水声学原理7

可编辑修改精选全文完整版考试科目《水声学原理》考试时间100分钟考试形式开卷班级姓名学号题号12345678910总得分阅卷人得分试题说明：本试卷共10道题，每题10分，满分100分。

请将答案写在答题纸上，考试完毕后请将试卷和答题纸一并交回。

1.（10分）声纳有哪两种工作方式？试分别画出这两种方式的信息流程图。

2.（10分）增加主动声纳的发射功率，能否提高其作用距离，为什么？如能提高，若其他条件不变，发射功率增大一倍，试问声纳作用距离如何变化？3.（10分）试画出典型的海洋声速分布图，并说明表面声道和深海声道的形成原因。

4.（10分）若海水中的声速分布如下图，试画出几条典型声线轨迹图。

5.（10分）声速分布如下左图所示，已知H，z0，c s，a1，a2和α求x。

C sCa1a2zx 0αx6.（10分）一只声呐换能器的声源级为120dB。

问从一个距离为1000m，半径为40m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？7.（10分）简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？8.（10分）已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角θ向海底发射声波，频率为f0，收得海底回声信号的频率为f r，求该船的航行速度v。

Vθf0f r水面海底9.（10分）根据混响场特性不同，混响分为哪几类？它们各自产生的混响源是什么？试写出这几类混响的等效平面波混响级的理论公式。

10.（10分）为何在水下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声？写出舰船辐射噪声的噪声源，并说明它们的频率特性及在辐射噪声中起的作用。

标准答案： 1. 答：声纳按照工作方式可以分为两类，主动声纳和被动声纳。

它们的信息流程图分别为： (1)主动声纳：(2)被动声纳：2. 答：(1) 能否提高作用距离要看何种背景干扰起主要作用。

如果背景干扰以环境噪声为主，则可提高作用距离，若背景干扰以混响为主，则不能提高作用距离。

水声学原理知识点总结【1】水声学原理的基本概念1.1. 声波的产生与传播声波是一种机械波，是在介质中震动传递的波动。

声波通常是由物体振动引起的，当物体振动时，周围的空气分子或水分子也随之振动，形成声波。

在水中，声波的传播速度一般比在空气中要快。

1.2. 水声频率与声波速度水声波的频率通常在20 Hz-200 kHz之间，与空气中的声波频率范围相似。

不同频率的声波在水中的传播速度也有所不同，通常音速约为1500 m/s。

1.3. 水声学的应用领域水声学在海洋工程、海洋资源开发、水下通信、声纳探测、水下定位等领域有广泛的应用，其中声纳技术是水声学应用的重要方面。

【2】声波在水中的传播2.1. 声波的传播方式声波在水中的传播方式与在空气中的传播方式类似，可以分为纵波和横波。

其中纵波是介质中质点沿波的传播方向振动的波动，而横波则是介质中质点振动方向与波的传播方向垂直的波动。

2.2. 水声波的衰减水中声波在传播过程中会受到水的吸收和散射等因素的影响，导致声波的衰减。

较高频率的声波在水中的衰减更为显著，这也是水声通信和声纳探测中需要考虑的重要因素。

2.3. 水声波的折射和反射声波在水中传播时，会发生折射和反射现象。

当声波通过不同密度的介质界面时，会因为介质密度的不同而发生折射现象；在与固体或液体的界面发生交界时，声波会发生反射。

【3】水声信号的特点3.1. 水声信号的特点水声信号与空中声信号相比有一些特殊的特点，如传播距离远、传播速度快、传播路径复杂、受环境干扰大等。

3.2. 水声通信的特点水声通信由于其传播路径的复杂性和环境干扰的影响，通常需要考虑信号传播延迟、传播路径损耗、噪声干扰等问题。

3.3. 声纳探测的特点声纳探测是利用声波在水中传播的特性来进行目标探测和定位，需考虑水中声波传播的复杂性、目标散射特性等因素。

【4】水声传感器技术4.1. 水声传感器的种类水声传感器包括水中听音器、水中发射器、水下通信装置等。

2017-2018水声学原理A 卷答案一、解释或说明一下概念（每题5分）1. 背景干扰分为混响和环境噪声两种。

当背景干扰主要为混响时的主动声纳方程即为受混响限制的主动声呐方程，即：DT RL TS TL SL =-+-2，其中SL 为主动声纳发射信号的声源级，TL 为主动信号到目标的单程传播损失，TS 为目标强度，RL 为混响级，DT 为接收机的检测阈。

当背景干扰主要为环境噪声时的主动声纳方程即为受噪声限制的主动声纳方程，即DT DI NL TS TL SL =--+-)(2，其中NL 为环境噪声级，DI 为接收指向性指数。

2. 答：主要有1）扩展损失，由于声波波阵面在传播过程中不断扩展而引起的声强衰减；2）吸收损失，由于介质粘滞以及其它驰豫效应引起的声强衰减。

3）散射。

海洋介质中存在的泥沙、气泡、浮游物等离子以及介质的不均匀引起的散射和衰减。

3. 透射损失定义为入射波的声强与透射波的声强之比并取对数的10倍，如下式表示： t i I I TL lg10= ，当声波从空气垂直入射到海水中时，属于绝对“硬”边界，其中入射波的声强11212/c p I i i ρ=，透射波的声强 22212/c p I t t ρ=，2=D ，3570/1122≈c c ρρ，故5.29≈TL dB 。

