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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。
华北理工大学20 ～20 学年季学期考试试卷开课学院：信息学院课程号：812123 课程名称：水声学年级：级专业：海洋技术试卷类型： A 卷系主任签字：教学院长签字：100分钟1、声呐设备的接收器工作在噪声环境中，既接收，也接收，相应地，输出也有这两本部分组成。
2、声呐参数中，用来描述主动声呐所发射的声信号的强弱；在水声技术中，习惯上将设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值称为。
3、深海的典型声速结构，由温度垂直分布的“三层结构”所形成，分别为、、。
4、有一声速为1500m/s，水深20m的均匀水层，有一声源，它能够激发40阶正常传播的简正波，则声源的频率为，第40阶简正波的临界频率为，若海底为声速大于层中海水声速的非绝对硬质海底，全反射临界角为π/6，则距声源1000m 处的传播损失是。
5、海面处声速为1500m/s，若声速梯度为-0.5/s，则100m深处声速变为；若声源处掠射角为60度，层中声线轨迹的曲率半径为。
6、海面附近点源的辐射声场中，当接收点位于菲涅尔干涉区内时，声压极大值随距离的次方反比减小，声压极小值随距离的次方反比减小；当接收点位于方和菲区内，随距离的次方反比减小。
7、柱形水雷长2m，半径为0.5m，端部为半球形。
垂直入射时，在给定声波频率分别为100kHz和1000kHz是，目标强度分别为、。
8、水下噪声包括、、。
二、简答题（共30分）1、列举常用组合声呐参数，包括名称、表达式和物理意义（任意列举三个）。
（9分）2、画出以下海水中典型声速垂直分布图：a）深海声道；b）表面声道；c）浅海声道。
（6分）第1页共6页考试方式：（闭卷）3、说明射线声学的适用条件及其局限性，并说明球面波和柱面波传播时声线的传播方向.（6分）4、什么是等效平面波混响级？海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？（9分）三、扫雷舰拖曳宽带噪声源，其辐射噪声引爆音响水雷，达到扫雷的目的。
设噪声源谱级为130dB ，被扫水雷上水声接收机工作带宽为50-300Hz ，当噪声信号高出4级海况（50-300Hz 时频带内环境噪声谱级68dB ）时的环境噪声15dB 时，水雷被引爆。
班级：学号：第1页 共2页所有试题答案均需写在答题册上，写在本试卷上无效。
一、简单题（每题4分，共40分）1．何谓声纳参数？解释组合声纳参数NL －D I＋DT 和R L＋DT 的物理意义。
2．海水中的声速主要受哪些因素影响？实际工程中为什么可以应用温度测量代替声速测量以获得海水中的声速？3．什么条件下发生海底全内反射？此时反射系数有何特点？说明其物理意义。
4．为什么说简正波理论适用于计算低频远距离浅海声场，而射线理论适用于计算高频近距离深海声场？5．表面声道中接收爆炸声信号的波形包络有何特征？解释这种波形包络的形成原因。
6．何谓“午后效应”？运用所学知识解释该物理现象产生的原因。
7．测量柱形目标的TS 值时发现TS 值随测量距离而变，解释这种变化关系及原因。
8．实验室测量目标强度的方法有哪些？目标强度测量应满足哪些条件？9．海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？10．为什么说频率50－500Hz ，500－25000Hz 的环境噪声分别是航船噪声和风成噪声？二、（10分）海水中的声速从海面的1500m/s 均匀减小到100m 深处的1450m/s 。
求：（1）声速绝对梯度；（2）海面处掠射角为零的声线到达100m 深处时所传播的水平距离和掠射角分别是多少？（给出表达式）三、（10分）在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a 的刚性大球目标强度TS 值表达式。
哈尔滨工程大学本科生考试试卷（ 年 第 学期）课程编号： 课程名称：标准答案和评分标准一、简答题（每题4分，共40分）1．何谓声纳参数？解释组合声纳参数：NL-DI+DT和RL+DT的物理意义。
答：将影响声纳设备工作的因素统称为声纳参数（2分）。
NL-DI+DT：噪声隐蔽级，在噪声干扰下主动声纳或被动声纳正常工作所需的最低信号级；RL+DT：混响隐蔽级，在混响干扰下主动声纳正常工作所需的最低信号级（2分）。
2．海水中的声速主要受哪些因素影响？实际工程中为什么可以应用温度测量代替声速测量以获得海水中的声速？答：海水中的声速主要受温度、盐度和压力等因素的影响（2分）。
一、单选题1.水声学的迅速发展始于（）A.第一次世界大战B.第二次世界大战初期C.1914年D.1912年泰坦尼克号沉船事件2.声纳起源于（）A.1490年B.1827年C.1912年D.1914年3.水声的第一次定量测量是由（）完成A.瑞士物理学家ColladonB.法国数学家SturmC.焦耳完成和皮埃尔·居里D.瑞士物理学家Colladon和法国数学家Sturm4.水声换能器进展（）A.1840年焦耳发现了磁致伸缩效应B.1880年皮埃尔•居里发现了压电效应C.1912年泰坦尼克号沉船事件之后D.第一次世界大战5.水声第一个回声定位方案是由 提出的。
