水声学原理课程教学大纲
课程代码：74120040
课程中文名称：水声学原理
课程英文名称：Theory of Underwater Acoustics
学分：2.5 周学时：2.0-1.0
面向对象：
预修要求：
一、课程介绍
（一）中文简介
本课程主要涉及三个方面的内容：一、声波传播理论：声波的亥姆霍茨方程，在各向同性介质和分层介质中的波动方程的平面波解的结构。二、波数积分技术，通过波数积分还原波场。三、水声信号处理技术，即声波阵列信号处理技术，根据接收信号估计声波到达角度，主要包括Capon波束成形、最小方差无失真波束成形等方法。
（二）英文简介
This course is a degree program for undergraduate students of Zhejiang University. It include three parts: a)Wave propagation theory, including the solution of a point source in unbounded medium. b) Wavenumber integration techniques, which is used to solve the solution of wave equation in homogeneous solution. c) Signal processing methods in acoustic fields, including direction of arrival angle estimation.
The Methods of discussion and examples will be used in this course, and the fundamental methods will be emphasized.
二、教学目标
(一)学习目标
本课程重点介绍水声物理的基础知识，为后续的专业课程学习、开展水声研究或毕业后从事相关工作打下基础。本课程侧重水声物理基础，通过水声学原理课程的教学，使学生系
统学习水声物理的基本原理，掌握水声发射、传播和接收的机理和规律，为学生进一步的深造学习和毕业后从事相关工作打下良好基础。可测量的教学目标包括如下五个部分：
1. 掌握声纳方程及其应用；
2. 掌握声波在海洋中传播、在目标上反射和散射、海洋中的混响以及水下噪声的特征；
3. 掌握换能器阻抗、指向性及声纳水声级的测量方法；
4. 掌握阵列信号处理中的模型及常用处理方法；
5. 培养提问意识和团队意识，通过小组协作和讨论收集信息、解决问题；
6. 提高英文水声学术文献的阅读能力和水声文档写作能力、提高英文口语表达能力。（二）可测量结果
1)了解声学方程及其边界条件。
2）运用matlab计算声场。
3）运用波数积分技术求解分层介质下的声场。
4）了解阵列信号处理的基本模型及其经典方法。
注：以上结果可以通过课堂讨论、课程作业以及笔试等环节测量。
三、课程要求
（一）授课方式与要求
授课方式：a.教师讲授（讲授核心内容、总结、按顺序提示今后内容、答疑、公布讨论主题等）；b.课后阅读和团队合作（按照讨论题内容进行和课堂推荐参考文献，分小组进行阅读和讨论发言起草工作）；c. 讨论课（由主题发言和质疑-应答两个环节组成，学生在讨论中如能进行尖锐质疑，则会在其绩效记录中有所体现）；d.期末闭卷考试
课程要求：熟悉基本知识、培养思维和表达能力及合作精神、提高中外文水声学文献的阅读能力，形成对水声学研究的兴趣。
说明：由于课程的性质，授课教师将特别重视数值仿真环节，课后布置的仿真作业占据总成绩的60%。
（二）考试评分与建议
期末开卷考试开始占40％，课程作业（主要是matlab数值仿真）占60％。
四、教学安排
五、参考教材及相关资料
1) Finn B. Jensen, William A. Kuperman, Michael B. Porter, Henrik Schmidt, Computational ocean accoustics,2011.
2) Michel Bruneau, Fundamentals of acoustics, 2010.
3) Don H. Johnson, Dan E. Dudgeon, Array signal processing, 2012.
