陳琪芳臺灣大學：工程科學及海洋工程學研究所湛翔智Chan, Hsiang-ChihHsiang-ChihChan2007-11-262018-06-282007-11-262018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/51095本研究為瞭解臺灣鄰近海域的環境噪音之變動特性，對主動式聲納和被動式聲納的偵測距離之影響，利用ASIAEX、VANS和OAJEX等實驗所蒐集的環境噪音資料，以統計方法分析噪音位準的變動特性。首先由ASIAEX在大陸棚海域的觀測數據之分析結果顯示：風浪影響環境噪音的最低頻段約為500 Hz；風浪噪音在頻譜位準的衰減斜率將隨海況而變動；以1k Hz的風浪噪音觀察高低海況的噪音位準之標準偏差值，當風速在5 m/s以上時噪音的變動明顯降低；而隨著統計時間越長則噪音位準的變動可能越大，因此提高了噪音位準的不確定性；在台灣鄰近幾處海域的環境噪音分佈的特性都略有差異。其次，建構一噪音數值模式以模擬海表面噪音的聲場特性，由1k Hz的風浪噪音模擬結果顯示，海面環境改變噪音聲源強度是首要影響噪音位準變動的因素，海洋內部環境如非線性內波改變海水聲速對噪音位準的影響則相對有限；從模擬結果與實驗資料比對已經驗證模式的可信度，因此該模式可實際應用到噪音位準的預估中。最後利用ASORPS的聲納效能預估算例，討論噪音位準預估誤差和噪音不確定性對聲納偵測距離的影響，結果顯示ASORPS目前使用的經驗公式對臺灣鄰近海域的噪音位準預估之誤差略大，因此本文提出一改善方法，即建構一海洋環境噪音資料庫，結合實驗資料的統計結果與數值模式的模擬，提供噪音位準的平均值和標準偏差值給予ASORPS，以提高聲納系統的預估效能。This study is to survey the variant characteristics of ocean ambient noise in the vicinities of Taiwan and to understand their effects on detection ranges of active and passive sonar system. The data from the experiments of ASIAEX, VANS, and OAJEX are analyzed by statistical methods to obtain varying characteristics of noise levels. The first study is to analyze the ASIAEX data that were measured on the continental shelf, which indicates the minimum frequency-dependence of wind-wave noise is about 500 Hz. The noise level slopes in noise spectrum are changed with sea states. The standard deviations decrease significantly while wind speeds are over 5 m/s. The uncertainty from noise variance may increase due to the statistical duration. There are some distribution variations of ocean ambient noises in the vicinities of Taiwan. The second study is to develop a noise numerical modeling to simulate the sea surface noise fields. The results show the changes of noise source strength from sea surface are the main factor, and the changes of sound speeds due to nonlinear internal waves in ocean are the second factor. The comparisons of resultes on simulation and data have provided good confidence in this noise modeling, which can be applied to predict noise levels. Moreover, the ASORPS study cases explain the prediction errors and the uncertainty of noise levels on detection ranges of sonar. The results show the errors in the noise levels prediction in the vicinities of Taiwan by using the present empirical formula are a little high. So this study provides a development method that is to construct a database of ocean ambient noise, which integrates with statistical results of measurement data and simulations of numerical model. The mean and standard deviation of noise levels would be provided for ASORPS to improve the prediction performance of sonar.謝誌 i 中文摘要 ii Abstract iii 目錄 v 表目錄 viii 圖目錄 ix 符號索引 xiii 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 2 1.2 研究動機 3 1.3 文獻回顧 4 1.3.1 海洋環境噪音之觀測 5 1.3.2 海洋環境噪音之模擬 10 1.3.3 臺灣鄰近海域之噪音調查 17 1.3.4 海洋環境噪音之應用 19 1.4 研究目的 20 1.5 重要結果 22 1.6 論文架構 24 第2章 研究方法 26 2.1 海洋聲學概論 26 2.1.1 波方程式 27 2.1.2 海洋波導 29 2.1.3 海面下聲源 31 2.1.4 聲壓計算 32 2.1.5 音傳損失 35 2.2 水下聲學量測儀器 41 2.2.1 聲納浮標 42 2.2.2 底碇式水下麥克風 44 2.2.3 錨碇式垂直線陣列 47 2.2.4 繫纜式垂直線陣列 49 2.3 數據分析方法 52 2.3.1 基本統計方法 52 2.3.2 數值分析方法 55 2.4 聲音訊號處理 58 2.4.1 聲音訊號格式之轉換 58 2.4.2 數位濾波器之應用 59 2.4.3 時域與頻域之轉換 61 2.4.4 噪音位準之計算方法 62 2.4.5 雜訊濾除之方法 64 2.5 方向性計算 68 2.5.1 波束形成法 68 2.5.2 噪音垂直方向性 73 2.5.3 噪音水平方向性 77 第3章 海洋環境噪音資料分析 80 3.1 實驗簡介 81 3.1.1 ASIAEX實驗 82 3.1.2 VANS實驗 84 3.1.3 OAJEX實驗 87 3.2 噪音位準變動分析 88 3.2.1 噪音位準的時序分析 89 3.2.2 風浪影響噪音的最低頻率 91 3.2.3 噪音頻譜位準的衰減斜率 94 3.2.4 不同海況的噪音位準分佈 97 3.2.5 不同時間長度的統計分析 98 3.2.6 不同實驗量測的噪音分佈 100 3.3 噪音垂直方向性分析 102 3.4 結果討論 104 第4章 水下噪音數值模擬 105 4.1 基本架構 106 4.2 初始條件和邊界條件 108 4.2.1 噪音模擬的位置及半徑 110 4.2.2 噪音聲源強度 116 4.2.3 噪音接收深度 117 4.2.4 海床地形 117 4.2.5 海床地質 119 4.2.6 海水聲速 121 4.3 音傳計算 121 4.3.1 音傳模式之應用說明 122 4.3.2 音傳計算之結果輸出 122 4.4 噪音聲場計算 123 第5章 海面噪音受環境之擾動 126 5.1 海面風浪的影響 126 5.1.1 噪音聲源強度之推估 127 5.1.2 模式與資料的結果比較 128 5.2 海洋內波的影響 129 5.2.1 海洋環境之建構 130 5.2.2 模式與資料的時序比較 131 5.3 結果討論 133 第6章 結論 134 6.1 研究結果之應用 134 6.2 具體結果 138 6.3 本文貢獻 139 6.4 後續研究 140 參考文獻 142 附錄A 雜訊濾除方法之比較 149 附錄B 雷達影像推估波高之方法 155 附錄C ASORPS簡介 160 附錄D 由噪音遮蔽推估聲納偵測距離之算例 1638188149 bytesapplication/pdfen-US海洋環境噪音聲納偵測距離噪音數值模式風浪非線性內波Ocean ambient noiseSonar detection rangeNoise numerical modelingWind-waveNonlinear internal wavesthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/51095/1/ntu-96-D91525003-1.pdf