A.英国人B.美国人C.瑞典人D.法国人6.军用声纳的发展始于（）A.第一次世界大战B.第二次世界大战初期C.1840年焦耳发现了磁致伸缩效应D.1880年皮埃尔•居里发现了压电效应7.用于传播导航的回声测深仪于 研制成功。
A.1912年B.1914年C.1918年D.1925年一、单选题答案1.B2.A3.D4.A5.A6.A7.D一、简答题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环境噪声和海洋混响都是主动声纳的干扰，在实际工作中如何确定哪种干扰是主要的？5工作中的主动声纳会受到哪些干扰？若工作频率为1000Hz，且探测沉底目标，则该声纳将会受到哪些干扰源的干扰。
6已知混响是某主动声纳的主要干扰，现将该声纳的声源级增加10dB，问声纳作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声纳发射功率增加一倍，问作用距离如何变化。
（海水吸收不计，声纳工作于开阔水域）一、习题答案1声纳包括主动声纳和被动声纳，英文名称为Sonar，是利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统；声纳的主要功能是探测、定位、跟踪、识别、导航和通讯。
（以下内容来自老师给的ppt ） 第1章-声纳及声纳方程1、声源级SL 描述主动声纳所发射声信号的强弱： I 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强2、发射指向性指数DITNDD T I I DI lg10=理解:3、传播损失TL 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rI I TL 1lg10=4、目标强度TS 定量描述目标反射本领的大小 ：5、海洋环境噪声级NL 是度量环境噪声强弱的量 ：注意：I N 是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。
6、等效平面波混响级RL 定量描述混响干扰的强弱。
7、接收指向性指数DI R 接收系统抑制背景噪声的能力。
声功率指向性水听器产生的噪噪声功率无指向性水听器产生的lg10=R DI8、检测阈DT 设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。
噪声功率信号功率lg10=DT9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL -2TL+TS ）-（NL -DI ）＝DT主动声纳方程（混响背景）：（SL -2TL+TS ）-RL ＝DT被动声纳方程1lg10==r I ISL ()214m W P Ia r π==77.170lg 10+=a P SL Ta DI P SL ++=77.170lg 101lg10==r irI I TS 0lg10I I RL =（SL -TL ）-（NL -DI ）＝DT10、回声信号级：SL -2TL+TS 加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级：NL -DI+DT 工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级 混响掩蔽级：RL+DT 工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级 回声余量：SL -2TL+TS -（NL -DI+DT ）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量 优质因数：SL -（NL -DI+DT ）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失品质因数：SL -（NL -DI ）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 2．主被、动声纳的信息流程有何不同？ 3．发射指向性指数物理含义是什么？4．请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是什么？ 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？ 6．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。
（以下内容来自老师给的ppt ） 第1章-声纳及声纳方程1、声源级SL 描述主动声纳所发射声信号的强弱： I 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强2、发射指向性指数DITNDD T I I DI lg10=理解:3、传播损失TL 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rI I TL 1lg10=4、目标强度TS 定量描述目标反射本领的大小 ：5、海洋环境噪声级NL 是度量环境噪声强弱的量 ：注意：I N 是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。
6、等效平面波混响级RL 定量描述混响干扰的强弱。
7、接收指向性指数DI R 接收系统抑制背景噪声的能力。
声功率指向性水听器产生的噪噪声功率无指向性水听器产生的lg10=R DI8、检测阈DT 设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。
