海洋環境噪音為聲納的重要參數之一，由於噪音源具有時空的變動性，在不同海域會有不同的特性。在低頻環境噪音當中，船舶噪音為主要的貢獻來源，而台灣南部海域是西太平洋進出大陸與東南亞的重要航道位置，也有重要的戰略地位，因此研究這區域的船舶噪音顯為重要。本文透過頻譜圖與標準差等方法分析臺灣南部海域低頻環境噪音的變動特性，做為後續估算低頻船舶噪音的頻寬設定與估算結果之解釋依據，在分析結果中可發現，較低頻的環境噪音之噪音位準與變動較大，且有週期性現象產生，經過水文資料與噪音位準統計分析後證明為潮汐所致。在估算低頻船舶噪音時，必須得到每艘船舶的聲源位準(Source Level, SL)，因此本研究利用船舶自動辨識系統(Automatic Identification System, AIS)提供的船舶資訊與多頻道水下音響記錄系統(Several Hydrophone Recording Unit, SHRU)所收錄的低頻聲音資料，透過海面噪音聲學模組(Acoustic Module for Sea-surface Noise, AMSN)與多元迴歸統計等分析提出船舶SL估算公式。觀察估算結果可知，雖然整月份的估算值與實測值之間的相關性係數不高，但從單天的相關性係數來看，有部分天數的相關性係數超過0.3甚至可達到0.6，代表本研究的估算方法有可行之時。此外，本研究找出錨繩噪音、AIS接收範圍有限、AIS接收資料較不完全與潮汐等可能影響低頻船舶噪音估算之因素，並利用AIS船舶資訊、ADCP與SBE等水文資料加以證明與佐證影響因素的存在與影響力，而在這些影響因素當中，又以錨繩噪音與潮汐的影響最為明顯。

Ocean ambient noise is a vital parameter in sonar system, Noise can have different characteristics in various ocean region, because most noise source are time and spatial varying. Shipping noise is the major contributor to ambient noise at lower frequencies, moreover, southern sea of Taiwan is on a main shipping lane of west Pacific. Therefore, estimating the shipping noise is important, especially for strategic consideration in this region. In this thesis, spectra and standard deviation were used to analyze the variation of overall low frequency ambient noise in southern sea of Taiwan, then bandwidth of shipping noise analysis was determined. According to the results, the sound level is more variant in low frequencies with certain periodicity. Comparing with hydrological data and statistics, it can be proved the periodicity of level is related to tide. In order to estimate shipping noise, source level of each ship should be obtained. Source level used in this research was approximated by the multiple regression analysis from Automatic Identification System (AIS), Several Hydrophone Recording Unit (SHRU), and Acoustic Module for Sea-surface Noise (AMSN). Although the correlation coefficient between estimated level and in-situ data is not high as a whole month, but some of days fall between 0.3 and 0.6, that indicates the feasibility of this approach. It was also discussed that strumming noise, range limitation of AIS, AIS’s data lost, and tide may affect the estimation accuracy of low frequency shipping noise, which were proved by AIS, ADCP, and SBE, and the more significant factors are strumming noise and tide.

