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听,海哭的声音……

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听 海哭的声音
这片海未免也太多情
悲泣到天明
......

听,海哭的声音
 

wait!

熟悉的旋律响起,相信大家也准备好一展歌喉了!但今天天戈声学不是约大家来唱歌的,作为声学行业的专业人士,今天主要带大家认识一下“海哭的声音”。

听,海哭的声音
 

海哭的声音?科学分析其实是海洋噪音啦!

海洋环境噪声是水声信道中的一种干扰背景场,是在海洋中由水听器接收到的除自噪声以外的一切噪声,包括海洋噪声、生物噪声、地震噪声、雨噪声、人为噪声(航海、工业、钻探等噪声)等。

听,海哭的声音
 

在海洋环境噪声场中,声波来源广泛,既有自然声源,也有人为声源;不同声源场产生不同频率和声级的噪声,同一频率范围的噪声可能由一个或多个声源产生。

海洋的噪音分类

一、极低频噪音

1、深海环境极低频噪声地球的地壳运动是海洋中极低频噪声的主要来源。有一种很强烈且几乎是连续的震动形式就是微震,其具有1/7Hz的准周期性;单次大地震和远处火山爆发等间歇地震动也是深海低频噪声的来源。

除地壳运动外,潮汐、海洋湍流、波浪的海水静压力效应等声源也是水下声场的贡献因子。如反向传播的海面波浪非线性相互作用会产生频率为5~10Hz以下的环境噪声,海洋湍流所产生的声谱在1~20Hz的十倍频程内。湍流是由海洋中或大或小的无规则水流形成, 它会使水听器、电缆颤动或作响,其内部压力产生声效应。湍流压力的变化还会辐射到一定距离外,即在湍流以外的海水中产生噪声。

另外,水下生物声源部分也是海洋中极低频噪声源的构成因素,部分海洋哺乳动物,如须鲸类可发出低频呻吟声。Cummings等和Watkins曾记录了蓝鲸Balaenoptera musculus和长须鲸Balaenopteraphysalus的发声信号频率为10~20Hz。Thompson等曾在1979年测出了 以上两物种以10~25Hz的低频发声,并估计声源级(距离声源1m处)可达190dB(0dB re 1μPa)。

听,海哭的声音
 

2、大气声源大气中发出的声波能够耦合进入水下声场,大气声源的性质和传播特性决定了其对水下声场的贡献限定在极低频频率与超低频频率。其中雷鸣声可产生30Hz以下的极低频声谱,并在10Hz以下能探测其能量。

3、浅海水下爆破施工随着人类对近海岸的开发利用,爆破施工成为目前港口工程建设的重要手段之一。进行水下爆破时,爆炸瞬间的声波频率受炸药性质及装药量的轻微影响,频率为4~10Hz;随后受水的摩擦力和黏滞力的影响,冲击波逐渐钝化 为声波,频率也会发生改变,变化后卓越频率为10~105Hz。

听,海哭的声音
 

二、低频噪音,甚低频噪音

1、低频超电磁噪声目前,海洋环境中出现的超低频电磁噪声多与潜艇相关。潜艇周围的电磁噪声主要由轴频电场和工频电场在超低频频段内的分量产生,并与潜艇航速有直接关系,但由于保密性,国外公开的文献中并无具体数值可参考。已知对 潜艇通信的有效手段主要以甚低频(3~30kHz)和超低频(30~300Hz)通信为主,潜艇进行水下超低频通信时会受到工频噪声的干扰,可推断出潜艇周围的电磁噪声为超低频电磁噪声。

2、船舶航行与地震勘探测量结果表明,在船舶航行频繁的海区,在5~500Hz的频率范围内,自然噪声谱与船舶的辐射噪声谱极大值相当符合,在此低频内,船舶航行是全球海洋噪声的主要来源。每一艘船都具有独特的声纹,并随船速、船况、船 载、船上活动甚至船舶航行通过的水体性质而发生变化,目前已有对某些水面船舶种类的辐射噪声测量数据库,如伦敦Lloyd's注册数据库,它收集了对深海商船辐射噪声的测量数据,可查阅到某些商船的有效声纹信息。但军舰的声纹数据源被列为机密,由美国海军 研究署等政府部门持有,不能用于科学研究。

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地质勘探也是海洋低频声音的一个贡献因子,它是探测海底矿物储量的主要手段,广泛应用于石油和天然气工业,还被用来研究海底和地壳的地质、地震及火山活动等。在地质勘探中使用的空气枪,产生的噪音主要以超低频率(5~300Hz)为主。

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3、中低频声纳、鱼雷声纳是使用声能来展示水下物体的物理性质并能定位该物体,其应用范围广泛,适应工程指标和布放策略的变化。目前声纳系统兼备军民应用,分为低频(<1khz)、中频(1~10khz)、高频(>10kHz)。通常军用声纳 具备所有频率范围,而民用声纳限于较高频。

4、工业和建设活动从位于海边的电厂到打桩、疏浚、造船、运河水闸结构作业以及港口的日常活动,其类别相当广泛。人们对进入海洋环境中的这种能量(陆基到海岸线水域的结合)耦合了解的很少。许多活动(如冲击式打桩、电厂工作、工业 机械运转、疏浚中的机械运动、风力发电等)产生各种声源级和声图案,已有文献给出了对这些声源发出水下声波的测量结果。