噪声功率信号功率lg10=DT9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL -2TL+TS ）-（NL -DI ）＝DT主动声纳方程（混响背景）：（SL -2TL+TS ）-RL ＝DT被动声纳方程1lg10==r I ISL ()214m W P Ia r π==77.170lg 10+=a P SL Ta DI P SL ++=77.170lg 101lg10==r irI I TS 0lg10I I RL =（SL -TL ）-（NL -DI ）＝DT10、回声信号级：SL -2TL+TS 加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级：NL -DI+DT 工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级 混响掩蔽级：RL+DT 工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级 回声余量：SL -2TL+TS -（NL -DI+DT ）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量 优质因数：SL -（NL -DI+DT ）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失品质因数：SL -（NL -DI ）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 2．主被、动声纳的信息流程有何不同？ 3．发射指向性指数物理含义是什么？4．请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是什么？ 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？ 6．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。
第2章 海洋的声学特性 1、声速梯度： P P S S T T c g a g a g a dzdcg ++==海洋中的声速c （m/s ）随温度T （℃）、盐度S （‰）、压力P （kg/cm2）的增加而增加。
2、理解3、声波传播的强度衰减（传播损失）原因： （1）扩展损失（几何衰减）；（2）吸收损失；（3）散射。
传播损失TL=扩展损失TL1+吸收损失TL24、扩展损失()dB rn TL lg 10⋅=（1）n=0 适用管道中的声传播，平面波传播 0=TL（2）n=1 适用表面声道和深海声道，柱面波传播 r TL lg 10= （4）n=2 适用于开阔水域(自由场)，球面波传播。
r TL lg 20= 5、１Neper=8.68dB ，声吸收引起的传播损失（吸收系数乘以传播距离）： 6、总传播损失（扩展＋吸收）：r r n TL α+⋅=lg 107、理解：km dB f f B f f f Sf ATT T /22++=α 27315206109.21+-⨯=T T f21089.1-⨯=A 21072.2-⨯=B 驰豫频率随温度升高而增加 。
8、 Thorp 给出了低频段（驰豫频率约为1kHz ）吸收系数的经验公式（适用4℃温度附近 ）：km dB f f f f /41007.401102.02222+++=α （理解）9、海水粗糙，反射系数小；海底平坦，反射系数大。
10、11、理解12、沉积层中声波衰减系数：m Kf =α（理解）13、海底反射损失：反射声振幅相对入射声振幅减小的分贝数，定义为：V p p BL irlg 20lg20-=-= （理解）海底反射损失为正值，BL 分贝数越大，海底反射损失越大；V 为反射系数模值。
14、cT =Λ c k ωπ=Λ=2理解：()kh k g c tanh 2=()kh k T kg c f tanh 2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=ρ()()()()I 1TL=10lg 11I x x x x αα=-=>>作业1：1．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？2．声呐A ，B 有相等的声源级，但声呐A 工作频率f A 高于声呐B 工作频率f B ,问哪台声呐作用距离远，说明原因?3．声波在海洋中传播时，其声强会逐渐衰减，说明原因。
列举三种常用传播损失表达式，并说明适用条件?4.夏日某处海水中温度分布简化如下图所示的曲线。
试求：在什么深度上声速梯度的绝对值最大？该处的声速梯度是多少？作业21．什么是反向散射强度？平坦海底和粗糙海底的反向散射强度有何不同？ 2．请简单描述海底“三参数”模型？“三参数”物理含义是什么？ 3．邻近海面的水下点源声场中的声压振幅随距离变化具有哪些规律？ 4．引起海洋内部不均匀性的主要因素有哪些？