水声学复习提要

学习指南（1）重点、难点分析水声学课程具有很强的理论性，同时也具备较强的工程性。

理论内容是为解决工程实际问题服务的，而工程实际问题反过来又可以指导理论模型的建立，两部分相辅相成。

水声学课程的难点主要在于其理论的复杂性和工程的抽象性。

研究课程内容可知，声纳方程是该课程的主线，课程各章节与声纳参数是一一对应的，为了能真正理解声纳方程，并使用声纳方程进行声纳设备的设计或性能预报，解决工程实际问题，必须对每一个声纳参数所隐含的基本物理概念、物理机理有所理解和认识，课程的重点内容包括以下几个模块：●声纳系统和声纳参数的概念及物理含义。

该模块从概念的角度描述声纳方程，是理解声纳方程、应用声纳方程的前提；●海洋环境的声学特性。

它影响声波的传播规律，从而影响声纳设备的工作性能。

了解海洋环境的声学特性是后面声传播规律研究的基础；●声场建模理论和典型信道中的声传播规律。

该模块主要介绍声场建模的两种基本理论以及对典型信道中声传播规律的物理解释，具有非常强的理论性，同时又具备一定的工程性，因此成为课程的难点。

该部分也是声纳工作环境中声传播规律研究的基础，是声纳设备的设计和性能预报不可跨越的鸿沟，对后续研究生课程《水声传播原理》的学习将有直接的影响，成为课程的核心内容之一；●声波在目标上的反射和散射。

该模块阐述了水下目标对声波的散射能力（即目标强度），以及目标散射信号的组成及形成机理（即目标回波特性）。

目标强度的大小决定了该目标能否用声纳进行探测。

目标回波特性决定了声纳信号处理中回波特征提取和识别的问题。

复杂目标的声散射极其复杂，因此其计算和特性分析也具有一定难度；●海洋混响。

该模块介绍了混响强度预报的一种基本理论，是理解混响的形成机理、混响的特征、混响抑制的基本方法的基础，具有较强的理论性；●水下噪声。

该模块主要介绍海洋环境噪声、舰船自噪声和辐射噪声的噪声源和噪声谱，以及描述噪声强弱的谱级和噪声级；●课程的理论体系如下图所示。

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。

1、请写出噪声掩蔽级和优质因数表达式？并解释其物理含义？2、请写出组合声纳参数优质因数和品质因数表达式？其物理意义是什么？3、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4、写出目标回声信号级表达式；目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？5、主动声呐的干扰背景有哪几种？它们有何特点？在实际声呐工作中如何确定哪种干扰背景是主要的？6、声呐A 和B 有相同的声源级，但声呐A 的工作频率高于声呐B 的工作频率，问哪台声呐作用距离远？为什么？假设天气晴好，同一台声呐设备在早晨工作距离远还是下午工作距离远？为什么？7、海水中的声速与哪些因素有关？请画出表面声道和深海声道的声速梯度分布？并简述上述声道实现远距离声传播的原因？8、何谓传播损失？在什么情况下传播损失r r TL α+=lg 20，在什么情况下传播损失r r TL α+=lg 10试分别证明之。

式中r 为传播水平距离，传播损失α为吸收系数。

9、声波在海洋中传播时其声强值会逐渐衰减，说明引起声传播衰减的原因？列举三种常用的传播损失表达式，并说明其适用条件。

10、何谓海底反射损失的三参数模型？三参数指的是哪些参数？其物理含义是什么？11、请说明射线声学的基本方程、适用条件及其局限性？声线弯曲满足的基本条件是什么？12、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。

13、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。

14、为什么表面声道和深海声道可以实现远距离传播？“北京天坛回音壁”和“夜半钟声到客船”均是声音远距离传播现象，请问它们属于上述何种声道产生的现象？请简要分析产生的原因？15、聚焦因子是如何定义的，其物理含义是什么？声强异常是如何定义的，其物理含义是什么？16、潜艇目标强度值与哪些量有关系？说明潜艇目标强度值随方位角和距离的变化规律及产生原因？17、测量柱形目标的TS 值时，发现TS 值随测量距离而变，说明这种变化关系及其产生原因。

