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行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫三：海洋音測學之訊號處理研究(1/2)

中

華

民

國 92 年 5 月 15 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□ 成 果 報

告 þ期

中進度

報

告

亞洲海域國際聲學實驗 子計畫三：海洋音測學之訊

號處理研究(1/2)

計畫類別：□ 個別型計畫

þ

整合型計畫

計畫編號：NSC 91－2611－E－110－008－CCS

執行期間：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

計畫主持人：魏瑞昌

共同主持人：馬幼俠

計畫參與人員：劉志昇、湛翔智

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：

þ

精簡報告 □完整

報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

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出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究

計畫、列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年

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二年後可公開

查詢

執行單位：國立中山大學海下技術研究所

行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度

報告

亞洲海域國際聲學實驗 子計畫三：海洋音測學之訊號處理

研究(1/2)

計畫編號：NSC 91-2611-E-110-008

執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

主持人：魏瑞昌 國立中山大學海下技術研究所

計畫參與人員：劉志昇 國立中山大學海下技術研

究所

湛翔智 國立台灣大學工程科學及

海洋

工程學系

The ambient noise were measured on VLA of ASIAEX 2001 South China Sea Experiment from May 3 to 16, and 6 frequ- encies, which are 50, 100, 200, 400, 800, and 1,200 Hz, were analyzed in this study. The depth dependence of ambient noise levels in shallow water were not significant, and the oscillation of ambient noise levels were calculated by Fourier analysis. The results have shown close relationship with K1 and M2 tides period. The frequency dependence of ambient noise was also investigated, the low frequency components were mainly contributed from distant shipping noise, and the local wind was the dominating factor in higher frequencies. Finally, the PDF of ambient noise levels were calculated at each frequency, and find the low frequency ambient noise levels were not significantly affected by typhoon. The threshold frequency of wind wave affected ambient noise levels were about 400 Hz.

Keywords: ASIAEX, Ambient Noise, Low Frequency, K1, M2 Tides 二、緒論 自冷戰結束之後，由於作戰需求的改變，淺海聲學研究的重要性與日劇增， 而了解淺海環境噪音也變得更加重要。淺海環境噪音的主要來源不外乎船舶噪 音、風浪所產生的噪音和海洋生物所發出的聲響，此外氣候也能改變環境噪音， 如颱風帶來的外圍環流可使環境噪音能量提高。在諸多噪音源中，又以船舶噪音 與風為主要噪音源[1-2]，此因船舶和風所產生的聲壓級較大，時間較長，且頻率 範圍大，因此本文主要目的在於探討影響低頻環境噪音之重要因素，並利用訊號 處理的方式，得到所需資料，再利用統計學的方法，探討低頻環境噪音之相關參 數，進而達到了解環境噪音的機制。 本文研究以西元 2001 年，由美國所主導的亞洲海域國際聲學實驗(Asia Seas International Acoustic EXperiment, ASIAEX)的量測資料為主。ASIAEX 共分為兩 個實驗，一個在東中國海(East China Sea, ECS)研究聲波在海床的反應及散射，另 一個在南中國海(South China Sea, SCS)研究內波與聲波在水中的傳遞效應，而台 灣以參與南海實驗為主，也是本研究的探討海域。

ASIAEX SCS 實驗區域如圖 1 所示，其位置約在東經 117°-118°與北緯 21 °-23°之間，為淺海大陸棚地形。圖 2 為實驗區儀器佈放圖，包括聲學接收陣 列與聲源，聲學接收器包含水平線陣列(Horizontal Line Array, HLA) 和垂直線陣 列（Vertical Line Array, VLA）。VLA 上共有 16 組水下麥克風，HLA 則有 32 組 水下麥克風[3]。本文分析之數據來自 VLA，此外在 VLA 上放置 10 個 T-pod 感 測器串作為溫度的量測。而實驗聲源放置於兩處，一處位於水深約 350 m，距接 收陣列南邊約 19 km 的二個聲源：WHOI 224 Hz 聲源和 NPS 400 Hz 聲源。另一

