水声探测技术实验指导书三五样本.docx

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水声探测技术实验指导书三五样本

实验三海洋环境噪声测量及频谱分析

本实通过对既有舰船辐射噪声采集数据进行解决，得到某一实验过程海洋环境噪声分布规律，并将所得成果作图表达。

一、实验目

1、理解以舰船辐射噪声为代表海洋环境噪声基本特性。

2、掌握基本时-频解决办法。

3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定实际训练。

二、实验仪器

计算机

三、实验原理

1、海洋噪声来源

海洋噪声来源是多方面，总归纳起来有几大类：

（1）动力噪声：

由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起压力起伏，以及海浪拍岸噪声，雨噪声等。

（2）冰下噪声：

由冰层运动引起碰撞、摩擦和破裂噪声，以及不平整冰层表面与大气、海流互相作用噪声。

（3）生物噪声：

由海洋动物所引起各式各样声音。

（4）地震噪声:

由地震、火山爆发以及海啸产生噪声。

（5）工业噪声：

由人类各种活动所引起噪声。

如船舶航行噪声，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频谱特性。

通过频谱分析，不但可以理解声源信息，如依照海洋噪声探测海上风浪状况，还可以依照海洋噪声场特性，提高水声器材抗干扰性能。

因而，有必要进一步理解水下噪声场谱特性。

2、船舰噪声谱特性

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起空化噪声、及它划水声和涡流声。

（3）水动力噪声：

水流过船壳产生摩擦声及附件产生共振辐射声音。

在多数状况下，机械噪声和螺旋桨噪声是重要。

图5-1是典型舰船噪声图谱。

在低频段，谱级随频率增高而增大。

在100~1000Hz之间浮现一种峰值，重要是由于空化噪声产生，峰值位置取决于舰船航速。

在此频段后来，以大概每倍频程6dB坡度下降。

此外还可以看到，在低频段浮现某些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”谱线，早高频端这些谱线被持续谱掩盖，因此从图上看不到。

图1典型舰船噪声图谱

对舰船噪声特性，普通可用它平均功率谱、线谱和“动态谱”来描述。

这些谱特性，对咱们检测和辨认舰船噪声提供了有用信息。

因而，测量和分析舰船噪声，结识它规律性，将有助于咱们设计最佳接受设备和鉴别舰船目的。

3、海洋噪声频谱特性

海洋噪声是由各种因素产生，并且受到许多因素影响。

它频谱很复杂，普通无法用一组简朴频谱曲线来描述。

图2汇集了对海洋噪声各种研究成果，普通称之为文兹谱级图。

纵坐标代表声压级（注意：

这里是以2×10-5Pa为参照值），横坐标使用对数刻度表达频率。

箭头所示频段为某类噪声源频谱范畴。

整个噪声级变化趋势是随频率增长而下降。

在1Hz到100kHz范畴内变化120~130dB，但就某一频率而言其动态范畴在40~60dB。

在低频段，普通下降较陡，每倍频程下降3~10dB。

在100Hz到20kHz范畴是当前水声工作中较惯用频段，它噪声级高达60~80dB，与风力大小关系关于。

低频段还与舰船噪声大小关于，普通随频率增长而下降。

在高频段热噪声，反而随频率增长而增强，每倍频程增大6dB。

标有圆圈数字一簇曲线，代表海面风速大小所相应噪声谱曲线。

圈内数字表达蒲氏风级，它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平均船舶噪声级概况。

它上面虚线为通过较频繁海区噪声频谱。

可看到海洋噪声是由许多频率和强度不同成分随机地组合。

在频谱上相应各频率成分紧密地连在一起，成为一条持续曲线，因此它普通是持续谱。

只有在接受船舶噪声时，有时才看到持续谱上加有突出线谱，这是一种复合谱。

图2文兹谱级图

4、频谱分析技术

人们都懂得，海洋噪声是一种随机过程。

描述它基本记录特性，重要由它功率谱密度函数和有关函数两方面来表征。

而有关函数富氏变换便是功率谱密度。

如果在海况和风力不变状况下，海洋噪声可以看作为一种平稳随机过程。

借助傅里叶变换，信号可以时间函数或频率函数两种形式描述，特别是周期信号和准周期信号（前者由一种基频成分和若干谐波成分，后者虽可分解为几种正弦分量，但它们周期没有公倍数），从频率域可以很清晰地理解它们由哪些正弦分量构成。