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 声源级 SL 描述主动声纳所发射声信号的强弱：TL 10lg I 1Ir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。

RL 10lg II 07、接收指向性指数 DI R 接收系统抑制背景噪声的能力。

10lg无指向性水听器产生的10lg指向性水听器产生的噪8、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)。

9、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1、2、 3、SL 10lg I发射指向性指数 理解 : I r 1SL 传播损失 TL DITP a 4I 是发射器声轴方向上离声源中心 1m 处的声强DI TWm210lg P a170.7710 lg I I DINDSL 10lg P a 170.77 DI T定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：4、噪声功率 声功率DT10 lg信号功率 噪声功率DI R目标强度定量描述目标反射本领的大小TS5、（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？答: 利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统;按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳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？答:1. 在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数； 2. DIT 越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。

⽔声学⽔声学1. 试写出混响⼲扰背景的主动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。

2. 试写出噪声⼲扰背景的主动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。

3. 试写出被动声呐⽅程，说明各符号的物理意义。

4. 海⽔中，引起声传播损失的原因为何？5. 海⽔中，引起声吸收的原因为何？6. 舰船航⾏噪声有哪些主要噪声源，舰船航⾏噪声的频谱如何？7．海洋混响是如何形成的？按形成原因如何分类?8．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？9．射线声学的适⽤条件为何？试表述射线声学的两个基本⽅程。

10．简述实验测量⽔下物体⽬标强度（TS值）的“⽐较法”11．海洋中什么样的声速分布能形成表⾯声道。

为什么声波在表⾯声道中能远距离传播？12．⽐较主动声纳和被动声纳的优缺点。

13．海洋中什么样的声速分布能形成深海声道。

为什么声波在深海声道中能远距离传播？14．何谓点声源？15．如果波阵⾯为球⾯扩张，试写出海⽔中声传播损失的⼀般表⽰式。

16．如果波阵⾯为柱⾯扩张，试写出海⽔中声传播损失的⼀般表⽰式。

17．半径为a的刚性球体的⽬标强度为何？简述潜艇的⽬标强度随潜艇⽅位⾓的变化规律。

18．请问⽤⽔声学中的乌德公式能计算什么值？19．简述实验测量⽔下物体⽬标强度（TS值）的“应答器”法。

20．请介绍⼀种实验测量⽔中声速的⽅法。

21．近代声纳设备的⼯作频率向低频发展，试分析这会有什么好处以及会带来什么问题？22．试描述海洋混响的物理现象。

23．螺旋桨噪声产⽣的机理为何？定性给出潜艇的螺旋桨噪声与航速和潜深的关系。

24．机械噪声产⽣的机理为何？机械噪声的特点为何？25．何谓简正波的截⽌频率？某阶简正波出现于波场中的条件为何？26．定性解释‘下午效应’。

27．等声速梯度的海洋环境下，声线轨迹是何种⼏何形状？28．如果在表⾯声道中，发射⼀个脉冲声信号；问：在远处接收，此信号有何变化？为什么？29．试定性描述海⾯附近的⼀个点声源的声场特点。