處位於水深約 115 m，距接收陣列東邊約 12 km 的三個聲源：NPS 400 Hz、NRL 300 Hz 和 NRL 500 Hz 聲源。 圖 1 ASIAEX SCS 實驗區 圖 2 實驗裝置示意圖 原始環境噪音資 料CSD格式 濾波器處理 傅立葉轉換 時間序列 分佈圖 統計分析 機率密度函數 頻率變動分析 相關性分析 聲能與頻率 相依圖 聲能隨深度 頻譜圖 圖 3 訊號處理流程圖 三、資料前處理 3.1 數據處理流程 本研究利用訊號處理方法將 ASIAEX 所得到的原始環境噪音資料作分析， 資料經過濾波器處理[11]，將欲分析的頻段分離出來。並經過傅立葉轉換、得到

環境噪音級振盪，利用相關性分析得聲能與深度、時間的相關結果，最後利用數 值統計的方法，找出環境噪音的機率密度函數，圖 3 即是本研究基本訊號處理流 程。 3.2 頻率範圍 頻率範圍的選定，則是由於 VLA 上的取樣頻率為 3,255 Hz，根據 Nyquist 取樣定理，錄製的有效值小於取樣頻率的一半，也就是 1,627 Hz 以下，因此本 文探討的 6 個頻率選定有 50、100、200、400、800 和 1,200 Hz。 圖 4 15 號水下麥克風頻率時間頻譜 利用頻譜圖可容易看出環境噪音的頻率隨時間的變化，而圖 4 的時間為 5 月 14 日 22 時，x 軸是時間，y 軸為頻率，顏色代表聲壓位準值，由圖中可明顯 看出 224、300、400 及 500 Hz 等實驗聲源分佈情況，由於本文研究重點在於環 境噪音，利用濾波器來避開這些聲源訊號，才能準確地分析環境噪音。 3.3 西馬隆颱風 西元 2001 年 5 月 10-14 日，西馬隆(Cimaron)颱風經過 ASIAEX 實驗區域， 以致於本研究的環境噪音資料也受西馬隆颱風影響，其行進路線如圖 5 所示，本 文採用 5 月 9 日、11 日與 14 日這三天來代表西馬隆颱風在南中國海實驗區經過 的前後時間點，相互探討這段時間的整體趨勢並比較差異。

圖 5 西馬隆颱風行進路徑 四、結果分析 4.1 深度相依 本研究先就深度與聲壓級做探討，特別列出 50、200、400 及 1,200 Hz，首 先在圖 6 所示，分別代表 5 月 9 日、11 日、14 日在一天中，2 時、7 時、12 時、 17 時和 22 時共五個不同時段對於頻率 50 Hz 聲壓位準的深度分析。其中 x 軸是 聲壓位準，y 軸是深度。由圖 6 可以發現此三天的聲壓位準不隨深度改變，且隨 著時段的不同，其聲壓位準會有明顯的改變，顯示聲壓分佈與時間有相依性，且 受颱風影響甚小。 圖 6 50 Hz 聲壓位準之深度分佈 觀察不同頻率的聲壓位準，可發現頻率不同也會影響其聲壓位準值，如圖 7 所示，在 200 Hz 的聲壓位準就比 50 Hz 小約 8-10 dB，是因為愈高頻的訊號， 較易被水吸收，所以聲壓位準較小。此外在圖 7 中，5 月 11 日開始受到風速的 影響，但不明顯，代表在 200 Hz 以下的頻率較不受颱風的影響，此由文獻[4] 中也可得到相同的印證。 5/11 5/12 5/13 5/14

圖 7 200 Hz 聲壓位準之深度分佈 在頻率 400 Hz 的聲壓位準上有個比較要注意的現象，在 5 月 11 日的聲壓位 準較其它兩天低，從圖 8 即可看出此現象，可能原因為 5 月 11 日為颱風天，船 隻活動少，造成 400 Hz 以下的聲壓位準較低，此外在 5 月 11 日由於受到風浪的 影響，使得 400 Hz 比 200 Hz 的聲壓位準更集中，時間的影響也減小。 圖 8 400 Hz 聲壓位準之深度分佈 在高頻部份，其聲壓位準會明顯被風所影響，從圖 9 即可看出在颱風當天， 也就是 5 月 11 日，其聲壓位準變化已和時間沒有相依性，而在 5 月 14 日颱風離 開時，其聲壓位準對時間的相依性也較 5 月 11 日高 [9]。

