集装箱船下水噪声水平与船舶设计、作业和海洋学条件的关系外文翻译资料

 2022-08-23 16:01:40

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集装箱船下水噪声水平与船舶设计、作业和海洋学条件的关系

低频海洋环境噪声主要是来自商业船舶的噪声，但了解个别船舶的贡献值得进一步研究。本研究发展并评估与设计特性、作业条件、船舶噪音、船舶噪音等相关的统计模型，和海洋环境。建造500个船舶通道和9个可变因素的广义加法模型。使用海底地震记录仪收集加利福尼亚海岸附近的船舶运输的机会声学测量。为等待装运的船舶建立传输条件。对于记录的多个时差速度，累积速度降低了8节，降低了65%的运行速度。按照选择顺序，模型具有最高的预测能力，包括船速、大小和年份时间。不确定性来源于模型拟合。这些结果对集装箱船产生更高水平水下噪声的条件提供了见解。

海运是大洋洲1-3的主要低频噪声源，尤其是在北半球，那里的船舶交通量占大多数。在低于300赫兹的频率下，当暴露于远处的船运4-6时，环境噪声水平会提高15-20分贝。水下船舶噪声是标准船舶作业的附带副产品，主要来自螺旋桨空化7。人们已经对提高海洋生活水平8-11的效果表示担忧。然而，预测特定地区的噪音水平以及可能提高这些水平的具体条件仍然没有得到充分的探索。圣巴巴拉海峡（SBC）位于南加州海岸（图1），是一个商船交通密集的地区，集中在指定的航道上，平均每天有18艘船通过。两个主要港口，休尼姆港和洛杉矶长滩港（POLA），为通过SBC的船只提供服务。波拉港是北美第二繁忙的港口，直到最近，估计75%的船只从波拉港出发，65%的船只从波拉港和惠尼港驶过。集装箱船，本研究的重点，是一类特殊的大型商业船舶，设计用来装载集装箱货物（图2），并代表一个高效的运输系统。这些船舶体积大、速度快，运输时间短，占全球13号船的90%。从区域来看，集装箱船占大多数商用船舶12；从全球来看，集装箱船占22%的商用船队13。集装箱船是在20世纪50年代引进的，自1990年以来，集装箱贸易增长了5倍，是所有船型中增长最快的一种。在本研究中，我们收集了运输集装箱船的海底技术测量数据，用于确定与水下噪声测量水平相关的变化（设计、操作和海洋学）。

利用船舶设计特性（如长度、总吨位）、运行条件（如速度）和每个单独船舶通过期间收集的海洋学背景（如月份、波高）作为协变量，建立统计模型，将船舶水下噪声水平与这些变量联系起来。为宽带源电平估计（20–1000赫兹）和5个低频倍频程建立了统计模型，使用19个协变量来确定测量的预测因子是否解释了噪声电平，这些关系是显著的，并确定不同变量的影响。对同一船型的多个船型的声级进行了评估。本研究的结果提供了详细的船型特征和海况，从而在全球活动持续增长的情况下，使相对较新的船型的水下噪声水平更高

结果593个容器的源电平（SL）由长期声学记录接收电平（RL）和简单传输损耗消声自动识别系统（AIS）数据进行估计。45%的被测船舶进行了网络追踪，5%的船舶进行了四次或更多的运输（图3）。使用一组操作和海洋学协变量（表1）来预测这29艘船舶的SL，没有选择单独的船舶识别作为协变量，因此，对于任何建模频带的广义加性模型（GAM）结果中的解释偏差都没有改善。大型船舶的宽带SL稍有增加的趋势；然而，在某些情况下，单个船舶的SL变化为5-10 dB（图3）。基于这些结果，每个船舶的运输被视为一个独立的事件，船舶识别不作为协变量包含在后续模型中。所有统计模型都有显著的改进，增加了操作和海洋学的协变量。具体来说，仅使用设计预测值的最新合适的模型的解释偏差从未超过25%。当包含操作和海洋学协变量时，解释了SL的可变性