水声工程知识点总结大全1. 水声传播特性水声传播特性是指声波在水中传播过程中所表现出的一系列物理现象。

了解水声传播特性对于水声工程的设计和应用至关重要。

水声传播特性的主要知识点包括：（1）声速：水中的声速约为1500 m/s，而在空气中为343 m/s。

因此，声波在水中传播的速度通常比在空气中更快。

（2）声波衰减：声波在水中传播会受到衰减的影响，主要有自由衰减和吸收衰减两种。

自由衰减是指声波在传播过程中由于扩散等原因导致声能减小；吸收衰减是指声波在传播过程中由于水中分子的摩擦等原因导致声能减小。

（3）声波散射和反射：水中存在着各种不同的物体和界面，这些物体和界面会对声波产生散射和反射现象，从而影响声波传播的路径和传播的强度。

（4）声波折射：当声波从一个介质进入另一个介质时，由于介质的声速不同而发生折射现象，这会导致声波传播方向的改变。

（5）水声信道：水声信道是指声波在水中传播的通道，在这个通道中，声波会受到各种不同的影响，例如多路径传播、多普勒效应、时变特性等。

2. 水声通信水声通信是指利用水声传播特性进行信息传输的技术。

水声通信主要应用于水下通信、水下定位、水下数据传输等领域。

水声通信的主要知识点包括：（1）水声调制技术：水声通信中通常会采用不同的调制技术来实现信息的传输，例如频移键控（FSK）、相移键控（PSK）、正交频分复用（OFDM）等。

（2）水声信道编解码：水声通信中会使用各种不同的编解码技术来提高数据传输的可靠性和效率，例如纠错编码、卷积编码、交织等。

（3）水声通信系统设计：水声通信系统设计需要考虑水声传播特性、水声信道的特性、通信距离、通信带宽等因素，以实现可靠的通信效果。

（4）水声通信协议：水声通信协议是指规定了水声通信的具体通信规则和流程的一系列标准和规范。

3. 水声定位水声定位是指利用水声信号进行目标定位的技术。

水声定位主要应用于水下目标定位、船舶定位、潜艇定位等领域。

水声定位的主要知识点包括：（1）水声测距技术：水声定位中通常会采用测距技术来确定目标的位置，测距技术包括单向测距、双向测距、多普勒效应等。

水声工程知识点总结水声工程是研究水声传播、水声信号处理以及水声通信等相关问题的一门综合性学科。

随着海洋资源的开发利用和国防安全的需要，水声工程的研究和应用日益受到重视。

本文将从水声传播、水声信号处理、水声通信以及水声测量等几个方面来总结水声工程的相关知识点。

水声传播水声传播是指声波在水中的传播过程。

水声传播的特点主要有以下几点：水声波在水中的传播速度比空气中的声波要快很多，一般为1500m/s左右；水中的温度、盐度、压力、密度等参数均会对声波的传播产生显著影响；水声波在传播过程中会发生折射、反射和衍射等现象；水声波的传播范围受频率、发射源功率、水深和水质等因素的影响。

水声传播可分为近场传播和远场传播两种情况。

在近场传播中，声波传播距离较短，主要受到声源功率和入射角度的影响；在远场传播中，声波传播距离较远，主要受到水深和水质等环境因素的影响。

水声信号处理水声信号处理是指对水声信号进行采集、预处理、特征提取、分析以及识别等一系列过程。

水声信号处理的主要内容包括声纳信号处理、水声图像处理、水声目标检测等。

声纳信号处理是水声信号处理的重要组成部分。

声纳是一种利用声波来探测、测距、识别目标等信息的设备。

声纳信号处理主要包括声纳数据采集、数据预处理、目标检测、目标跟踪和信号识别等环节。

声纳信号的特点主要有：信噪比较低、目标多样化、环境复杂等。

因此，声纳信号处理的关键在于如何有效地提取目标信号并剔除噪声信号，从而达到对水下目标的准确探测和识别。

水声图像处理是指对水下图像进行采集、预处理、分析以及目标检测和识别等相关处理。

水下图像处理的主要难点在于水下光照条件复杂、水下物体的形状不规则、目标之间的干扰等问题。

因此，水声图像处理的关键在于如何有效利用水声影像的特征信息，提高目标的识别和定位能力。

水声通信水声通信是指利用水中声波进行信息的传输和交换。

水声通信的特点主要有：传播距离远、通信带宽窄、传输速度慢、信道损耗大等。