海洋充满了声音。海底声音由各种自然来源产生,例如拍打的海浪、降雨和海洋生物活动。它也由各种人造来源产生,例如船只和军事声纳。有些声音在海洋中几乎无处不在,且一直存在。海洋中的背景声音被称为环境噪音。
环境噪音的主要来源可以根据声音的频率进行分类。在20-500 Hz的频率范围内,环境噪声主要是由远处船舶产生的噪声引起的。即使在去除靠近接收器的船舶产生的任何噪声后,仍然可以检测到远处的船舶。在船舶交通繁忙的地区,噪声量更大。南半球的船舶较少,因此低频环境噪声水平通常至少低10 dB。随着公海上船舶数量的增加,由船舶产生的噪声也有所增加。在500-100,000 Hz的频率范围内,环境噪声主要是由于破碎海浪引起的喷雾和气泡。随着风速的增加而增加。在约100,000 Hz以上的频率,由水分子的随机运动产生的热噪声占主导地位。这种噪声设定了可以测量到的最低声音水平的终极限制。海洋中的背景声音可以总结在一个图表中,该图表显示了不同频率下的典型声音级别。此图表中的声音级别是相对于1 µPa在1 Hz宽频率带中的分贝数,通常写作dB re 1 µPa2/Hz。

根据Wenz (1962) 测量的在不同频率下海洋背景噪声的典型声级。因此,该图表也被称为Wenz曲线。声级以水下dB表示,频率带宽为1 Hz,通常写作dB re 1 µPa2/Hz。
环境噪音研究历史
自20世纪初潜艇信号出现以来,水下声音干扰噪音一直是一个问题。

二战期间德国在澳大利亚水域布设的接触式水雷
首先在灯塔附近安装了水下钟来警告航海者导航危险。然而,对环境噪声的系统研究直到二战期间才开始。在二战期间,开发了声控水雷,这些水雷会根据经过船只的声音触发。为了设置声控水雷的触发声音水平,需要准确知道环境噪声水平,这样它们只有在船只存在时才会爆炸。这种需求帮助推动了测量环境噪声水平所需的校准接收系统的开发。在加州大学对沿海水域和港口进行了从 1000 Hz 到 50,000 Hz 的频率范围内的环境噪声测量。他们发现,随着风速和波高的增加,噪音水平也会增加。对于给定的风速,噪音水平随着声频的增加而减少。总结他们结果的曲线被称为“克努森曲线”。环境噪声在大约1000 Hz到50,000 Hz频率范围内的依赖风速表明,环境噪声的测量可以作为确定海洋上风速的工具。这个原理在多年后被应用于海洋学仪器,并命名为WOTAN,即“通过环境噪声进行风观测”。与上述讨论的几乎总是存在的环境噪声不同,有些声音是间歇性的或只在海洋的有限区域发生。海洋中有大量的间歇性声源,包括自然物理过程、海洋生物和人造来源。
自然物理过程
在海洋中周期性产生声音的物理过程包括降雨、海冰破裂、海底地震和海底火山喷发。像暴雨这样的常见现象,可以增加由气泡和飞溅产生的噪音水平高达35 dB,在从几百赫兹到超过20,000 Hz的广泛频率范围内。
海洋生物
海洋动物发出的声音多种多样。海洋哺乳动物,如蓝鲸和宽吻海豚,根据海洋哺乳动物的种类不同,发出的频率范围从不到10赫兹到超过100,000赫兹不等。许多鱼类,如牡蛎蛙鱼和平鳍海鲈鱼,以及一些海洋无脊椎动物,如拟态虾也会发出声音。这些海洋动物声音的例子可以在网上中找到。海洋动物利用声音来获取周围环境的详细信息。它们依靠声音来交流、导航和寻找食物。海洋哺乳动物,如海豚,利用声音来定位和识别食物、障碍物和其他鲸鱼。通过发出点击声,或短脉冲的声音,并聆听回声,海豚可以检测到单个猎物,并在水下绕过物体。海洋哺乳动物的叫声实际上可以增加环境噪音在某些地点在某些时间可以增加20-25 dB。蓝鲸和长须鲸发出低频的呻吟声,频率为10-25 Hz,估计声源级在1米处高达190 dB。由于蓝鲸和长须鲸的叫声,秋季和冬季加利福尼亚海岸的环境噪音在17-20 Hz的频率上增加。

从1995年1月到2001年1月,来自加利福尼亚州苏尔点大陆架上接收机的频谱图,使用1天平均值。秋季和冬季17-20赫兹的环境噪声增加是由于蓝鲸和露脊鲸的叫声。
以下表格列出了海洋生物产生的某些声音的声源级。声源级以水下1米处的dB值表示。接收器离声源一米时的声源级被定义为声波离开声源时,声级会减小。这些是宽带声源级,这意味着它们是声源产生的所有频率的声能总和。上面图表中给出的声级是1Hz带宽内的背景噪声水平这意味着声能仅在1Hz范围内求和。由于这种差异,因此它们不能直接与下表中给出的声源级进行比较。
声音种类 | 宽带声源级(1米处的分贝值) |
抹香鲸点击声 | 163 – 223 |
旋转海豚脉冲爆发 | 108-115 |
虎鲸口哨声 | 125-173 |
灰鲸呻吟 | 155 – 186 |
蓝鲸呻吟 | 155 – 188 |
灰鲸叫声 | 142 – 185 |
长须鲸的音调、呻吟 | 128 – 189 |
座头鲸叫声 | 144 – 174 |
座头鲸尾鳍和拍打鳍 | 183 – 192 |
南露脊鲸发出脉冲声 | 172 – 187 |
人类声音
由人类活动产生的声音是总海洋声学背景的重要组成部分。海底声音被用于许多有价值的目的,包括通信、导航、国防、研究和探索以及捕鱼。然而,有些声音只是另一种活动的副产品,例如船舶和海上工业活动(包括石油钻探和生产)产生的噪音。由人类活动产生的声音涵盖了广泛的频率范围,从几赫兹到几兆赫兹,并且具有广泛的声源强度。以下表格列出了由人类活动产生的某些声音的声源级。
声音种类 | 宽带声源级(1米处的分贝值) |
大型商用船舶 | 160-190 |
海上破冰 | 150–200 |
水下爆破与打桩 | 200–220 |
石油与天然气地震勘探(气枪) | 160–260 |
海上风电场建设(打桩) | 200–210 |
海上风电场运营期间 | 130–150 |
中频主动声呐 | 200–235 |
静音潜艇的机械噪声 | 95–110 |
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