Page 271 - 应用声学2019年第4期
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第 38 卷 第 4 期 黄益旺： 海洋环境噪声空间相关特性建模综述 731
数倍时，空间两点的噪声声压互不相关；当各阵元接 cos θ、cos θ 垂直指向性时噪声声压场水平方向和
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收信号场完全相关时，半波长等间距均匀直线阵可 垂直方向的相关系数，反映了噪声场的非各向同性，
获得最大阵增益。 这是噪声源空间分布不对称的结果。
1.2 噪声质点振速的空间相关特性 类似于体积噪声矢量场空间相关特性分析方
法，黄益旺等 [10] 假设噪声源均匀分布在无限大海
对于矢量水听器基阵，除声压相关系数外，还
面上，给出了噪声源无指向性和具有cos θ 垂直指向
需已知噪声质点振速、声压与质点振速的空间相关
性时噪声矢量场空间相关系数解析表达式，分析了
特性。2001年，Hawkes等 [6] 研究了均匀各向同性噪
单矢量水听器接收噪声的协方差矩阵及等间距均
声矢量场的空间相关特性，给出了相关系数的解析
表达式。随后，我国学者孙贵青等 [7] 再次得到了相 匀直线阵的阵增益。海洋环境噪声空间相关特性的
变化改变了水听器基阵的信噪比增益。在噪声干扰
同的结果，同时分析了单矢量水听器接收噪声的协
方差矩阵，揭示了均匀各向同性噪声矢量场的能量 下，水听器成阵有必要已知噪声场的相关特性。
均匀分布特性。黄益旺等 [8] 应用二次源思想，对均 2.2 水平分层介质中声场的空间相关特性
匀分布在球面上的所有噪声源辐射声场进行求解，
为了研究海水声速分布、海底声学特性对噪
得到了噪声矢量场的空间相关系数解析表达式，分
声场空间相关特性的影响，假设海面、海底为水平
析了阵增益随阵元间距的变化关系。从质点振速场
界面，海水声速仅是深度坐标的函数，无指向性噪
相关函数表达式可以发现，由于质点振速分量具有
声源均匀分布在海面下方深度 z 的无限大平面上。
′
方向性，导致质点振速分量的相关系数是空间方向
Kuperman 等 [11] 应用简正波理论建立了水平分层
角的函数。
介质表面噪声声压场空间相关特性模型，简称 K/I
单频体积噪声质点振速空间相关系数表达式
模型。当介质的声吸收系数比最小简正波本征值之
比声压空间相关系数表达式复杂得多，相关函
差小得多时，相关函数可用非相干简正波之和表示，
数的零点不再具有周期性，但仍具有 Bessel 函数
得到了噪声声压相关系数解析表达式。针对简正波
的形式。当获得噪声矢量场空间相关系数后，则
理论所计算的声场为点源声场这个问题，而表面噪
可以用其分析声矢量水听器阵或声矢量信号处
声源通常具有 cos θ 垂直指向性，Liggett 等 [12] 曾
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理算法的性能。Shchurov 等 [9] 曾指出，对于频率
经指出噪声源的指向性可用噪声源的空间相关函
在 200 Hz∼1000 Hz 的深海典型相干噪声，单矢
数来描述，从而解决了具有特定指向性噪声源形成
量水听器接收噪声的声压与质点振速的相关系
噪声场的简正波建模问题。
数小至 0.001 ∼ 0.01，声能流的信噪比增益可达
处理水平分层介质中指向性噪声源的声场的
20 dB ∼ 30 dB。
另一种理论就是射线声学理论。Harrison [13] 将噪声
2 表面噪声模型 场声压表示为各条本征声线声压之和，利用射线声
学声强表达式，给出了水平分层介质表面噪声声压
在表面噪声模型中，一种简单的表面噪声模型 空间相关系数积分表达式和垂直指向性解析表达
为具有 cos θ 垂直指向性的噪声源均匀分布在无 式。相比于 K/I模型，射线模型更简单直观，并且容
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限大海面上或海面下方某一深度的无限大平面上，
易推广至距离有关波导中的噪声场 [14] 。
介质为均匀半空间，也即不考虑海底声反射作用。 由于 K/I 模型和 Harrison 模型都是针对噪声
为了考虑海底声反射和海水声速分布对场的影响，
声压的，根据简谐平面行波场声压与质点振速的关
表面噪声模型发展的第二阶段为水平分层介质表
系，基于这两个模型，黄益旺等分别建立了水平分层
面噪声模型。当海底非水平时，也即一种距离有关
介质表面噪声矢量场空间相关特性简正波模型 [15]
波导，则对应三维环境中的表面噪声模型。
和射线声学模型 [16] 。当噪声源具有 cos θ 垂直指向
2.1 简单模型中声场的空间相关特性 性时，对比分析了理想波导表面噪声矢量场空间相
Cron 等 [2] 将噪声源视为均匀分布在海面上 关特性，发现水平方向和垂直方向的相关系数仅与
的圆面内，给出了噪声源无指向性和具有 cos θ、 观测点间距有关，而与深度无关；两个模型得到的结
