海上降雨的噪聲特性研究.pdf

1、海上降雨引起的噪聲信號(hào)（簡(jiǎn)稱降雨噪聲）是海洋環(huán)境噪聲背景場(chǎng)的一個(gè)重要干擾源，會(huì)極大地降低聲吶的檢測(cè)能力，影響水聲通信的應(yīng)用頻段和降低水聲設(shè)備的性能。考慮未來的海戰(zhàn)極可能是在惡劣天氣（往往伴隨疾風(fēng)暴雨）下進(jìn)行，充分掌握降雨噪聲的特性，不僅在軍事上有利于檢測(cè)海洋環(huán)境噪聲背景中的干擾源，提升水聲設(shè)備的作戰(zhàn)效能，而且在民用上可拓展應(yīng)用聲學(xué)方法監(jiān)測(cè)海上降雨的技術(shù)。近幾十年來，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家為了解釋降雨噪聲的產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)自然界的降雨噪聲開展了大量觀

2、測(cè)。前期的研究成果表明，降雨噪聲的功率譜分布與空中降雨強(qiáng)度大小息息相關(guān)。但是，由于受限于降雨噪聲的觀測(cè)和數(shù)據(jù)獲取的諸多困難與不確定性，現(xiàn)有的工作仍以揭示降雨噪聲現(xiàn)象、解釋水滴在水中輻射噪聲信號(hào)的機(jī)理為主，尚未從量化角度系統(tǒng)地建立降雨噪聲功率譜與降雨強(qiáng)度的內(nèi)在聯(lián)系。國(guó)內(nèi)對(duì)降雨噪聲特性的研究亦鮮有報(bào)道。因此，為深入掌握降雨噪聲的特性，本文從以下多個(gè)角度開展研究:(1)在收集和綜合各種文獻(xiàn)資料基礎(chǔ)上首次系統(tǒng)分析了水滴落至水面在水中輻射噪聲信號(hào)

3、的機(jī)理;(2)開展了降雨噪聲的多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量;(3)詳細(xì)分析了降雨噪聲的功率譜特征;(4)結(jié)合水聲傳播理論，創(chuàng)新性推導(dǎo)了降雨噪聲源強(qiáng)度的提取方法。通過這些研究，初步掌握了降雨噪聲的基本特性，為將來的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 論文的主要內(nèi)容包括:
　　 1.首次深入、系統(tǒng)地分析了水滴落在水面時(shí)在水中輻射噪聲信號(hào)的內(nèi)在機(jī)制。在綜合分析國(guó)內(nèi)外降雨噪聲相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，闡述了室內(nèi)水滴實(shí)驗(yàn)與自然界實(shí)際降雨過程中輻射噪聲信號(hào)的異同，

4、提出了降雨中影響噪聲信號(hào)輻射的三個(gè)主要因素:雨滴的粒徑分布、雨滴的終端速度和雨滴的入射角度。采用可控法在實(shí)驗(yàn)室水池中開展了人工水滴觀測(cè)和水滴撞擊水面時(shí)產(chǎn)生的噪聲波形與功率譜分析;
　　 2.從理論上推導(dǎo)了降雨噪聲觀測(cè)過程中水面有效測(cè)量面積的估計(jì)方法，設(shè)計(jì)了岸基和潛標(biāo)兩種形式的降雨噪聲觀測(cè)方案。開展了12次的野外降雨噪聲的觀測(cè)，獲取了約2000min的降雨噪聲數(shù)據(jù)，涵蓋了毛毛雨、中雨、大雨等不同類型的降雨條件(0-72mm/hr)

5、。闡述了降雨噪聲信號(hào)的提取方法、降雨噪聲的功率譜計(jì)算方法。研究了干擾噪聲的剔除方法、尤其是風(fēng)成噪聲功率譜的剔除方法。
　　 3.開展了降雨噪聲功率譜的定量分析。通過采用“時(shí)間一致”的原則，同步匹配了空中降雨強(qiáng)度與水下噪聲，提取了不同降雨強(qiáng)度下的典型的水下噪聲功率譜，建立起噪聲功率譜曲線類型與降雨強(qiáng)度的聯(lián)系。根據(jù)功率譜在頻帶1-30kHz的形狀，創(chuàng)新性地將降雨噪聲功率譜曲線分成三類:一是降雨強(qiáng)度為0.1-4.0mm/hr的噪聲功率

6、譜，在頻段13-25kHz時(shí)出現(xiàn)較高幅度的譜峰;二是降雨強(qiáng)度在4.0-18.0mm/hr的噪聲功率譜，除了存在頻段13-25kHz寬譜峰外，頻段2-10kHz的功率譜級(jí)迅速增加;三是降雨強(qiáng)度在18.0mm/hr以上（大雨或暴雨期間）的噪聲功率譜，頻段1-30kHz上的譜級(jí)都較高，比無雨時(shí)的背景噪聲增加了約20-30dB，且譜級(jí)具有負(fù)斜率趨勢(shì)。此外，通過各頻率點(diǎn)噪聲功率譜與降雨強(qiáng)度的相關(guān)性分析，表明，在1-30kHz的頻率分析帶寬內(nèi)，頻段

7、1-10kHz上各頻率對(duì)應(yīng)的功率譜與空中降雨強(qiáng)度的相關(guān)性最好。
　　 4.首次結(jié)合水聲傳播理論提出了海面降雨噪聲源強(qiáng)度的計(jì)算方法。在降雨噪聲研究文獻(xiàn)中，通常把水聽器接收到的降雨噪聲信號(hào)直接當(dāng)成水面降雨噪聲源信號(hào)，而極少考慮水面降雨噪聲源在水聲信道傳輸過程的聲能損耗，導(dǎo)致利用降雨噪聲功率譜反演的降雨強(qiáng)度公式的系數(shù)不能普遍適用。因此，針對(duì)不同海洋環(huán)境和不同接收深度下的降雨噪聲源強(qiáng)度歸一化問題，本文在綜合分析海面噪聲源模型、降雨噪聲源