論文審定書...................................................................................................................i
摘要..............................................................................................................................iii
Abstract.........................................................................................................................iv
表次............................................................................................................................viii
圖次...............................................................................................................................x
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 海洋環境噪音 4
1.2.1 船舶噪音 6
1.2.2 潮汐噪音 7
1.3 船舶狀態與噪音 8
1.3.1 船舶噪音預估 10
1.3.2 船舶噪音對海洋的衝擊 11
1.4 AIS於船舶噪音之應用 13
1.5 研究目的 14
1.6 論文架構 15
第二章 實驗方法 16
2.1 實驗儀器 16
2.1.1 聲學記錄儀器 16
2.1.2 船舶資訊記錄儀器 19
2.1.3 水文記錄儀器 21
2.2 研究資料 23
2.2.1 聲學資料 23
2.2.2 船舶資料 24
2.2.3 水文資料 27
2.3 船舶數據統計 27
2.3.1 船舶密度 27
2.3.2 船舶類型 28
2.3.3 船舶長度 29
2.3.4 船舶速度 30
第三章 相關理論 31
3.1 訊號處理 31
3.1.1 取樣定理 31
3.1.2 快速傅立葉轉換 32
3.1.3 移動平均 33
3.2 統計理論 34
3.2.1 相關係數 34
3.2.2 多元迴歸與假設檢定 35
3.2.3 t分配 37
3.3 聲壓與聲強計算 38
3.4 聲學模式 39
3.4.1 AMSN運算理論 39
第四章 估算方法與資料前處理 41
4.1 聲源位準計算與蒐集 41
4.2 傳輸損失係數 43
4.2.1 模擬傳輸損失係數 43
4.2.2 實測傳輸損失係數 47
4.3 單一船舶之聲源位準 50
4.4 聲源位準影響參數 51
4.4.1 船舶參數擬合 51
4.4.2 SL估算公式 55
第五章 結果與討論 57
5.1 低頻環境噪音分析 57
5.1.1 環境噪音時頻譜 57
5.1.2 噪音位準統計與分佈機率 59
5.2 船舶噪音估算 64
5.3 影響估算準確性之因素 66
5.3.1 錨繩噪音 66
5.3.2 AIS之接收範圍與接收狀況 67
5.3.3 潮汐噪音 70
第六章 結論與建議 75
參考文獻 78

表1.1 多艘單一船舶資訊[18]................................................................................ 14
表2.1 SHRU規格表............................................................................................... 17
表2.2 AMEC CYPHO-101接收器規格表............................................................. 20
表2.3 臺灣南部海域聲學實驗記錄表.................................................................... 24
表2.4 AIS接收間隔差異說明................................................................................ 25
表2.5 AIS Class A 與 Class B數據之差異.......................................................... 26
表2.6 AIS船舶資訊分類......................................................................................... 26
表4.1 單艘船舶MMSI-636014458之船舶資訊.................................................... 42
表4.2 AMSN傳輸損失計算輸入參數表............................................................... 45
表4.3 各距離之平均N值表................................................................................... 47
表4.4 單一船舶事件之最大N值表列................................................................... 49
表4.5 單一船舶事件之船舶資訊與聲源位準........................................................ 50
表4.6 不同船舶長度之平均聲源位準.................................................................... 51
表4.7 曲線擬合之校正R^2與顯著性(船舶長度).................................................... 53
表4.8 曲線擬合之校正R^2與顯著性(船舶速度)..................................................... 54
表4.9 多元迴歸之Beta係數與顯著性(N=13)....................................................... 55
表4.10 多元迴歸之Beta係數與顯著性(N=20)....................................................... 55
表5.1 貓鼻頭鵝鑾鼻氣象站之5、6月總雨量與平均風速[22]........................... 61
表5.2 臺灣南部海域5月不同頻率環境噪音位準分佈機率之門檻值(dB)…..... 63
表5.3 臺灣南部海域6月不同頻率環境噪音位準分佈機率之門檻值(dB)…..... 64
表5.4 估算結果好與壞之平均接收筆數…............................................................ 69
表5.5 各方向平均流速大小…................................................................................ 73
表5.6 5月潮汐之環境噪音與流速相關性係數..................................................... 74
表5.7 6月潮汐之環境噪音與流速相關性係數..................................................... 74

圖1.1 聲納系統運作示意圖 (a)主動式聲納 (b)被動式聲納[1] ......................... 2
圖1.2 聲納系統與參數示意圖................................................................................ 3
圖1.3 Wenz海洋環境噪音來源分類頻譜[6] ........................................................ 4
圖1.4 船舶噪音的種類與頻率分佈圖[8] .............................................................. 6
圖1.5 圖1.5 環境噪音位準時間序列與潮位變化[9]........................................... 7
圖1.6 環境噪音位準時間序列與潮位變化[10] .................................................... 8
圖1.7 遠船噪音傳輸效能與船隻數量關係圖[12] ................................................ 9
圖1.8 不同轉速的貨船噪音位準頻譜圖[13] ........................................................ 9
圖1.9 不同轉速的貨船主要噪音來源頻譜圖[13] ................................................ 10
圖1.10 船舶噪音與船速相關性統計圖[14]............................................................. 10
圖1.11 低頻環境噪音長期趨勢圖[15]..................................................................... 12
圖1.12 船舶經過前後與駝背海豚叫聲比對圖[16]................................................. 12
圖1.13 船舶噪音位準頻譜(a)1 Hz(b)1/3octave (c)頻寬0.02-30 kHz
[18]..................................................................................................................