圖 9 1,200 Hz 聲壓位準之深度分佈 除以上可看出在淺海分佈的環境噪音，跟深度沒有明顯的相依性，由之前的 文獻中可得到相同的卬證[12-13]，另外一個重要的結論則是在較低頻率時，颱風 的影響不甚明顯，而在高頻受到風浪影響就較為明顯，其分界頻率約在 200-400 Hz，從文獻中也可得到驗證[6-7]。 4.2 環境噪音之時間序列 50 Hz 屬低頻率範圍，主要受到遠船噪音和低頻潮汐影響。圖 10 則代表 50 Hz 從 5 月 3 日至 5 月 16 日的聲壓位準，其中可發現，在某些時段上會發生聲壓位 準增大的情形，此現象須利用頻譜與原始的聲音訊號比對，找出當時所發生的情 形。另外由整體來看，大略可看出每天會產生週期性的變化，因此找出這些週期 性變化便是本研究的重點。 圖 10 50 Hz 時間序列

為了能看出隱藏在其中的週期性變化，利用FFT ( Fast Fourier Transform )來觀 察出其頻譜分佈[5]，而圖11即是經由FFT所得出的頻譜，其中可以看出全日潮和 半日潮的分量，全日潮的頻率為1.075×10-5 Hz，而半日潮則為2.232×10-5 Hz， 經由反算得到全日潮的峰值為24小時，半日潮則為12.4小時，為方便表示，其中 圖形中全日潮都標示為K1，半日潮則為M2。 K1

圖 11 50 Hz 週期性之變動分析 接下來要探討 200 Hz 的時間序列圖，如圖 12，x 軸為日期，y 軸為聲壓值， 其聲壓值較圖 10 低 10- 12dB，也驗證了 4.1 節的結果，因為較高頻，波長短， 易被水吸收，另外由圖 13 中，也可看出還是有 K1、M2 的變化，在此頻率範圍 中，其潮汐的週期性較為明顯。 圖 12 200 Hz 時間序列 24 Hour 12.4 Hour M2 12.4 Hour K1 M2 24 Hour

圖 13 200 Hz 週期性之變動分析 從 4.1 節所討論的 400 Hz 中可知，在此頻率上，已經開始受到颱風的影響， 由圖 14 也可觀察到此現象，在 5 月 10 日的聲壓位準有往上提升的現象，而圖 15 的 K1、M2 週期性也較圖 11 及圖 13 的頻譜圖不明顯，此乃颱風經過，將 5 月 10 日至 5 月 12 日的聲壓級整個提升的緣故，海水溫度也因強大的風浪的影 響，被攪拌平衡，造成潮汐現象被風浪所遮蔽。 圖 14 400 Hz 時間序列 圖 15 400 Hz 週期性之變動分析 颱風影響高頻部份更為劇烈，由圖 16 可看出，從 5 月 10 日，甚至到 5 月 14 日還是有受到颱風的影響，導致於圖 17 已無之前的週期性變化。更能明顯看 出颱風經過前後，其聲壓位準相差了有 10 dB 之多，經過 FFT 之後，其頻譜皆 受颱風的影響，導致從頻譜圖上看不出明顯的潮汐變化。 12.4 Hour M2 K1 24 Hour

圖 16 1,200 Hz 時間序列 圖 17 1,200 Hz 週期性之變動分析 4.3 溫度之時間序列 除了觀察環境噪音時間序列的變化外，另外由溫度的變化更能看出潮汐的變 化，本研究利用在 VLA 上所放置的溫度計串來驗證 K1、M2 的變化情形，其中 C336 與 C315 溫度計串的深度各為 57.3、117.4 公尺，分別代表靠近海表面與海 床，由圖 18 可知，C336 的溫度變動較大，而 C315 的變動較小，此乃 C336 較 靠近海表面的緣故。從每天的觀察中，可明顯得知其潮汐的週期性變化，尤其以 C315 較為顯著。 因此利用 C315 溫度計串來做頻譜轉換，得到在 K1 處，有一個較大的峰值， 其值為 24 小時，此也證明在實驗區附近的潮汐變化，主要是以全日潮為主。 12.4 Hour K1 M2 24 Hour