六、课程教学网站：
将通过校内网络提供必要的课件和文字材料链接
《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ka描述高、低频近似，k为波数，a为空间尺度，高频近似和低频近似分别可以表示为和。 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. 1 ,1<<>>ka ka 。 4. 机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。 5. 恢复力形式。 6. 散射截面大。 7. 快。 8. 振幅、相位。 二、简答 1. 要点：⑴ 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。⑵由于声压与质点振速相位不一致，引起了声强转变为其它形式的能量（功率）。 2. 要点： ⑴ 各号简正波的能量为非相干能量。⑵ 不同号数简正波之间的耦合能量为相干能量。 3. 要点：⑴ 说明刚性小球散射能量正比于频率4次方。⑵说明晴天小颗粒散射起主要作用，天空呈蓝色。⑶ 说明早晚天空水蒸气多，高频吸收强，因此低频散射占优势，天空呈红色。 4. 要点：⑴ 利用波动方程求解散射场的通解。⑵把入射波利用勒让德函数展开。⑶ 由边界条件确定散射场中的待定系数，并最终确定散射场。 三、证明： 气泡内气体满足绝热状态方程：.const PV =γ 微分得：0 0V dV P dP p γ-==。 而：ξ0s dV =，所以，00 00/s k V s P p ξξγ-=- =,其中，0 2 0V s P k γ= 。 而恢复力ξk ps F -==0和弹簧恢复力形式一致。得证。 四、计算题 1. 解： 单频小球源辐射声场为球面波：声压)(kr t j e r A p -= ω，质点振速r p j u ??=ωρ0。 计算得声强：? ==T r c A dt u p T I 2 002 2]Re[]Re[1 ρ。
中国海洋大学命题专用纸（附页1））乙船接收到甲船噪声信号级；（2）乙船接收的干扰噪声级；（3
．若‘直接测量法’布置为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器 2
《水声学原理》课程试题A 答案 一、 声波传播时强度衰减原因：声波在传播过程中，波阵面逐渐扩展；海水介质的吸 收和海水介质中不均匀性的散射。物理衰减是指声波的机械能转变成其它形式的能量引起的声波衰减。几何衰减是指声波传播中波阵面扩张引起声强减少。海洋中传播损失表达式为：R R n TL α+=lg ，前一项为几何衰减，后一项为物理衰减。 R R TL α+=lg 20 开阔水域适用 R R TL α+=lg 10 表面声道和深海声道中适用 R R TL α+=lg 15 计及海底吸收时浅海均匀声道适用 R R TL α+=lg 40 偶极子声源远场适用. 二、 21x x x += ()H a C H C S 11)(+= ()()1111z a C z C s += 11111cos z a H a H ++= α H H a H z ααc o s c o s 122++= ()2211H tg z H x α-= ()2222H tg H z x α-= ()2 212H tg z z x α-= 三、主动声呐信号级：TS TL SL EL +-=2 ()dB a TS 142lg 20-== 主动声呐等效平面波海底混响级：()2/lg 102R c S TL SL RL s ψτ++-= 20s S dB =- 2/275A c R m τ=ψ= 信混比：()/10lg 14(2010lg(75))12.8s S L EL RL TS S A dB =-=--=----=- 四、（1）信号级：SL －TL ，其中SL=10lg(I/I ref )；I=I 1+I 2 ()ref f I df f S I 14011051 ?==??，()()ref f I df F F f S I 142 0021052 ?==?? ()( )()dB I I I I I Sl ref ref ref 150105105lg 10lg 10141421=?+?==∴ （2）干扰级：NL －DI 其中：()()dB f NL NL 8.1015002000lg 1070lg 100=-+=+=? ()dB DI 04lg 10==ψπ
2007-水声学原理试题答案 中国海洋大学命题专用纸,首页, 2006/07学年第 2学期试题名称 , 水声学原理 A 共 3页第 1 页 专业年级海洋技术学号姓名授课教师宋志杰分数一、选择题 (36%) 下面各小题中只有一个表述是正确的。选择正确答案相应的字母填于空格处。 1. 舰艇辐射噪声由三部分组成，其中包括。(2%) A. 流噪声、自噪声和机械噪声。 B. 流噪声、自噪声和螺旋桨噪声。 C. 流噪声、螺旋桨噪声和机械噪声。 D. 自噪声、机械噪声和螺旋桨噪声。 2. 海洋混响包括。(2%) A. 体积混响、本地混响和海面混响。 B. 体积混响、海底混响和海面混响。 C. 体积混响、海底混响和异地混响。 D. 海面混响、海底混响和异地混响。 3. 两列同向传播、声强均为20dB且完全相干的一维平面波叠加在一起后，可能的声强最大值和最小值分别为。(5%) C(z) A. 80 dB和40dB。 B. 80 dB和0dB。 0 C. 23 dB和0dB。 D. 26dB和-dB。 , 4. 如右图所示声速剖面，声源位于声道轴z=200m上。 0z 0 海面处C(0)=1520m/s, 海底处C(H)=1540m/s, C(z) 0 =1500m/s。一条自声源出发、初始掠角为10o[cos(10 H o)=0.9848]的声线将。(4%) 第4题图 A. 在声道轴上方被海面反射、在声道轴上下方被海底反 射。 z B. 在声道轴上方反转、在声道轴上下方被海底反 射。
