聽 海哭的聲音
這片海未免也太多情
悲泣到天明
......

wait！

熟悉的旋律響起，相信大家也準(zhǔn)備好一展歌喉了！但今天天戈聲學(xué)不是約大家來唱歌的，作為聲學(xué)行業(yè)的專業(yè)人士，今天主要帶大家認(rèn)識(shí)一下“海哭的聲音”。

海哭的聲音？科學(xué)分析其實(shí)是海洋噪音啦！

海洋環(huán)境噪聲是水聲信道中的一種干擾背景場，是在海洋中由水聽器接收到的除自噪聲以外的一切噪聲，包括海洋噪聲、生物噪聲、地震噪聲、雨噪聲、人為噪聲（航海、工業(yè)、鉆探等噪聲）等。

在海洋環(huán)境噪聲場中，聲波來源廣泛，既有自然聲源，也有人為聲源；不同聲源場產(chǎn)生不同頻率和聲級(jí)的噪聲，同一頻率范圍的噪聲可能由一個(gè)或多個(gè)聲源產(chǎn)生。

海洋的噪音分類

一、極低頻噪音

1、深海環(huán)境極低頻噪聲地球的地殼運(yùn)動(dòng)是海洋中極低頻噪聲的主要來源。有一種很強(qiáng)烈且?guī)缀跏沁B續(xù)的震動(dòng)形式就是微震，其具有1/7Hz的準(zhǔn)周期性;單次大地震和遠(yuǎn)處火山爆發(fā)等間歇地震動(dòng)也是深海低頻噪聲的來源。

除地殼運(yùn)動(dòng)外，潮汐、海洋湍流、波浪的海水靜壓力效應(yīng)等聲源也是水下聲場的貢獻(xiàn)因子。如反向傳播的海面波浪非線性相互作用會(huì)產(chǎn)生頻率為5～10Hz以下的環(huán)境噪聲，海洋湍流所產(chǎn)生的聲譜在1～20Hz的十倍頻程內(nèi)。湍流是由海洋中或大或小的無規(guī)則水流形成， 它會(huì)使水聽器、電纜顫動(dòng)或作響，其內(nèi)部壓力產(chǎn)生聲效應(yīng)。湍流壓力的變化還會(huì)輻射到一定距離外，即在湍流以外的海水中產(chǎn)生噪聲。

另外，水下生物聲源部分也是海洋中極低頻噪聲源的構(gòu)成因素，部分海洋哺乳動(dòng)物，如須鯨類可發(fā)出低頻呻吟聲。Cummings等和Watkins曾記錄了藍(lán)鯨Balaenoptera musculus和長須鯨Balaenopteraphysalus的發(fā)聲信號(hào)頻率為10～20Hz。Thompson等曾在1979年測出了 以上兩物種以10～25Hz的低頻發(fā)聲，并估計(jì)聲源級(jí)（距離聲源1m處）可達(dá)190dB（0dB re 1μPa）。

2、大氣聲源大氣中發(fā)出的聲波能夠耦合進(jìn)入水下聲場，大氣聲源的性質(zhì)和傳播特性決定了其對水下聲場的貢獻(xiàn)限定在極低頻頻率與超低頻頻率。其中雷鳴聲可產(chǎn)生30Hz以下的極低頻聲譜，并在10Hz以下能探測其能量。

3、淺海水下爆破施工隨著人類對近海岸的開發(fā)利用，爆破施工成為目前港口工程建設(shè)的重要手段之一。進(jìn)行水下爆破時(shí)，爆炸瞬間的聲波頻率受炸藥性質(zhì)及裝藥量的輕微影響，頻率為4～10Hz；隨后受水的摩擦力和黏滯力的影響，沖擊波逐漸鈍化 為聲波，頻率也會(huì)發(fā)生改變，變化后卓越頻率為10～105Hz。

二、低頻噪音，甚低頻噪音

1、低頻超電磁噪聲目前，海洋環(huán)境中出現(xiàn)的超低頻電磁噪聲多與潛艇相關(guān)。潛艇周圍的電磁噪聲主要由軸頻電場和工頻電場在超低頻頻段內(nèi)的分量產(chǎn)生，并與潛艇航速有直接關(guān)系，但由于保密性，國外公開的文獻(xiàn)中并無具體數(shù)值可參考。已知對 潛艇通信的有效手段主要以甚低頻（3～30kHz）和超低頻（30～300Hz）通信為主，潛艇進(jìn)行水下超低頻通信時(shí)會(huì)受到工頻噪聲的干擾，可推斷出潛艇周圍的電磁噪聲為超低頻電磁噪聲。

