海上降雨的噪聲特性研究.pdf

1、海上降雨引起的噪聲信號（簡稱降雨噪聲）是海洋環(huán)境噪聲背景場的一個重要干擾源，會極大地降低聲吶的檢測能力，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（往往伴隨疾風暴雨）下進行，充分掌握降雨噪聲的特性，不僅在軍事上有利于檢測海洋環(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)用聲學方法監(jiān)測海上降雨的技術(shù)。近幾十年來，美國等發(fā)達國家為了解釋降雨噪聲的產(chǎn)生機制，對自然界的降雨噪聲開展了大量觀

2、測。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度大小息息相關(guān)。但是，由于受限于降雨噪聲的觀測和數(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的機理為主，尚未從量化角度系統(tǒng)地建立降雨噪聲功率譜與降雨強度的內(nèi)在聯(lián)系。國內(nèi)對降雨噪聲特性的研究亦鮮有報道。因此，為深入掌握降雨噪聲的特性，本文從以下多個角度開展研究:(1)在收集和綜合各種文獻資料基礎(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

3、的機理;(2)開展了降雨噪聲的多次現(xiàn)場測量;(3)詳細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在水中輻射噪聲信號的內(nèi)在機制。在綜合分析國內(nèi)外降雨噪聲相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，闡述了室內(nèi)水滴實驗與自然界實際降雨過程中輻射噪聲信號的異同，

4、提出了降雨中影響噪聲信號輻射的三個主要因素:雨滴的粒徑分布、雨滴的終端速度和雨滴的入射角度。采用可控法在實驗室水池中開展了人工水滴觀測和水滴撞擊水面時產(chǎn)生的噪聲波形與功率譜分析;
　　 2.從理論上推導(dǎo)了降雨噪聲觀測過程中水面有效測量面積的估計方法，設(shè)計了岸基和潛標兩種形式的降雨噪聲觀測方案。開展了12次的野外降雨噪聲的觀測，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的提取方法、降雨噪聲的功率譜計算方法。研究了干擾噪聲的剔除方法、尤其是風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“時間一致”的原則，同步匹配了空中降雨強度與水下噪聲，提取了不同降雨強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:一是降雨強度為0.1-4.0mm/hr的噪聲功率

6、譜，在頻段13-25kHz時出現(xiàn)較高幅度的譜峰;二是降雨強度在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的功率譜級迅速增加;三是降雨強度在18.0mm/hr以上（大雨或暴雨期間）的噪聲功率譜，頻段1-30kHz上的譜級都較高，比無雨時的背景噪聲增加了約20-30dB，且譜級具有負斜率趨勢。此外，通過各頻率點噪聲功率譜與降雨強度的相關(guān)性分析，表明，在1-30kHz的頻率分析帶寬內(nèi)，頻段

7、1-10kHz上各頻率對應(yīng)的功率譜與空中降雨強度的相關(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度的計算方法。在降雨噪聲研究文獻中，通常把水聽器接收到的降雨噪聲信號直接當成水面降雨噪聲源信號，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度公式的系數(shù)不能普遍適用。因此，針對不同海洋環(huán)境和不同接收深度下的降雨噪聲源強度歸一化問題，本文在綜合分析海面噪聲源模型、降雨噪聲源