信号频谱可分为幅值谱、相位谱、功率谱、对数谱等等。

对信号作频谱分析设备重要是频谱分析仪，它把信号按数学关系作为频率函数显示出来，其工作方式有模仿式和数字式二种。

模仿式频谱分析仪以模仿滤波器为基本，从信号中选出各个频率成分量值；数字式频谱分析仪以数字滤波器或迅速傅立叶变换为基本，实现信号时-频关系转换分析。

    傅立叶变换是信号频谱分析中惯用一种工具，它把某些复杂信号分解为无穷各种互相之间具备一定关系正弦信号之和，并通过对各个正弦信号研究来理解复杂信号频率成分和幅值。

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），从而协助人们从另一种角度来理解信号特性。

时域信号x（t）傅氏变换为：

（1）

式中X（f）为信号频域表达，x（t）为信号时域表达，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：

（2）

用Cn画出信号幅值谱曲线，从信号幅值谱判断信号特性。

三、实验内容与规定

1、实验内容

（1）使用已有采集完毕噪声信号数据，海上测量工作可以不必进行。

（2）对各种不同海洋环境噪声进行谱分析。

2、实验规定

（1）使用MATLAB对已录制各种噪声信号（船舶噪声）进行频谱分析，并画出分析成果功率谱曲线。

（2）从传播噪声谱分析中，取几组特性声线谱进行分析。

（3）运用时-频分析解决办法对测量成果各谱线谱特性进行讨论，并分析其产生因素。

六、数据记录

无

实验四ADCP原理及数据解决办法

一、实验目

1、理解声学多普勒流速剖面仪（AcousticDopplerCurrentProfiler，ADCP）基本工作原理和用法；

2、掌握对ADCP实测数据基本解决办法并作图实现；

二、实验仪器

声学多普勒流速剖面仪（AcousticDopplerCurrentProfiler，ADCP）、计算机

三、实验原理

声学多普勒流速剖面仪（AcousticDopplerCurrentProfiler）（图1）英文缩写为ADCP，它是近十近年才发展和应用一种迅速、经济、有效高精度测流仪器。

该仪器自20世纪90年代初被引进国内，至今已在国内河流、湖泊、海洋等水体流量测验中广泛应用，特别是在潮汐河段水文测验中应用较多。

图1声学多普勒流速剖面仪

ADCP安装在特制船上（图2），每个ADCP配有4个换能器（图3），换能器与ADCP轴线成一定夹角，每个换能器既是发射器又是接受器。

换能器发射声波能集中于较窄范畴内，也称为声束。

换能器发射固定频率声波，然后聆听被水体中颗粒物散射回来声波。

假定颗粒物运动速度和水体流速相似，当颗粒物运动方向接近换能器时，换能器聆听到回波频率比发射波频率高；当颗粒物运动方向背离换能器时，换能器聆听到回波频率比发射波频率低。

声学多普勒频移，即发射声波频率与回波频率之差由下式拟定：

（1）

（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移动速度；C为声波在水中传播速度。

2为系数，由于ADCP既能发射声波又能接受回波，因而多普勒频移加倍。

图2四声束ADCP换能器分布及编号示意

ADCP每个换能器轴线即为1个声束坐标，每个换能器测量流速是水流沿其声束坐标方向速度，任意3个换能器轴线即构成一组互相独立空间声束坐标。

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一方面测出沿每一声束坐标流速分量，然后运用声束坐标与X-Y-Z坐标之间转换关系，将声束坐标系下流速转换为X-Y-Z坐标系下三维流速，再运用罗盘和倾斜仪提供方向、倾斜数据将X-Y-Z坐标系下流速转换为地球坐标系下流速。

而运用四个波束测量，增长了测量信息量，使流速测量短期精度比采用三波束提高了25％，其对称性，可以有效地消除由于船只横摇和纵摆引起流速测量误差。

图3ADCP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、实验环节

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

一、实验目

1.掌握运用简正波办法计算对典型浅海声场进行建模仿真；

2.掌握运用Matlab编程实现对单频声信号传播损失计算；

二、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水层，是一简化了浅海模型。

运用波动声学办法对简化浅海模型分析，将得到有用结论和理解浅海声传播物理现象。

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水层，是一简化了浅海模型。

运用波动声学办法对简化浅海模型分析，将得到有用结论和理解浅海声传播物理现象。

如图1仿真环境所示，若有一声速c=c0、水深z=H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=z0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：

（1）

r0为点源位置r0=0·r+z0·z，r和z为单位矢量。

δ（r－r0）为三维狄拉克函数，定义为：

（2）

在圆柱对称状况下，体积分选成圆柱对称形式，则：

（3）

为了满足上式，把δ（r－r0）选为：

（4）

令A=1，式

（1）可写成：

（5）

令

代入上式，经分离变量后得：

（6）

若Zn（z）满足

，其中

，ζn为常数值，可得到Zn（z）所满足微分方程：

（7）

公式（7）解需要满足正交归一化条件：

（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

0≤z≤H（9）

式中

，An和Bn为待定常数。

依照海面为自由界面和海底为硬质界面边界条件，Zn（z）应分别为满足Zn（0）=0和

，则得到：

Bn=0

n=1，2，3，…

kzn称为本征值，则解Zn（z）等于：

0≤z≤H（10）

把Zn（z）代入正交归一化条件（3-36）式中。

可决定常数

，于是有

0≤z≤H（11）

由于

，则

（12）

从上面推导中可以看出，ζn和kzn分别为波数

水平分量和垂直分量。

现把式（7）代入式（6）可得到函数Rn（r）所满足微分方程：

（13）

于是声压p（r，z）可以写成：

（14）

对于远离点源观测点ζnr>>1，依照汉克尔函数近似表达式：

（15）

由公式（15）可以看出，每一阶简正波是深度z方向作驻波分布、沿水平r方向传播波。

不同阶数n简正波其驻波分布形式不同。

四、实验内容

由公式

（1）-（15）推导过程，给出如图1仿真环境下100Hz声信号传播损失曲线，其中海深H=50m、声源深度z0=20m、接受深度z1=10m（z2=10m）、传播距离r=5000m。

五、实验环节

1、通过Matlab编程实现上述实验内容。

六、数据记录

无