圖2.1 SHRU內部構造圖 (1)記憶卡(2)主機板(3)電源線(4)水下麥克風接頭

圖2.2 (5)訊號傳輸線接頭(6)硬碟(主機板後側) ...................................................
SHRU錨碇示意圖(1)浮球(2)SHRU、SBE39 (3)聲學釋放儀
(4)重錘[22].....................................................................................................

圖2.3 Kevlar減噪錨繩............................................................................................ 19
圖2.4 AMEC CYPHO-101接收器......................................................................... 20
圖2.5 超音波式潮位儀實體圖[22]........................................................................ 21
圖2.6 超音波式潮位儀工作原理示意圖[22]........................................................ 21
圖2.7 SBE 39儀器實體圖....................................................................................... 22
圖2.8 ADCP儀器實體圖........................................................................................ 22
圖2.9 主要儀器與測站佈放之位置圖.................................................................... 23
圖2.10 AIS數據接收流程圖.................................................................................... 24
圖2.11 ShipPlotter軟體介面................................................................................... 25
圖2.12 船舶密度計算之方法 (a)第一艘船舶航跡量化(b)第二艘船舶航跡量化 (c)兩艘船舶加總之結果............................................................................... 28
圖2.13 2012年5月 臺灣南部海域船舶密度圖.................................................... 28
圖2.14 船舶類型百分比 (a)5月份(b) 6月份…...................................................... 29
圖2.15 船舶長度統計 (a)5月份(b) 6月份……...................................................... 29
圖2.16 船舶速度統計 (a)5月份(b) 6月份……...................................................... 29
圖3.1 類比訊號轉數位訊號之不同取樣頻率[24]................................................. 32
圖3.2 不同移動平均點數之頻率響應[25]............................................................. 34
圖3.3 不同樣本數下的t分配................................................................................ 37
圖3.4 t分配之接受域與拒絕域示意圖.................................................................. 38
圖3.5 AMSN模式之初始條件與邊界條件示意圖[27]......................................... 40
圖4.1 單艘船舶MMSI-636014458出沒時頻譜圖................................................ 42
圖4.2 臺灣南部海域水深350 m聲場傳輸損失 (a)63 Hz (b)125 Hz................... 43
圖4.3 AMSN模擬範圍之地形資料........................................................................ 44
圖4.4 AMSN 模擬範圍之聲速剖面資料............................................................... 44
圖4.5 63 Hz 各方位N值(a)10 km(b)20 km(c)30 km(d)40 km(e)50 km.............. 46
圖4.6 125 Hz 各方位N值(a)10 km(b)20 km(c)30 km(d)40 km(e)50 km............ 46
圖4.7 船舶噪音與船舶距離迴歸 (a) MMSI-356324000(b) MMSI-477341000.. 47
圖4.8 10 km-50km外圍船舶分佈 (a) MMSI-356324000(b) MMSI-477341000. 48
圖4.9 MMSI-31128400外圍船舶分佈 (a)10 km (b)20 km................................... 48
圖4.10 船舶類型與SL散佈圖 (a)N=13 (b)N=20................................................... 52
圖4.11 船艏向與SL散佈圖 (a)N=13 (b)N=20....................................................... 52