油气工业采用的钻探技术需要许多设备,如钻探船、钻塔、钻探平台及钻探时的补给船、飞机等,在所有使用的钻探设备中钻探船产生的噪声是最嘈杂的,其跨越频带为10Hz~10kHz(其中10~30Hz频率段为极低频),声源级高达190dB。

听,海哭的声音
 

5、海面粗糙度在频率为500Hz~25kHz范围内,自然噪声级与海况有直接关系,并与用水听器测量期间当地的风速有关,因此,在此频率范围内,海面粗糙度产生的噪声为甚高频段自然噪声的噪声源

海面降雨对海洋中的声波也有贡献。研究发现,在1~10kHz频段,暴雨的噪声谱近于“白噪声”,而在10kHz处,暴雨的噪声级超过无雨时18dB;在几百赫兹至20kHz以上的宽广频率范围,降雨噪声级能增加自然环境噪声水平达35dB。

6、大气声源、地质声源与海冰效应雷鸣是海洋噪声天然出现的一种大气声源,不仅包括30Hz以下的极低频声谱,还包括30Hz~1kHz以上的超低频与甚低频声谱。

地壳运动能产生极低频噪声,其中,地震的水下声波在短距离内可将频率延伸至100Hz以上,并能持续几秒至几分钟。除地壳运动外,海底海流的运动引起沉积物运动,能产生频率从1~200kHz以上的环境噪声谱。

海面上的冰盖能从根本上改变海洋噪声场。附近冰块的相对运动可在大块浮冰内产生声波,刚性冷冰的机械应力引发的爆裂释放出更高强度的声波,冰川的冰裂和冰皱产生的机械噪声水平也非常高。如Buck等[19]在离活动冰脊的距离为100m、水深为30m处,在声波频 率为10~100Hz间测得声压谱的密度级为97dB。

听,海哭的声音
 

7、生物发声目前生存的鱼类远远超过25000种,人们在某种程度上知道大约有100种(仅占0.4%)鱼类的声行为。海洋哺乳动物发声涵盖了10~200kHz以上非常宽广的频率。在繁育季节,各种发声鱼类和海洋哺乳动物对海洋噪声所起的作用会显著 增加。

1)鱼及海洋无脊椎动物。许多种鱼可通过各种机制发出声波,声波大小随不同的生态系统及日间、季节等时间尺度发生变化,发出的声波为5Hz~5kHz,大多数为1kHz以下的脉冲信号,主要用于通信、捕食、游泳以及其它行为。与鱼类相比,海洋 无脊椎动物的发声种类较少,研究较多的是海胆Echinoidea与鳌虾Synalpheus regalis。海胆摄食时,牙齿磨擦珊瑚礁能发出几百赫兹左右的声音,同时其硬壳也会让声音产生共鸣,这种噪音能导致海胆身上的刺以一定频率振动,可使周围环境噪声级提高20~30dB。鳌 虾在其聚居地可发出2~200kHz频带范围的声音,其中30~200 kHz范围为高频噪声。

2)海洋哺乳动物。虽然海洋哺乳动物发声频率涵盖较广,但根据已知文献的描述,其发声频率主要集中在30Hz~30kHz。大多数的大型须鲸类,如南露脊鲸Eubalaena australis、北极鲸Balaenamysticetus、灰鲸Eschrichtius robustus、座头鲸Megaptera novaeangliae可记录到1kHz以下、声源级在180dB以上的发声。Au等在2000年3月初(繁育季节)记录到鲸豚的发生频率为100~150Hz、250~350Hz、600~650Hz的最高声级。齿鲸类(海豚和齿科鲸)可发出1~25kHz的哨音,部分种类的海豚Delphinidae也可发 出129Hz~30kHz的哨音。

听,海哭的声音
 

三、高频噪音

1、高频声纳高频军用声纳(10kHz以上)应用于数十至数千米距离的武器和反武器场合,猎雷系统所用的高频声纳从数十千赫的探测到数百千赫的定位,系统使用脉冲信号并且指向性很强。与军用声纳相比,民用声纳一般在更高的频率下工作,其 中商用声纳设计用于特殊用途,如测障碍物、测深、探鱼等。根据不同应用,商用声纳一般在中心频率为1~200kHz或更高的窄频带内工作。

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2、热噪声由分子扰动产生的热噪声是深海自然环境高频噪声的主要噪声源,通过对Wenz谱级图的分析可以得出,热噪声频率在10kHz以上的频谱带上且主要集中在30kHz以上。

听,海哭的声音
 

3、生物发声能进行高频发声的海洋生物大多限于海洋哺乳动物,关于海洋非哺乳动物高频发声的文献报道较少,其中有介绍鳌虾在其聚居地可发出频带为30~200kHz的高频噪声。海洋哺乳动物发出高频声音主要用于回音定位,齿鲸(海豚和齿科 鲸)能发出种群特有的咔哒声,峰值能量远高于100kHz,并能发出谐波高达100kHz的哨音。根据录音调查记录显示,斑海豹Phocalargha在空气中能发出40kHz的高频声音,海豚在水下使用频率在200~350kHz以上的超声波进行“回音定位”。

本文部分内容摘自《海洋环境噪声的分类及其对海洋动物的影响》一文,原文刊发于大连海洋大学学报2012年第1期。
【注:文章部分素材来源于网络,如有侵权请联系删除】


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