4. 声场中，同一位置点上的声压和振速之比称为该点的声阻抗率，均匀球面波声场中声阻抗率220)(1)(kr jkrkr c Z ++⋅=ρ，平面声波的声阻抗率为000c Z ρ=，在平面波声场中，其声压和振速处处同向（正向波）或处处反向（反向波），平面波声阻抗与频率无关。

5. 答：1)当使用指向性声呐在近处进行目标强度测量时，由于指向性的关系，声速不能照射到目标的全部，仅有部分表面对回声有贡献。

2)有些物体由于其几何形状比较复杂，其回声随距离衰减的规律不同于点源声场。

6. （1）射线声学是把声波的传播看作是一束无数条垂直于等相位面的射线的传播。

水声学原理
水声学原理是研究声波在水中传播和声学现象的学科。

在水中，声波的传播速度较大气中要快约1500米/秒。

这是因为水的密
度和弹性模量高于空气，因此声波在水中的传播速度更快。

另外，水声学研究还探究音频信号在水中反射、折射、散射和吸收等现象。

声波在水中的传播遵循一些基本的原理。

当声源产生声波时，波源会向外释放能量，并使水质点发生膨胀和压缩，形成一个声压波。

这个声压波以固定的速度传播，并遵循波动方程。

根据波长和频率的关系，可以得出声波在水中的传播速度。

声波在水中传播时，会遇到不同的介质界面，如水面、海底和不同密度的水层。

当声波遇到界面时，会发生反射、折射和散射等现象。

反射是指波向原来的方向反弹回去，折射是指波在入射介质和出射介质之间发生偏折，散射是指波在遇到界面或障碍物时发生的辐射改变方向的现象。

这些现象对声波的传播方向和强度会产生影响。

在水声学中，还研究声波在水中的吸收现象。

水分子对声波会吸收部分能量，并将其转化为热能。

声波的频率越高，吸收现象越明显。

这种吸收现象是水中声能衰减的主要原因之一。

水声学原理的研究对于海洋声学、声纳技术、水下通信等领域都具有重要的应用价值。

通过深入理解和探索水声学原理，可以改进和优化水下声波传播系统，提高其性能和效率。

水声学原理试题+答案《水声学原理》课程考试题(A卷)一、填空题(15%)1. 声阻抗率是单位表面(或体积)产生单位质点振速所需要的。

2. 潜艇的目标强度随角度的变化规律呈形状。

3. 用描述高、低频近似，为波数，a为空间尺度，高频近似和低频近似分别kka可以表示为和。

4. 根据辐射噪声产生的来源不同，辐射噪声可分为、和三类。

5. 气泡可称作空气弹簧，是因为其和弹簧一致。

6. 目标强度可能为正的物理原因是。

7. 表面声道中，跨度较大的声线平均水平传播速度较。

8. 复数声反射系数的模表示反射声波与入射声波的之比，幅角表示反射声波与入射声波的之差。

二、简答题(35%)1. 简述复阻抗率的物理意义。

(7%)2. 利用简正波表示，简要解释相干能量和非相干能量。

(7%)3. 利用刚性小球的散射理论，简要解释晴朗天空呈蓝色、早晚天空呈红色的现象。

(7%)4. 利用散射场可以视作二次辐射计算的方法，简要叙述计算海水中气泡散射声场的步骤。

(14%)三、证明题(20%)气泡内的气体是理想气体，气泡振动时声辐射过程是绝热过程，证明:气泡振动的恢复力和弹簧恢复力形式一致。

四、计算题(30%)1. 一单频小球源以10瓦的功率向自由空间辐射频率为1000Hz的简谐球面波，求离开声源中心2米处的声压幅值、质点径向速度(振速)幅值和声强。