圖4.12 船舶長度與SL散佈圖和曲線擬合 (a)N=13 (b)N=20.............................. 53
圖4.13 船舶速度與SL散佈圖和曲線模式 (a)N=13 (b)N=20............................... 54
圖4.14 船舶長度與SL迴歸曲線與散佈圖 (a)N=13 (b)N=20............................... 56
圖5.1 臺灣南部海域5月環境噪音時頻譜............................................................ 58
圖5.2 臺灣南部海域6月環境噪音時頻譜............................................................ 58
圖5.3 臺灣南部海域5、6月低頻環境噪音位準平均值...................................... 59
圖5.4 臺灣南部海域5、6月低頻環境噪音位準標準差...................................... 60
圖5.5 颱風路徑圖 (a)泰利(b)杜蘇芮[22].............................................................. 61
圖5.6 臺灣南部海域5月低頻環境噪音分佈機率頻譜........................................ 62
圖5.7 臺灣南部海域6月低頻環境噪音分佈機率頻譜........................................ 62
圖5.8 5月船舶噪音估算值與實測值比較 (a)N=13 (b)N=20............................... 65
圖5.9 6月船舶噪音估算值與實測值比較 (a)N=13 (b)N=20............................... 65
圖5.10 估算值與實測值之單天相關性係數 (a)5月 (b)6月................................. 66
圖5.11 錨繩噪音之低頻頻譜圖................................................................................ 67
圖5.12 單天相關性係數之錨繩噪音剔除前後比較 (a)5月 (b)6月.................... 67
圖5.13 AIS平均接收範圍與估算範圍比較............................................................. 68
圖5.14 5月估算結果高與低之船舶軌跡 (a) r =0.63 (b) r =0.05........................... 69
圖5.15 6月估算結果高與低之船舶軌跡 (a) r =0.55 (b) r =-0.29.......................... 69
圖5.16 5、6月平均接收筆數與相關性係數散佈圖 (a)5月 (b)6月.................... 70
圖5.17 5、6月低頻環境噪音週期分析 (a)5月 (b)6月........................................ 71
圖5.18 水溫、潮位與低平環境噪音比較圖[30]………......................................... 71
圖5.19 SBE資料時間序列圖(a)SBE水深(b)水溫(c)平均溫度變化...................... 72
圖5.20 流速方向與大小之羅盤圖............................................................................ 73
圖5.21 5月潮汐之環境噪音與流速時間序列........................................................ 74
圖5.22 6月潮汐之環境噪音與流速時間序列........................................................ 74

[1] X. Lurton, An Introduction to Underwater Acoustics-Principle and Applications, Praxis, 2002.
[2] P. C. Etter, Underwater Acoustic Modeling-Principles, techniques and applications, E & FN SPON, London, 1996.
[3] 劉金源，水中聲學-水聲系統之基本操作原理，國立編譯館，民國90年。
[4] V. O. Knudsen, R. S. Alford, and J. W. Emling, “Underwater Ambient Noise,” J. Marine Res. 7, pp. 410-429, 1948.
[5] R. J. Urick and A.W. Pryce, A Summary of Underwater Acoustic Data, Part V, Background Noise, The Office of Naval Research, Arlington VA, 1954
[6] G. M. Wenz, “Review of Underwater Acoustics Research: Noise,” J. Acoust. Soc. Amer. 51(3), pp. 1010-1024, 1972.
[7] W. M. Carey and R. B. Evans, Ocean Ambient Noise Measurement and Theory, publish with Springer, 1st Edition, 2011.
[8] D. Ross and R. D. Collier, Mechanics of Underwater Noise, Course Notes, Applied Technology Institute, Columbia, 1985.
[9] R. J. Urick, G. R. Lund, and D. L. Bradley, “Observations of Fluctuation of Transmitted Sound in Shallow Water,” J. Acoust. Soc. Amer. 45(3), pp. 683-690, 1969.