增加到39%以上。宽频带最佳拟合模型的解释偏差最高（56%），总体上，拟合偏差随着频带的增加而减小（表2）。在所有频带模型中，工作变量，即船舶速度（SPD）被包含为协变量，并解释SL中的最大可变性（表2；图4）。模型中的附加设计、操作和海洋学协变量和相对重要性取决于频带。最佳拟合模型中包含的协变量的数量从4到8不等；较低的频带模型包含更多的协变量，并且通常在SL中具有较高的解释偏差。在预测所有频带中的SL时，选择船舶尺寸（总长度（LOA）或总吨位（GT））作为协变量（表2）低频段的重要设计协变量，而GT是高频段的重要设计协变量。对于124和250赫兹模型，当基于燃气轮机的船舶比预期的短时，SL预测更高。对于63hz频段，当基于燃气轮机的船舶马力（HP）高于预期时，预计SL会更高。海洋学协变量的包含因频率带模型而异（表2）。测量月（MTH）被包含为协变量频率带模型；最佳拟合模型预测春季更高的SL。对于低频模型（16和31.5hz）和宽带模型，波高和海流方向被作为SL的预测因子。随着波高的增加，当海流与船舶行驶方向相反时，预测更高的SL。对于频率较高的最佳拟合模型，海面条件的协变量不作为协变量包括在内。在一些频带模型中，在最佳拟合模型中选择距海底记录器（RAN）的距离和距离另一艘船（OTH）的距离作为协变量（表2）。例如，在124hz模型中，距离HARP较近的舰船具有更高的预测SL。对于以250hz和500hz为中心的倍频带和宽频带模型，在较高的预测源电平中会产生光子的存在。10%的被测船舶出现窄带音调（图5）。

讨论本研究的结果揭示了来自商业海运船舶的低频噪声如何与描述船舶通道的一组协变量相关。这项研究的统计方法提供了一个框架，以评估可能的协变量预测水下噪声。协变量因所分析的频带不同而不同；然而，所有模型都包括速度和船舶尺寸的测量，证实了先前预测更快和更大船舶噪声水平更高的研究7、14、15。我们的

结果通过测量现代船型（集装箱船）的噪声，在更宽的频率范围内测量，并包括描述海洋环境的额外协变量，扩展了这些先前的发现。尽管我们发现了很大的变化，即使是在逐船比较中，在量化特定区域的船舶噪声水平时，考虑这些预测因素也是很重要的。本文研究的机会主义方法可用于评估设计中的具体变化和测量其他船型。

世界航运的快速增长，以及船舶速度和尺寸的增加，都与东北太平洋地区低频环境噪声的增加有关5。这项研究支持这种关系：所有频段的模型都预测随着船舶速度和尺寸的增加，SL会更高。此外，船速解释了在同侧频带内的多变量，所有模型中都包含了一个船舶尺寸度量。Ross（1976）报告了在本研究中分析的超过100 hz的整体源光谱与30 kGT的船舶自交船的大小之间的相似阳性关系，以及船舶噪声与速度之间的较小关系。最近的研究没有发现速度与SL15,16之间正相关的证据。缺乏关系可能是将多个船型组合成单一回归分析的产物6。特定船型具有独特的设计（如船体形状、机械），直接影响水下辐射噪声的频谱特性6。本研究通过对一种船型（集装箱船）进行统计分析，来控制特定船型的差异，以了解集装箱船噪声级的预测因素。虽然在预测所有频带的SL时，船舶尺寸的测量被作为协变量包括在内，但尺寸变量不同。船舶纵向是重要的设计协变量或低频段，而燃气轮机是高频段的重要设计协变量。我们的研究结果表明，燃气轮机低于预期的船舶具有更高的预测源水位；这些船舶可能是巴拿马型以后的船舶，一种设计上的改变，允许船的宽度增加，但长度不变。我们的模型中使用的参数是船舶设计的一般描述，包括更具体的性能和设计描述（如阻塞系数，阻力，螺旋桨形状）虽然不是AIS数据流的一部分，但可能会改善模型结果，并允许更具体的设计建议。在统计模型中，除了船的速度和大小之外，还将描述每艘船在航行过程中的海洋表面状况的海洋学变量作为协变量。在七个可能的海洋学变量中，船舶通过月份