2、船舶航行與地震勘探測量結(jié)果表明，在船舶航行頻繁的海區(qū)，在5～500Hz的頻率范圍內(nèi)，自然噪聲譜與船舶的輻射噪聲譜極大值相當(dāng)符合，在此低頻內(nèi)，船舶航行是全球海洋噪聲的主要來源。每一艘船都具有獨(dú)特的聲紋，并隨船速、船況、船 載、船上活動(dòng)甚至船舶航行通過的水體性質(zhì)而發(fā)生變化，目前已有對某些水面船舶種類的輻射噪聲測量數(shù)據(jù)庫，如倫敦Lloyd's注冊數(shù)據(jù)庫，它收集了對深海商船輻射噪聲的測量數(shù)據(jù)，可查閱到某些商船的有效聲紋信息。但軍艦的聲紋數(shù)據(jù)源被列為機(jī)密，由美國海軍 研究署等政府部門持有，不能用于科學(xué)研究。

地質(zhì)勘探也是海洋低頻聲音的一個(gè)貢獻(xiàn)因子，它是探測海底礦物儲(chǔ)量的主要手段，廣泛應(yīng)用于石油和天然氣工業(yè)，還被用來研究海底和地殼的地質(zhì)、地震及火山活動(dòng)等。在地質(zhì)勘探中使用的空氣槍，產(chǎn)生的噪音主要以超低頻率（5～300Hz）為主。

3、中低頻聲納、魚雷聲納是使用聲能來展示水下物體的物理性質(zhì)并能定位該物體，其應(yīng)用范圍廣泛，適應(yīng)工程指標(biāo)和布放策略的變化。目前聲納系統(tǒng)兼?zhèn)滠娒駪?yīng)用，分為低頻（<1khz）、中頻（1～10khz）、高頻（>10kHz）。通常軍用聲納 具備所有頻率范圍，而民用聲納限于較高頻。

4、工業(yè)和建設(shè)活動(dòng)從位于海邊的電廠到打樁、疏浚、造船、運(yùn)河水閘結(jié)構(gòu)作業(yè)以及港口的日常活動(dòng)，其類別相當(dāng)廣泛。人們對進(jìn)入海洋環(huán)境中的這種能量（陸基到海岸線水域的結(jié)合）耦合了解的很少。許多活動(dòng)（如沖擊式打樁、電廠工作、工業(yè) 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、疏浚中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等）產(chǎn)生各種聲源級(jí)和聲圖案，已有文獻(xiàn)給出了對這些聲源發(fā)出水下聲波的測量結(jié)果。

油氣工業(yè)采用的鉆探技術(shù)需要許多設(shè)備，如鉆探船、鉆塔、鉆探平臺(tái)及鉆探時(shí)的補(bǔ)給船、飛機(jī)等，在所有使用的鉆探設(shè)備中鉆探船產(chǎn)生的噪聲是最嘈雜的，其跨越頻帶為10Hz～10kHz（其中10～30Hz頻率段為極低頻），聲源級(jí)高達(dá)190dB。

5、海面粗糙度在頻率為500Hz～25kHz范圍內(nèi)，自然噪聲級(jí)與海況有直接關(guān)系，并與用水聽器測量期間當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速有關(guān)，因此，在此頻率范圍內(nèi)，海面粗糙度產(chǎn)生的噪聲為甚高頻段自然噪聲的噪聲源。

海面降雨對海洋中的聲波也有貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在1～10kHz頻段，暴雨的噪聲譜近于“白噪聲”，而在10kHz處，暴雨的噪聲級(jí)超過無雨時(shí)18dB；在幾百赫茲至20kHz以上的寬廣頻率范圍，降雨噪聲級(jí)能增加自然環(huán)境噪聲水平達(dá)35dB。

6、大氣聲源、地質(zhì)聲源與海冰效應(yīng)雷鳴是海洋噪聲天然出現(xiàn)的一種大氣聲源，不僅包括30Hz以下的極低頻聲譜，還包括30Hz～1kHz以上的超低頻與甚低頻聲譜。

地殼運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生極低頻噪聲，其中，地震的水下聲波在短距離內(nèi)可將頻率延伸至100Hz以上，并能持續(xù)幾秒至幾分鐘。除地殼運(yùn)動(dòng)外，海底海流的運(yùn)動(dòng)引起沉積物運(yùn)動(dòng)，能產(chǎn)生頻率從1～200kHz以上的環(huán)境噪聲譜。

海面上的冰蓋能從根本上改變海洋噪聲場。附近冰塊的相對運(yùn)動(dòng)可在大塊浮冰內(nèi)產(chǎn)生聲波，剛性冷冰的機(jī)械應(yīng)力引發(fā)的爆裂釋放出更高強(qiáng)度的聲波，冰川的冰裂和冰皺產(chǎn)生的機(jī)械噪聲水平也非常高。如Buck等[19]在離活動(dòng)冰脊的距離為100m、水深為30m處，在聲波頻 率為10～100Hz間測得聲壓譜的密度級(jí)為97dB。