C ρ 11C. 在声道轴上方被海面反射、在声道轴上下方反 θ转。x 0 θ C ρ 22D. 在声道轴上方反转、在声道轴上下方反转。 第5题图 5. 平面波入射到两均匀介质分界面上，如右图所 示。设满足在第2介质中产生非均匀平面波的条件，则非均匀平面波。(4%) * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 装订线 * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 命题教师或授课院系负责宋志杰命题负责人教师人签字签字年月日中国海洋大学命题专用纸,附页1, 2006/07学年第 2 学期试题名称 ,水声学原理 ,A，共 3 页第 2 页 A. 沿z轴反方向传播，沿x轴正方向振幅衰减。 B. 沿x轴正方向传播，沿x轴正方向振幅衰减。 C. 沿x轴正方向传播，沿z轴反方向振幅衰减。 D. 沿z轴反方向传播，沿z轴反方向振幅衰减。 6. 在水平不变(声速剖面和海区深度不随经、纬度变化)的分层海水介质中， 。对于给定号数n的简正波，其水平波数为、垂直波数为 满,kcxyzcz(,,)(),nzn足。(4%) A.。不随深度变化，也不随深度变化。 ,knzn B. 不随深度变化，随深度变化。 ,knzn C. 随深度变化，也随深度变化。 ,knzn D. 随深度变化，不随深度变化。 ,knzn
《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 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。 解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难 以用解析式表达。 C C C 2 利用经验公式计算水深10m ，温度20℃，盐度35‰时，海水对50kHz 声波 的吸收系数，并与淡水情形比较。 3 用经验公式计算温度20℃，盐度20‰，水深1m 处与温度15℃，盐度30‰， 水深20m 处的声速。 1 波动方程的定解条件有哪些？ 2 均匀浅海声道中的简正波是如何形成的？说明简正波的特性。 解：简正波的形成原因：与z 轴夹角满足特定关系的上行波和下行波的迭加形成某一阶次的简正波。简正波在垂直方向是与驻波、水平方向是行波，每阶简正波有各自的简正频率，简正波的相速度与阶次有关，不同阶次的简正波其相速度不等，称为频散。 3 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f 0，收得海底回声信号的频率为f r ，求该船的航行速度v 。 解：考虑多卜勒效应，回声信号频率?? ? ??+=c V f f r θcos 210 ()θc o s 200f C f f V r ?-= 4 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。 解：（1）舰船噪声对声呐作用有两种：一个作为它舰被动声呐探测目标的声源，另一个作为本舰声呐的干扰。这表现在声呐方程中：前者为被动声呐方程的声源级（SL ），后者表现为干扰噪声（NL ）的一部分。并且舰船辐射噪声和舰船自噪声的性质也不同。因而舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声。 （2）舰船辐射噪声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种。 （3）舰船噪声的谱特性：连续谱上迭加线谱。 5 开阔水域中扫雷舰拖拽一宽带噪声源、声源谱级160dB ，被扫音响水雷对200-300Hz 的噪声敏感，环境噪声谱级90dB ，接收机检测阈DT=10dB ，海水吸收系数α，求作用距离（给出表达式）。 解：被动声呐方程SL-TL-(NL-DI)=DT SL=160+10lg(300-200)=180dB NL=90+10lg100=110 DI=0 DT=10 TL=SL-DT-(NL-DI)=60dB, 20lgR+αR=60 6 对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水动力噪声。 解：降低水动力噪声，工程上常采用：（1）将换能器封闭在导流罩内；（2）将换能器安装在舰艏滞流点处；（3）适当增加换能器表面积；（4）在换能器表面喷注聚合物液体。 7 已知：甲船，其辐射噪声谱密度 级如右图；乙船用被动声呐探测 甲船，该声呐系统工作通带为： 500Hz~2000Hz ；全指向性接收 器；能量检测工作方式，当信噪比大于6dB 时，认为检测到目标；若来自海洋环境噪声和乙船自噪声的总干扰噪声各向同性并且为均匀谱密度分布，在接收器处其噪声谱密度级为70dB （0dB=Hz Pa 1/μ）；试求：（1）乙船接收到甲船噪声信号级；（2）乙船接收的干扰噪声级；（3）乙船探测到甲船的最远距离（计算中取：声波球面扩展；不计海 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。?由于声压与质点振速相位不一致，引起了声强转变为其它形式的能量(功率)。 2. 要点: ? 各号简正波的能量为非相干能量。? 不同号数简正波之间的耦合能量为相干能量。 3. 要点:? 说明刚性小球散射能量正比于频率4次方。?说明晴天小颗粒散射起主要作用，天空呈蓝色。? 说明早晚天空水蒸气多，高频吸收强，因此低频散射占优势，天空呈红色。 4. 要点:? 利用波动方程求解散射场的通解。?把入射波利用勒让德函数展开。? 由边界条件确定散射场中的待定系数，并最终确定散射场。三、证明: PdV,,0pdP气泡内气体满足绝热状态方程: 微分得:。 ,,,PV,const.V0 2,,PsPs,0000k,而:，所以，,其中，。 