声纳探测技术的低频化是水下远程探测的重要发展趋势。“瓶颈”之一就是对低频海洋环境噪声场,尤其是航船噪声特性的基础性研究,目前国内外仍缺乏较科学的理论基础和有效的处理方法。在过去的数十年间,航船噪声对海洋生物及生态的影响也受到国外的广泛关注。研究航船噪声不仅具有重要的国防意义,更具有十分特殊的海洋生态保护意义。本文的基本思路是这样的:在大量航船噪声实测数据的基础上,分别采用噪声机理和统计规律两种思路建立了商船的声源级模型,并结合舟山群岛海域的实际地形和实时的AIS数据对航船噪声的空间分布进行了预报。首先,研究了浅海声传播损失的变化规律。尽管目前国际上已有很多航船噪声测量标准,但基本都是规定了最近测量距离、测量水深等,且在理想可控的测量环境下针对合作船的测量。对于浅海海域,声传播损失受海面洛埃镜效应、海底地声参数的影响很大,因此本文定义的声源级采用“单极子源”表示法。为了获得准确的声传播损失,本文在低频采用简正波法或有限单元法,在高频采用射线理论。研究结果表明:1/3倍频程平均声传播损失(TL)在50 Hz~1 kHz频段内与水平接收距离r有关,即TL=16.7lg(r)-1.1。此外,还对各种因素带来的声传播损失不确定度进行了分析。影响最大的因素是海底参数的描述,其次是声源深度,其它影响因素所造成的不确定度在所有频率内均为2.0 dB以内。其次,针对合作船建立了基于噪声机理的声源级模型。结合三类航船水下辐射噪声源的主要特点,将三类噪声源分别描述为随航速和频率变化的表达式。在此基础上提出声源级模型的建立方法,即满足部分实测结果与声源级模型的最佳匹配,从而确定包括特征频率在内的17个未知数,实现不同航速的声源级预报。为了验证这种建模方法的可行性,在我国南海海域针对某合作船的水下辐射噪声进行了详细的测量。通过对噪声数据的分析,得到了一些低频噪声特征,并指出背景噪声是测量中不容忽视的重要内容,尤其对于浅海海域。在测量得到声源级的基础上,采用序列二次规划算法(SQP)对该非线性带有约束的问题进行数值优化,得到了较合理的声源级模型。该模型不仅能够与实测结果相吻合,而且可实现噪声源的分离。第三,针对大量的非合作船建立了基于统计规律的航船声源级模型。为了建立较为准确的模型,在舟山群岛海域按月开展了两年半的航船噪声测量。测量方法按照非合作船的方式进行,接收点位于海底附近。为了保证测量的准确性,校对了水听器灵敏度,并分析了根据AIS数据换算的距离误差。通过对每艘船的噪声数据逐一分析,挑选了57艘有效的商船噪声数据。每艘船的声传播损失都按照实际的地声参数、等效声源深度进行计算,从而得到了57艘船的声源级。结果显示,在63 Hz附近有明显的驼峰,且在500 Hz和630 Hz附近由于很多船发生了唱音现象而导致整体水平有所提高。此外,分别采用RANDI-3模型和Ross模型对这些船的声源级进行了预报。RANDI-3模型的预报效果整体上优于Ross模型,但这两种模型的预报精度都有待提高。在RANDI-3模型的基础上,首先得到了平均声源级随频率的变化曲线。其次,为了提高100 Hz以下的预报精度,分别得到了50~100 Hz以及100 Hz~1 kHz两个频段内声源级随航速和船长的变化关系。研究结果表明,在50~100 Hz频段内关于对数航速的斜率为37.75,比100Hz~1 kHz频段内的斜率49.16要低(这一数值与Ross模型推荐的50非常接近),船长的变化规律(斜率~18)也与Ross模型(斜率20)的规律基本一致。在此基础上,提出了声源级的修正模型,预报结果表明修正模型在200 Hz以下,比RANDI-3模型有了一定的改进。最后,在航船声源级模型的基础上,采用N×2D三维快速算法对舟山群岛海域的航船噪声进行了预报。首先根据海底地形构建了计算网格,每个节点都有相应的声学参数进行描述。其次,讨论了在岛礁附近的航道上不同位置的点源产生的噪声场的水平分布情况,并给出了航船噪声总体预报流程和定点观测的时频图。时频图表明,不同频率下的累积分布函数曲线形状基本一致。随着分析频率的提高,累计分布函数曲线向噪声级低的方向移动。结合该海域内航船的基本信息,每一艘船的声源级都采用修正模型进行预报。采用声能量叠加原理,得到不同频率下所有航船在整个海域的噪声场水平分布(海面以下10 m)。噪声图案的显著特征是,随着分析频率的提高,点源附近的噪声相对减弱,但总体传播范围更广,不同位置由于岛礁的遮挡和海底地形的不同而导致传播有所差异。此外,还给出了不同距离、方位的航船对某观测点的噪声贡献量。这些研究结果对于实现复杂岛礁海域航船噪声的快速预报具有重要的参考价值。