圖 18 C336、C315 溫度變化 圖 19 C315 週期性之變動分析 4.4 頻率相依 在 VLA 上，共有 16 個接收麥克風，其深度範圍為 42 公尺至 124 公尺，為 了探討在不同水層下，聲壓位準與頻率的關係，本文選定 1 號及 15 號水下麥克 風(深度約 46 公尺與 121 公尺)，來討論在固定深度，頻率與聲壓位準的變化情 形。首先由圖 20 來看，x 軸為頻率，y 軸代表聲壓位準，圖中曲線代表 1 號水下 麥克風在 5 月 9 日、5 月 11 日與 5 月 14 日三天所量測的頻譜，由於受到颱風的 影響，5 月 11 日的斜率為-4 到-5.5 dB/Octave，小於其他兩天，顯得聲壓位準較 為集中，另外在圖 21 也是有相同的情形。其中圖 21 比圖 20 的斜率大約 1-5 dB/Octave，表示 1 號麥克風較靠近海表面，在颱風經過時，其海面受風浪的影 響甚鉅[1]。 12.4 Hour 24 Hour K1 M1

圖 20 1 號水下麥克風頻譜圖 圖 21 15 號水下麥克風頻譜圖 若將 1 號與 15 號水下麥克風置於一起比較，因 1 號與 15 號深度相差不多， 所以其聲壓位準相當接近，由圖 22 可知，1 號水下麥克風在高頻處比 15 號高約 2dB，乃 15 號水下麥克風較靠近海床，高頻訊號較易被海床吸收。而 5 月 11 日 的聲壓位準在高頻的地方也較其他日期高，此為颱風顯著影響所產生的結果。 圖 22 1 號與 15 號水下麥克風隨頻率變化

五、統計分析 5.1 機率密度函數

本研究最後利用統計方法中的機率密度函數[10]，來觀察環境噪音的基本特 性 ， 並 找 出 各 頻 率 上 的 平 均 值 (Mean) 、 變 異 數 (Variance) 、 標 準 差 (Standard Deviation)、尖率(kurtosis)與偏率(Dkewness)，並相互比較。 本研究分別探討 5 月 9 日、5 月 11 日和 5 月 14 日各別頻率的機率密度函數， 圖 23 所示，為 50 Hz 的機率密度函數，並將各項統計結果列於表 1，由表中可 看出其三天的平均值相當接近，表示在颱風前後的時間極低頻的頻段較不受影 響。從表中的變異數可看出，在 5 月 11 日的值比其他日期小，代表其變異性較 小，雖然由之前所分析的結果顯示，低頻受颱風的影響較小，但比起其他日期， 其聲壓位準還是會受其影響。在 5 月 11 日颱風當天，其 50 Hz 的偏率為負值， 表示聲壓級比常態分佈還稍偏正向[8]，雖然颱風沒有明顯影響 50 Hz，但其外圍 環流還是將聲壓值提升了一點。 圖 23 50 Hz 之機率密度函數分佈 表 1：50 Hz 聲壓位準之統計分析 5/9 5/11 5/14 平均值 88.0531 87.6362 88.7568 變異數 16.9711 10.6325 14.5683 標準差 4.1196 3.2607 3.8168 尖率 2.7050 3.1230 2.8138 偏率 0.2566 -0.0626 0.2304 200 Hz 其聲壓位準之機率密度函數與 50 Hz 相彷，由圖 24 即可得知，但主 要影響因子卻慢慢由遠船噪音的影響轉為受風的影響，由文獻中也有記載[4]， 在大於 200 Hz 時，風的影響會大於遠船噪音的影響。

圖 24 200 Hz 之機率密度函數分佈 表 2：200 Hz 聲壓位準之統計分析 5/9 5/11 5/14 平均值 76.2082 74.7654 76.7886 變異數 12.8878 8.2973 8.6834 標準差 3.5899 2.8805 2.9468 尖率 3.2870 3.6510 2.8962 偏率 0.6097 0.4647 -0.0871 受到颱風的影響，在 5 月 11 日當天，400 Hz 的機率密度函數比 5 月 9 日高 些，另外，較特別的是在 5 月 11 日時，其尖率為 8.2791，明顯增高，較不符合 常態分佈的結果，另外在表 3 所示，其 5 月 11 日的變異數也較其他日期低，此 現象也是受到颱風明顯的影響。 圖 25 400 Hz 之機率密度函數分佈

