台风激发水下声场特性研究

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风成噪声是海洋环境噪声的主要组成部分,对风成噪声的研究长期以来是水声学的重要研究领域之一。风成噪声场是大量随机噪声源产生声场的叠加,由海表面风速和海洋声传播环境共同决定。随着对风场描述的精细化,将海面风成噪声源看作等强度均匀分布声源的传统噪声模型很难精确计算更复杂的环境下的风成噪声场。  我国沿海地区饱受台风侵袭,台风监测和预警对于防范自然灾害尤为重要。在台风多发区域应用水下传感器长期持续监测水下噪声的变化可实现对台风的观测和预报,但目前有关台风和其产生水下噪声的理论研究不完善,且缺乏相关的实验数据的分析。  综合以上两点,需要对适用于噪声源强度非均匀分布问题的噪声模型和台风激发的水下噪声场特性进行研究。  首先,本文在现有台风风场模型的基础上,结合Wilson噪声源级模型,从简正波理论出发,推导了台风激发的水下噪声声强公式。由于考虑了风速在空间分布的不均匀性,本文得到的模型可处理噪声源强度非均匀分布的问题。讨论了台风内部结构对噪声谱级的影响,并给出了两种近似计算噪声声强的公式及其适用条件。通过不同波导环境下的数值仿真,将本文提出的噪声声强的数值解与两种近似解进行对比。此外,在本文噪声模型的基础上,讨论了噪声强度与频率和风速的关系。  其次,针对在我国南海海域进行的四次实验中观测到的噪声信号在台风经过时的实验现象,分析了台风在不同位置时对不同频率、不同接收深度的噪声谱级的影响。结果表明:台风经过时会使噪声级显著增加,且频率越高,谱级增加量越大,但台风对200 Hz以下的噪声级影响不显著。500 Hz以上噪声级随频率增高近似按照频率的p次方规律衰减,台风的远近对衰减指数影响很小:500Hz以下谱级随频率的对数非线性衰减,频率越高衰减量越小,且台风越近,谱级-频率曲线越趋近水平。在深海环境下300-1000米深度上,高频噪声谱级随深度变化不大;对于低频噪声,声道轴的会聚作用使得最深处的谱级略高于最浅处。台风的远近只影响谱级的绝对值,对其深度结构几乎没有影响。在实验中观测到了谱级-时间曲线的“双峰”和“单峰”结构。最后比较了四次不同海深的实测噪声谱级,结果表明,海深较深时,噪声谱级较低,海洋较安静。  最后,将本文提出的台风噪声模型应用于台风影响下实际风成噪声强度的计算。应用本文的台风噪声模型,结合气象机构发布的台风预报信息,对南海两次实测噪声强度进行了计算,并与实测噪声级进行比较。分析了台风与接收器相对位置不同时,台风风场结构对噪声声强的影响,结果表明:当台风中心远离接收器(大约100公里以上)时,台风最大风速区对噪声场的贡献很小,此时接收器处的声强主要来自其上方的本地风成噪声;当台风中心距离较近时,必须考虑台风内部的风场结构,接收器处的声强主要来自其上方一定区域内平均风场激发的声场。由于台风特殊的风场结构和接收器与台风相对位置的不同,随着台风中心移动,噪声谱级会出现“单峰”和“双峰”结构。分别考察了理论计算和实测的噪声级与频率、风速的关系,观测到噪声强度与风速的三次方成正比;两次实验噪声级随频率分别按f-0.47和f-0.85规律衰减,实测结果与理论计算符合较一致,从而验证了本文噪声模型的合理性和有效性。
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