dV,s,p,,,,k,/s00VV00 水声学原理课程教学大纲 课程代码：74120040 课程中文名称：水声学原理 课程英文名称：Theory of Underwater Acoustics 学分：2.5 周学时：2.0-1.0 面向对象： 预修要求： 一、课程介绍 （一）中文简介 本课程主要涉及三个方面的内容：一、声波传播理论：声波的亥姆霍茨方程，在各向同性介质和分层介质中的波动方程的平面波解的结构。二、波数积分技术，通过波数积分还原波场。三、水声信号处理技术，即声波阵列信号处理技术，根据接收信号估计声波到达角度，主要包括Capon波束成形、最小方差无失真波束成形等方法。 （二）英文简介 This course is a degree program for undergraduate students of Zhejiang University. It include three parts: a)Wave propagation theory, including the solution of a point source in unbounded medium. b) Wavenumber integration techniques, which is used to solve the solution of wave equation in homogeneous solution. c) Signal processing methods in acoustic fields, including direction of arrival angle estimation. The Methods of discussion and examples will be used in this course, and the fundamental methods will be emphasized. 二、教学目标 (一)学习目标 本课程重点介绍水声物理的基础知识，为后续的专业课程学习、开展水声研究或毕业后从事相关工作打下基础。本课程侧重水声物理基础，通过水声学原理课程的教学，使学生系 1.什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？ 声音导航与测距，Sound Navigation And Ranging”是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测和通讯任务的电子设备。它有主动式和被动式两种类型，属于声学定位的范畴。声呐是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。 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？ (SL声源级-2TL传播损失+TS目标强度)=(NL海洋环境噪声级-DI接收指向性系数)=DT检测阈SL-TL-（NL-DI）=DT 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？ 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 4. 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？ 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 6.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。 7. 利用经验公式计算水深10m，温度20℃，盐度35‰时，海水对20kHz声波的吸收系数，并与淡水情形比较。 ()P 14502+ - .4 21 + = .0 - + 14 T T S 037 c175 .1 35 .0 8. 用经验公式计算温度20℃，盐度20‰，水深1m处与温度15℃，盐度30‰，水深20m处的声速。 ()P 14502+ 21 - + = + - .0 .4 T 037 S c175 T .1 14 35 .0 9. 声波在海水中传播时其声强会逐渐减少。（1）说明原因；（2）解释什么叫物理衰减？什么叫几何衰减？（3）写出海洋中声传播损失的常用TL表达式，并指明哪项反映的主要是几何衰减，哪项反映的主要是物理衰减；（4）试给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式。 解：声波传播时强度衰减原因：声波在传播过程中，波阵面逐渐扩展； 水声学 underwater acoustics 简史 水声换能器和参量阵 水声换能器 水声换能器的进展 水声参量阵 声波在海洋中的传播和声场数值预报 传播损失 水下声道 理论方法 深海中的声传播 浅海中的声传播 声场数值预报 水声场的背景干扰 噪声 海洋中的混响 信号场的起伏和散射 海面波浪引起的声起伏 湍流引起的声起伏 内波引起的声起伏 目标反射和舰船辐射噪声 水下目标反射 舰船辐射噪声 水声信号处理-声学的一个分支学科。它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。 简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。 第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。随着海洋的开发，水声学在海洋资源的调查开发、对海洋动力学过程和环境监测、增进人类对海洋环境的认识等方面的应用还将不断地扩展。 现代水声学的研究课题涉及面很广，主要有：①新型水声换能器；②水中非线性声学；③水声场的时空结构（例如：信号场的相关，简正波场的分离和应用，数值声场预报和信道匹配等）；④水声信号处理技术（例如：最佳时空处理、水声信号的参量估计等）；⑤海洋中的噪声和混响、散射和起伏，目标反射和舰船辐射噪声；⑥海洋媒质的声学特性（例如：沉积层和海底、海面、内波及湍流的声学特性）等。