(15%)2. 均匀硬底浅海中，海水中声速为1500m/s，海深为100米。

求频率为1.5kHz时第一号简正波的水平波数。

(15%)《水声学原理》课程考试题(A卷参考答案)一、填空1. 声压。

2. 蝴蝶。

3. 。

4. 机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。

5. 恢ka,,1, ka,,1复力形式。

6. 散射截面大。

7. 快。

8. 振幅、相位。

二、简答1. 要点:? 从定义看，声阻抗是复数表示声压与质点振速相位不一致。

这使得介质中的声强(损耗在介质中的声强)小于平面波声强，这部分损耗声强对应着声阻抗的实部。

海洋声学基础——水声学原理绪论各种能量形式中，声传播性能最好。

在海水中，电磁波衰减极大，传播距离有限，无法满足海洋活动中的水下目标探测、通讯、导航等需要。

声传播性能最好，水声声道可以传播上千公里，使其在人类海洋活动中广泛应用，随海洋需求增大，应用会更广。

§0-1节水声学简史01490年，意大利达芬奇利用插入水中长管而听到航船声记载。

11827年，瑞士物理学家D.colladon法国数学家c.starm于日内瓦湖测声速为1435米每秒。

21840年焦耳发现磁致伸缩效应1880年居里发现压电效应31912年泰坦尼克号事件后，L.F.Richardson提出回声探测方案。

4第一次世界大战，郎之万等利用真空管放大，首次实现了回波探测，表示换能器和弱信号放大电子技术是水声学发展成为可能。

（200米外装甲板，1500米远潜艇）5第二次世界大战主被动声呐，水声制导鱼雷，音响水雷，扫描声呐等出现，对目标强度、辐射噪声级、混响级有初步认识。

（二战中被击沉潜艇，60%靠的是声呐设备）6二、三十年代——午后效应，强迫人们对声音在海洋中的传播规律进行了大量研究，并建立起相关理论。

对海中声传播机理的认识是二次大战间取得的最大成就。

7二战后随着信息科学发展，声呐设备向低频、大功率、大基阵及综合信号处理方向发展，同时逐步形成了声在海洋中传播规律研究的理论体系。

81、1945年，Ewing发现声道现象，使远程传播成为可能，建立了一些介质影响声传播的介质模型。

2、1946年，Bergman提出声场求解的射线理论。

3、1948年，Perkeris应用简正波理论解声波导传播问题。

4、50-60年代，完善了上述模型（利用计算技术）。

5、1966年，Tolstor 和Clay 提出声场计算中在确定性背景结构中应计入随机海洋介质的必要性。

§0-2 节 水声学的研究对象及任务1、 水声学：它是声学的一个重要分支，它基于四十年代反潜战争的需要，在经典声学的基础上吸收雷达技术及其它科学成就而发展起来的综合性尖端科学技术。

1.1海洋中为什么使用声？答：在人们迄今所熟知的各种能量形式中，在水中以声波的传播性能最好。

无论是光波还是电磁波，他们在水中的传播衰减都非常大，因而在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。

1.2声波在水中得以应用的根本？ 答：R=ct ，它能将距离与时间进行互换。

1.3海洋中声传播的特点、规律、研究方法。

答：突出特点：由于海洋环境非常复杂，海洋中的声传播非常复杂。

规律：短距离，三维传播，球面扩展，海洋环境的影响较小，采用确定性研究方法；长距离上，二维传播，柱面扩展，海洋环境影响很大应优先考虑，用统计方法研究。

1.4水声学主要研究课题？答：主要研究携有某种信息的声波在水中的产生、传播和接收。

水声物理研究声波在海水中的传播规律，水声工程研究声波的产生和接收，包括水声系统设计和水声技术两部分。

2.1一维线性波动方程及其一般形式与含义答：一维线性波动方程2222210p p xc t∂∂∂∂-=，一般形式为222210p c tp ∂∂∇-=，其含义是将声波随空间的变化与声波随时间的变化联系起来。

2.2何为简谐波，谐波解？答：随时间t 作正弦或余弦规律的运动，一般称为简谐振动，产生的波是简谐波。

谐波解为()(,)j t kx p t x e ω-=。

2.3 Helmholtz 方程：22()()0p x k p x ∇+=。

2.4自由空间中的声：()(,)j t kx a p t x p e ω-= 质点振速：()(,)j t kx a u t x u e ω-= ， 00ap a c u ρ=；声阻抗率：p uZ =，特征阻抗：00c ρ声强：200111220a Tp a a Tc I pudt p u ρ===⎰；声功率：2004ap c W IdS πρ==⎰2.5声压与声强的对数表示 声压级：20lg refp p SPL = dB re p ref =1μP a声强级：10lgrefI I SIL = dB re I ref =6.76×10-19W/m 2 。

《水声学》部分习题参考答案绪论1什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程中各项参数的物理意义是什么？3在组合声纳参数中优质因数和品质因数是什么？它们的物理意义是什么？4声纳方程的两个基本用途是什么？5环境噪声和海洋混响都是主动声呐的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？解：根据水文条件及声呐使用场合，画出回声信号级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离变化的曲线，如下图，然后由回声信号曲线与混响掩蔽级、噪声掩蔽级曲线的交点所对应的距离来确定混响是主要干扰，还是噪声为主要干扰，如下图，r R<r n，所以混响是主要干扰。

声信号级噪声掩蔽级R6工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz，且探测沉底目标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。

解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。

7已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加10dB，问声呐作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。

（海水吸收不计，声呐工作于开阔水域） 解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。

在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412=。

8 在被动声纳方程中使用了接收方向行指数DI ，由此讨论被动声纳方程对噪声的适用条件。

第一章 声学基础1 什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义。

解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。

发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。

2 给定水下声压p 为Pa μ100，那么声强I 是多大，与参考声强r I 比较，以分贝表示的声强级是多少？3 发射换能器发射40kW 的声功率，且方向性指数t DI 为15dB ，其声源级SL 为多少？第二章 海洋声学特性1 海水中的声速与哪些因素有关？画出三种常见的海水声速分布。