该预测器旨在捕捉与水柱特性相关的辐射噪声差异，特别是受季节性水温影响的声速剖面（SSP），其改变了传播特性。考虑到本研究的机会主义方法，获得同步SSP虽然是确定传播损失的理想方法，但不可能。所有统计模型都表明，在春季月份，预测的辐射噪声会增加（4月、5月和6月）本区域的春季水柱属性为该结果提供了可能的解释。春季期间，该地区发生了强烈的上升流事件，将冷水引入地表，形成了更均匀的水柱17。在夏末和秋季，当声源位于温暖的表层时，温暖的地表水会捕获声波，从而减少辐射噪声18。进一步支持这一解释的是，在更高频率的模型中，MTH作为协变量的重要性更大；因为在更高频率的模型中，在表层中捕捉声音的作用更大18。不幸的是，并不是所有的月份都出现在这项研究中，这在一定程度上限制了季节性比较。此外，短暂的海岸海洋学特征，如内波，也会在较短的时间尺度上影响地表水中的声音传播19。在低频模型中，表面电流方向是舰船噪声的重要预测因子。当表面电流与船舶的行驶方向相反，预测的噪声水平更高。这是可以预期的，因为要达到最佳运行速度，需要增加发动机功率，潜在地增加辐射噪声。在低频段，波高、主波周期和主波周期的方向也会影响预测的噪声水平。波高的增加和波周期的缩短会产生更为汹涌的海浪，导致船舶发生横摇和纵摇，可能导致空化和预计的辐射噪声水平的增加。目前尚不清楚天气状况对本研究中测量的频率下的环境噪声水平有何影响，尽管其水平远低于船舶1,3；而在模型选择过程中，任何一种舰船辐射噪声模型的风速和风向都不包含子波。

对于某些频带（16、63、124和250hz），预测靠近HARP的船舶的SL水平会增加。特定的船舶行为可以解释为什么在船舶关闭至竖琴。区域内船舶速度的空间分析显示，在理想航线（即，靠近竖琴）上的最快航程为20。根据这一观察，这个变量可能与船速有关；但是，它也可能与声音如何在不同距离的海底传播和相互作用有关。我们分析了在没有其他船舶的情况下（通道之间的间隔为1小时），SBC的船上传输，但在模型中尽可能地包含了过往船只之间的时间。只有低频带（31.5和63个高频带）作为协变量包含了这一持续时间，并且包含可能与来自遥远船只的低频声传播有关。

多个不同航程的单独船舶记录提供了同一船舶SL的比较（图3）。5-10分贝的变化表明，运行条件和/或海洋环境对辐射噪声有显著影响。这个结果，虽然对理解条件很重要

这可能会导致船舶的噪声水平较高，这就要求对个别船舶进行充电，从而降低最低劣船舶的总体噪声。一个重要的变量，即谱线的存在，可能会导致噪声的显著降低。有音调的船舶在宽频带和高频倍频带（250和500赫兹）都有较高的预测噪声水平。这种噪声的原因是已知的，但可能与螺旋桨损坏有关，这可能会增加辐射噪声，并可能降低推进系统的效率7。识别这些船只并消除音调的原因将导致噪音的显著降低。在31.5hzoctaveband模型中，是一个变量：较老的船在这个波段产生更多的噪音。本研究分析的大多数船舶建造于2000年至2005年之间（47%），19%建造于2005年之后，其余船舶建造于2000年之前；最旧的集装箱船包括1997年建造的船舶。较新船舶建造中推进系统的变化可能解释了低频辐射噪声的减少量，尽管新船的航行速度更快，平均来说也更大。集装箱船的设计在减少船舶通过水的阻力和提高推进力和机械效率方面都有了持续的改进21。改进包括抑制发动机振动、改变船体设计和减少发动机气缸21。旧船上的螺旋桨损坏或污垢也可能解释了旧船辐射噪声水平较高的原因。考虑到船舶速度是预测SL最重要的协变量，船舶速度降低应导致较低的辐射声级。然而，船舶SL是辐射噪声的瞬时估计，降低船舶噪声的策略必须考虑累积噪声暴露，特别是在特定区域减缓船舶速度时。一种计算累积值的方法

