般特性
机械噪声 机械噪声是航行或作业舰船上的各种机械的振 动，通过船体向水中辐射而形成的噪声。 产生机理： （1）不平衡的旋转部件（电机电枢等）； （2）重复的不连续性（齿轮、涡轮机叶片等）； （3）往复部件（汽缸的爆炸）——产生线谱噪声， 其成分是振动基频及其谐波分量
2020/10/17
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舰船辐射噪声源及其一般特性
螺旋桨噪声 螺旋桨空化噪声 1）空化噪声产生条件：航速大于舰船临界航速。
2020/10/17
N L10 lgIN/I0
假设水听器工作带宽内噪声谱为 S(f ) 、且其响应 是均匀的，则有：