第3章-海洋中的声传播理论1、()0,,22=+∇p z y x k p （理解）2、()F pz yxkp ρ⋅∇=+∇,,22（理解）3、绝对软边界条件：声压为零（海面）()()0,,,,,==t y xz t z y x p η4、绝对硬边界条件：法向质点振速为零 （海底）5、 可通过令 ()()()∑=nn n z Z r R z r p ,的分离变量法求得本征函数通解6、理解()()()()()()()()()∑∑-=-=nn zn zn n nn n r H z k z k Hjr H z Z z Z j z r p ζπζπ2200sin sin 2,22021⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=H n c n πωζ、Λ,3,2,121=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n H n k zn π7、简正波阶数最大值：⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=210c H N πω8、理解 临界频率：最高阶简正波传播频率()()()∑=⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=Nnr j zn zn n n ez k z k rHjz r p 140sin sin 22,πζζπH c N N 021πω⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= H c N f N 2210⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-= 9：截止频率：简正波在波导中无衰减传播的最低临界频率H c 201πω=Hcf 401= 10、相速：等相位面的传播速度（振动状态在介质中的传播速度）()201ωωζωn npn c c -==（理解）11、群速：声波能量的传播速度201⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==ωωζωn ngnc d d c （理解）12、倒数关系20c c c gn pn = 13、深度取平均后，传播损失为：ππHr Hr L lg 10lg 10lg10+=-=声能被限制在层内，随距离r 作柱面波衰减。
14、cHr TL ϕ2lg 10lg 10+=临界掠射角c ϕ越小，传播损失TL 就越大 15、16、()rk t j Aeρρ⋅-=ωφkρ为波矢量17、均匀介质平面波： 均匀介质球面波： 非均匀介质球面波：18、理解：()()z y x n k k ,,2202=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∇ϕ (声线方向 声线轨迹 声线传播时间) 022=∇⋅∇+∇ϕϕA A声线幅度或携带的能量19、声速k 为常数时：声线为直线。
声速k 是坐标z 的函数时的声线：总是弯向声速小的方向。
20、const S I S I S S ===Λ2211（由声源辐射声功率确定）21、()z r r W Iz r Aααααsin cos ,0021⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂==22、求出程函方程的条件22k AA<<∇23、在波束边缘、声影区（声线不能到达的区域）和焦散区（声能会聚区域），射线声学不成立。
24、 = 常数25、恒定声速梯度情况下，声线曲率处处相等，轨迹是圆弧。
00cos cos c c αα=26、声源在海面以任意掠射角出射的声线轨迹方程：（理解）27、单层线性分层介质中的声强28、理解P93页的表3.1 作业：1、波动方程的定解条件有哪些？2、何谓简正波？平面层波导简正波求解方法？3、若声源激发频率 N ωω< 时，波导中不存在哪些阶简正波？4、简正波的相速度和群速度有何区别？物理意义有何不同？5、液态海底声波传播规律如何？1.说明射线声学的基本方程、适用条件及其局限性，并说明球面波和柱面波传播时声线的传播方向？2.水平分层介质中的“程函方程”表示如何？3. 聚集因子F 是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个F>1的场合。
4. 海水中声速分布如下图所示，请画出几条典型声线轨迹图。
5．已知c S 、a 1、a 2，声源在z 0处，声线在z 2处翻转，z 1处声速最小，z 0、z 1和z 也为已知，求声线水平距离R 。
第4章 典型传播条件下的声场 1、2、3、根据表面声道传播的主要特征，把声速简化为线性正梯度分布：()()001>≤≤+=a H z az c z c s、5、az z m2200χ+≈ 或 az s m 22χ≈6、临界角：在表面声道层深处发生反转的声线，其声源处和海面处的掠射角最大，称为临界角；该声线为临界声线。
()002z H a m -=χ 或 aHsm 2=χ7、跨度D ：声线在海面相邻两次反射点之间的水平距离。
海面掠射角声线的跨度D ：跨度D 与反转深度的关系8、海面掠射角越大，跨度也越大。
最大跨度：最小跨度：9、循环数N ：在声源与接收点之间所容纳不同掠射角声线跨度数目。
✧ 循环数N 越大，声线越接近海面，沿海面传播的声线。
✧ 循环数N 越大，相邻声线的掠射角越接近，声线越密集，声能越集中。
✧ 声源辐射声能主要集中在海表面层附近10、假设声源与接收器靠近海面，则有源到接收器N 次循环的声线的总传播时间近似为： s χm z a H D 8max ≈az D 0min 8≈∞→N atg D s χ2=⎪⎭⎫ ⎝⎛=22s m ctg z D χ222124N s r a r t c N ⎛⎫≈- ⎪⎝⎭最接近海底传播的声线（N最小），传播时间最短，最先到达接收点；最靠近海面传播的声线（N最大），传播时间最长，最后到达接收点。