[10] J. Revie and D. E. Weston, “Hydrophone Signals Due to Tidal and Wave Effects,” Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts 18(5), pp. 545-546, 1971.
[11] 劉志昇，南海低頻環境噪音之分析，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民國92年。
[12] G. M. Wenz, “Acoustic Ambient Noise in the Ocean：Spectra and Sources,” J. Acoust. Soc. Amer. 34(12), pp. 1936-1956, 1962.
[13] Paul T. Arveson, “Radiated Noise Characteristics of a Modern Cargo Ship,” J. Acoust. Soc. Amer. 107(1), pp. 119-129, 2000.
[14] M. T. Dow, J. W. Emling and V. O. Knudsen, Survey of Underwater Sound : Report No.4, Sounds from Surface Ships, O.S.R.D., Div. 6.1 N.D.R.C. Rept., 1945.
[15] Rex K. Andrew and Bruce M. Howe, “Long-time Trends in Ship Traffic Noise for Four Sites off the North American West Coast,” J. Acoust. Soc. Amer. 129(2), pp. 642-651, 2011.
[16] M. Van Parijs and Peter J. Corkeron, “Boat Traffic Affects the Acoustic Behaviour of Pacific Humpback Dolphins, Sousa chinensis”, J. Mar. Biol. Ass. U.K. 81, pp. 533-538, 2001.
[17] 吳政峰，商船資訊自動化識別於高雄港灣防護技術之應用，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，民國100年。
[18] M. Holt, “Avessel Noise Budget for Admiralty Inlet, Puget Sound,Washington (USA) ,” J. Acoust. Soc. Amer. 132(6), pp. 3706-3719, 2012.
[19] A. E. Newhall, “Acoustics and Oceanographic Observations during the QPE Experiment in East China Sea,” 2010.
[20] 黃志豪，船舶自動識別系統與自動雷達測繪系統對船舶交通服務系統觀測成效之研究，國立台灣海洋大學商船學系碩士論文，民國94年。
[21] 全科綜電，AIS收發系統101版使用手冊，全科綜電股分有限公司，民國99年。
[22] 中央氣象局 (http://www.cwb.gov.tw)
[23] 陳琪芳、王崇武、劉家瑄、宋國士、楊穎堅、魏瑞昌、陳國輝與康仕仲，國防科技學術合作研究計畫成果報告：臺灣東南海域水下偵測特性分析與ASORPS核心效能精進研究，國立台灣大學，民國101年。
[24] 黃永達，訊號與系統，東華書局，民國98年。
[25] A. V. Oppenheim, A. S. Willsky and S. H. Nawab, Signals and Systems, 2nd ed., publish with House of Electronics Industry, pp. 252-255, 1997.
[26] 邱皓政，量化研究與統計分析-SPSS(PASW)資料分析範例，五南圖書出版公司，民國99年。
[27] 湛翔智，海面噪音聲學模組1.0，國立台灣大學工程科學及海洋工程學系，民國99年。
[28] M. D. Collins, User’s Guide for RAM Versions 1.0 ans 1.0p, Naval Research Laboratoy, Washington, 1991.
[29] B.C. Kim and H. Cho, “Measurement of Low-frequency Underwater Noise by a Self-recording Hydrophone,” Pacific Rim Underwater Acoustics Conference, pp. 1-2, 2007.
[30] 吳瑞中、張育嘉、姚建中、曾若玄與陳冠宇，南灣週期性冷水效應的數值及實測研究，台灣海洋工程學會論文，民國99年。
[31] 鄭淼天，潮流跨越基隆海檻的變化:數值模式研究，國立臺灣海洋大學海洋環境資訊系碩士論文，民國99年。
[32] 劉冠成、曾若玄與黃志誠，珊瑚礁淺灘之紊流觀測，台灣海洋工程學會論文，民國101年。