特别是水声学正在与海洋、地质、水生物等学科互相渗透，而形成海洋声学等研究领域。下面就六个方面分别叙述水声学的主要学科内容。 水声换能器和参量阵水声换能器是发射和接收水中声信号的装置，应用最广泛的是电声转换的水声换能器，即转换电能为水中声能的水声发射器以及转换水中声能为电能的水声接收器（即水听器）。水是声阻抗率较高的媒质，因此要发射较大声功率就必须有较大的力。常用的水声换能器按其基本换能机理分为可逆式和不可逆式两大类。可逆式(可作接收器)的有：电动、静电、可变磁阻(电 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 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 ，z 0，c s ，a 1，a 2和0α求x 。 C z x 6.（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f 0，收得海底回声信号的频率为f r ，求该船的航行速度v 。 水面 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： 发射信号 (2)被动声纳： 噪声 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。原因在于前者信噪比会增大而后者信混比不变。根据声纳方程，前者作用距离会随之提高而后者不变。 (2) 如能提高则环境噪声为主要背景干扰，则相应的声纳方程为： SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT 设发射功率增大前后的声纳参数分别标号为1和2，则有 SL1-2TL1+TS1-(NL1-DI1)=DT1 (a) SL2-2TL2+TS2-(NL2-DI2)=DT2 (b) 将上述两式相减可得， SL2-2TL2+TS2-(NL2-DI2)-(SL1-2TL1+TS1-(NL1-DI1))= DT2 - DT1 考虑到除声源级外其他参数均保持不变，则有 SL2-2TL2-(SL1-2TL1)=0 进一步化简可得 SL2- SL1=2(TL2-TL1) 由声功率与声源级以及传输损失与作用距离的关系式可知，这里假定球面波传输损失，则有 2=P2/P1=(r2/r1)4, 所以 r2/r1=21/4 即功率增大一倍，作用距离增大21/4倍。 3.答：(1)典型的海洋声速分布有： 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。 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）声纳冇哪两种工作方式？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）试両出典型的海洋声速分布图，丼说明表面声道和深海声道的形成原因。 4.（10分）若海水屮的声速分布如下阁，试M出几条典型声线轨迹图。 5.（10分）声速分布如卜*左图所示，己知//，z0, G,的和％求义。 6.（10分）一只声呐换能器的声源级为120dBo问从一个距离为1000m，半社为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K物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测暈 中应注意哪些问题才能保证测景的准确？ 8.（1（）分）已知水而船作匀速H线运动，船底的换能器以夹角汐h'd海底发射声波，频率为 人，收得海底回声信号的频率为人，求该船的航行速度V。 9.（10分）根据混响场特性不同，混响分为哪儿类？它们各自产生的混响源是什么？试写出这 儿类混响的等效T?面波混响级的理论公式。 十 水而 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肖噪声？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。 标准符案： 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。它们的信息流程阁分别为： (1)主动声纳： (2)被动声纳: 2.答：(1)能否提卨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，若竹景干扰以混响为主，则不能提高作用距离。原因在于前者信噪比会增大而后者信混比不变。根据声纳方程，前者作用距离会随之提高而后者不变。 (2)如能提高则环境噪声为主耍竹景干扰，则相应的声纳方程为： SL-2TL+TS-(NL-DI)=DT 设发射功率增人前后的声纳参数分别标号为1和2,则有 SL, -2TL, +TS,-(NL,-DI,)=DT,(a) SL2-2TL24-TS2-(NL2-DI2)=DT2(b) 将上述两式相减可得， SL2-2TL2+TS2-(NL2-Dl2)-(SL r2TL1+TS1-(NL1-DI,))=DT2-DT, 考虑到除声源级外其他参数均保持不变，则冇 SL2-2TL2-(SL,-2TL,)=0 进一步化简可得 SLs-SLpCTU-TL,) 山声功率与声源级以及传输损失与作用距离的关系式可知，这里假定球而波传输损失，则冇 2=P2/P|=(r2/ri)4, 所以 r2/r,=21/4 即功率增大一倍，作用距离增大21/4倍。 3.答：(1)典型的海洋声速分布宥：水声学原理课堂习题2(附答案)
水声学原理试题+答案
水声学原理课程教学大纲
水声学原理课堂习题1及答案
水声学原理 (2)
水声学原理考试试卷及参考答案
海洋声学基础——水声学原理-吴立新
水声学原理考试试卷及参考答案.doc
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