表 3：400 Hz 聲壓位準之統計分析 5/9 5/11 5/14 平均值 68.3939 70.5225 70.8873 變異數 10.9695 5.7756 8.8477 標準差 3.3120 2.4033 2.9745 尖率 3.4176 8.2791 3.0730 偏率 0.5504 0.9779 0.2323 在圖 26 可看出一個重要的現象，那就是在 1,200 Hz 受到颱風的影響最為顯 著，其聲壓位準明顯地提高，此外 5 月 11 日的偏率為負值，較接近常態分佈， 但總級數還是偏向正向，受風速的影響較大。而在表 4 中也看出 5 月 11 日的平 均值最大，變異數最低，而 5 月 14 日的平均值次大，變異數次低，此現象與 3.1 節，深度相依的結果相符，也是由於颱風離開時尚有外圍環流影響，其聲壓位準 比 5 月 9 日來的集中。 圖 26 1,200 Hz 之機率密度函數分佈 表 4：1,200 Hz 聲壓位準之統計分析 5/9 5/11 5/14 平均值 55.9661 65.7156 62.7270 變異數 16.9411 4.6395 6.3197 標準差 4.1160 2.1540 2.5139 尖率 2.9820 3.3450 3.7526 偏率 0.2168 -0.0508 0.3254 五、結論

本文的主要研究目的，在於探討淺海環境噪音之分析，從本文所討論的 6 個頻率：50、100、200、400、800 和 1,200 Hz 來看，在 50、100 及 200 Hz 屬於 低頻的範圍，受風的影響甚小，主要的影響因子來自於遠船噪音，而另外 400、 800 和 1,200 Hz，屬於中高頻的範圍，在颱風來臨前後，會有明顯的變化，此乃 高頻較易受到風的影響，而由 Shooter[4]等人所著的文獻上，則是記載在 150 Hz 以下最主要的特性為遠船噪音；而大於 200 Hz，則是受當地風速影響，此結果 在本研究上也可得到相同的結論。 若從日期上觀察，在 5 月 11 日颱風來臨時，其聲壓位準提高非常多，但潮 汐、內波等週期性的活動，就相對較不明顯。而在低頻部份，利用傅立葉分析其 時間序列，比較可以看出全日潮、半日潮的變化，在高頻，其變化較不明顯。 另外經由統計方法所做的機率密度函數，也可以看出在較高頻，受風的影響 較大，尤其是在颱風經過的當天，其平均值和聲壓位準會明顯地被提高，其風浪 影響環境噪音的門檻頻率約為 200 Hz，此結果與文獻上 Wenz 與 Shooter[4]等人 所做之分析相符，也可相互作為印證。 六、謝誌 本 研 究 承 行 政 院 國 科 會 的 經 費 補 助 （ 計 畫 編 號 NSC-91-2611-E-110-008-CCS），特此致謝。 七、參考文獻

[1] R. J. Urick, Principles of Underwater Sound, 3rd Edition, McGraw-Hill, 1983. [2] R. J. Urick, Ambient Noise in the Sea, Peninsula, March 1984.

[3] Woods Hole Oceanographic Institution, Preliminary Acoustic and Oceanographic Observations from the ASIAEX 2001 South China Sea Experiment, Technical Report, September 2001. [4] J. A. Shooter , T. E. Demary, A. F. Wttenborn, “Depth Dependence of Noise Resulting From Ship

Traffic and wind”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, VOL.15.NO.4, October 1990. [5] Alan V. Oppenheim, Alan S. Willsky,S. Hamid Nawab, Signals & Systems, 2nd Edition,

Prentice-Hall, 1983.

[6] R. L. Pirie, "A Study of Ambient Noise in Shallow Water," Masters Thesis, Florida Atlantic University, 1999.

[7] F. Ingenito , S. Wolf ,“Site Dependence of Wind-Dominated Ambient Noise in Shallow Water”, J. Acoust. Soc. Am. 85(1), January 1989.

[8] Gerald Keller, Brian Warrack, Statistics for Management and Economics, 5th Edition, Duxbury, 94-95, 2000.

[9] 林文斐，“風延遲效應對海洋環境噪音之影響研究”，中山大學海下技術研究所論文，民國

90 年 7 月

[11] 蒙以正，”以 MATLAB 透視 DSP”，1999 年 9 月

[12] 陳勇杰，“深度對南海環境噪音的影響”，第四屆水下技術研討會暨國科會成果發表會，民 國 91 年 4 月 24 日