7、生物發(fā)聲目前生存的魚類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過25000種，人們在某種程度上知道大約有100種（僅占0.4%）魚類的聲行為。海洋哺乳動(dòng)物發(fā)聲涵蓋了10～200kHz以上非常寬廣的頻率。在繁育季節(jié)，各種發(fā)聲魚類和海洋哺乳動(dòng)物對海洋噪聲所起的作用會(huì)顯著 增加。

1）魚及海洋無脊椎動(dòng)物。許多種魚可通過各種機(jī)制發(fā)出聲波，聲波大小隨不同的生態(tài)系統(tǒng)及日間、季節(jié)等時(shí)間尺度發(fā)生變化，發(fā)出的聲波為5Hz～5kHz，大多數(shù)為1kHz以下的脈沖信號(hào)，主要用于通信、捕食、游泳以及其它行為。與魚類相比，海洋 無脊椎動(dòng)物的發(fā)聲種類較少，研究較多的是海膽Echinoidea與鰲蝦Synalpheus regalis。海膽攝食時(shí)，牙齒磨擦珊瑚礁能發(fā)出幾百赫茲左右的聲音，同時(shí)其硬殼也會(huì)讓聲音產(chǎn)生共鳴，這種噪音能導(dǎo)致海膽身上的刺以一定頻率振動(dòng)，可使周圍環(huán)境噪聲級(jí)提高20～30dB。鰲 蝦在其聚居地可發(fā)出2～200kHz頻帶范圍的聲音，其中30～200 kHz范圍為高頻噪聲。

2）海洋哺乳動(dòng)物。雖然海洋哺乳動(dòng)物發(fā)聲頻率涵蓋較廣，但根據(jù)已知文獻(xiàn)的描述，其發(fā)聲頻率主要集中在30Hz～30kHz。大多數(shù)的大型須鯨類，如南露脊鯨Eubalaena australis、北極鯨Balaenamysticetus、灰鯨Eschrichtius robustus、座頭鯨Megaptera novaeangliae可記錄到1kHz以下、聲源級(jí)在180dB以上的發(fā)聲。Au等在2000年3月初（繁育季節(jié)）記錄到鯨豚的發(fā)生頻率為100～150Hz、250～350Hz、600～650Hz的最高聲級(jí)。齒鯨類（海豚和齒科鯨）可發(fā)出1～25kHz的哨音，部分種類的海豚Delphinidae也可發(fā) 出129Hz～30kHz的哨音。

三、高頻噪音

1、高頻聲納高頻軍用聲納（10kHz以上）應(yīng)用于數(shù)十至數(shù)千米距離的武器和反武器場合，獵雷系統(tǒng)所用的高頻聲納從數(shù)十千赫的探測到數(shù)百千赫的定位，系統(tǒng)使用脈沖信號(hào)并且指向性很強(qiáng)。與軍用聲納相比，民用聲納一般在更高的頻率下工作，其 中商用聲納設(shè)計(jì)用于特殊用途，如測障礙物、測深、探魚等。根據(jù)不同應(yīng)用，商用聲納一般在中心頻率為1～200kHz或更高的窄頻帶內(nèi)工作。

2、熱噪聲由分子擾動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲是深海自然環(huán)境高頻噪聲的主要噪聲源，通過對Wenz譜級(jí)圖的分析可以得出，熱噪聲頻率在10kHz以上的頻譜帶上且主要集中在30kHz以上。

3、生物發(fā)聲能進(jìn)行高頻發(fā)聲的海洋生物大多限于海洋哺乳動(dòng)物，關(guān)于海洋非哺乳動(dòng)物高頻發(fā)聲的文獻(xiàn)報(bào)道較少，其中有介紹鰲蝦在其聚居地可發(fā)出頻帶為30～200kHz的高頻噪聲。海洋哺乳動(dòng)物發(fā)出高頻聲音主要用于回音定位，齒鯨（海豚和齒科 鯨）能發(fā)出種群特有的咔噠聲，峰值能量遠(yuǎn)高于100kHz，并能發(fā)出諧波高達(dá)100kHz的哨音。根據(jù)錄音調(diào)查記錄顯示，斑海豹Phocalargha在空氣中能發(fā)出40kHz的高頻聲音，海豚在水下使用頻率在200～350kHz以上的超聲波進(jìn)行“回音定位”。

本文部分內(nèi)容摘自《海洋環(huán)境噪聲的分類及其對海洋動(dòng)物的影響》一文，原文刊發(fā)于大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào)2012年第1期。
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