曝光是声音曝光水平（SEL）或噪声在特定持续时间内的积分与时间之间存在一种权衡，即在一个区域（增加时间）内旅行较慢（降低SL）和花费更多时间进行SEL计算。例如，一艘294米集装箱船以10米/秒和5米/秒的速度航行（图6A）。速度较慢时，船身的长度为5分贝，但在该区域所花费的时间增加了两倍，导致噪音增加了3分贝；因此，船身的净减小量仅为2分贝。计算任何速度下的SEL的减小量如下利用速度和SL（图6A）与船舶运行速度（服务速度）之间的关系推导出方程式：

净SEL减少，其中，i是特定速度迭代，spdo是船舶的已知运行速度，SL是在运行速度下估计的船舶源级。在这个例子中船舶的已知运行速度为12 m/s，当船舶以4 m/s（7.7节）或35%的运行速度（图6B）行驶时，SEL的最大净减小量出现。噪声降低聚焦于有音调的船舶、较旧的船舶和降低船舶速度的船舶。然而，船舶减速应考虑累积效应，特别是SL减速与区域时间消耗之间的权衡，以及船舶以低于其运行速度的速度行驶的可行性。

统计模型无法解释的SL变化可能与螺旋桨的深度有关，螺旋桨是主要的声源，因此降低了双声源的影响，从而减少了船上的辐射声量。换言之，货源离海面越近，其强度越低。货源深度取决于船舶的特定设计和特定运输期间的荷载条件。不幸的是，AIS没有提供关于船舶荷载状况的信息；因此，不可能在模型中包含这种协变量。这些模型包括船的指定最佳吃水深度。然而，在任何一个模型中，这个变量都没有被选作协变量，这表明船舶吃水对货源的实际深度不是一个很好的假设，也许用装载集装箱的数量等方法来预测螺旋桨的深度更为准确。一般来说，离开POLA（即北行）的集装箱船装载量不如进入22时。本研究中报告的测量值来自于离开POLA（北行）的船舶，可能过度代表了未满载的船舶，低估了满载船舶的辐射噪声，可能是更深的辐射源。

方法

录音。高频声波记录包（HARPs）部署在距北行航道约3公里的SBC内（图1）。竖琴是底部安装的仪器，包括水听器、数据记录器、电池电源、镇流器配重、声音释放系统和浮力23。水听器安装在浮标上方约10 m处的仪器和浮标上。通过快速傅里叶变换（2000 Hz采样率，2000个采样，0%重叠，并基于斯克里普斯海洋研究所鲸鱼声学实验室和美国海军位于加利福尼亚州圣地亚哥的换能器评估中心设施进行的水听器校准。在声谱级计算中使用的时间量等于船舶自航所需的时间，如Bahtiarian（2009）所建议，以及美国声学学会（ASA）标准（ANSI/ASA S12.64-2009/Part 1）所详述。2008年10月和2009年3月至10月（不包括8月）收集了过往船只的机会性声学记录。长期声波记录与AIS24中的波形信息相结合，以使用McKenna等人所述的相同方法估计震源水平。（2012）6。接收到的声级是在每艘通过边界线至竖琴（图1）的船舶的最接近点（CPA）处测量的。CPA距离从1.6公里到4.6公里。以16、31.5、63、124和500hz为中心的标准倍频带的总宽带噪声级

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