《水聲學(xué)》課程配套習(xí)題參考答案.

1、水聲學(xué)部分習(xí)題參考答案緒論1 略2 略3 略4 略5 環(huán)境噪聲和海洋混響都是主動(dòng)聲吶的干擾，在實(shí)際工作中如何確定哪種干擾是主要的？解：根據(jù)水文條件及聲吶使用場(chǎng)合， 畫(huà)出回聲信號(hào)級(jí)、 混響掩蔽級(jí)和噪聲掩蔽級(jí)隨距離變化的曲線， 如下圖，然后由回聲信號(hào)曲線與混響掩蔽級(jí)、 噪聲掩蔽級(jí)曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的距離來(lái)確定混響是主要干擾，還是噪聲為主要干擾，如下圖， r R<r n，所以混響是主要干擾。聲信號(hào)級(jí)回聲信號(hào)級(jí)混響掩蔽級(jí)噪聲掩蔽級(jí)距離rr Rr n6工作中的主動(dòng)聲吶會(huì)受到哪些干擾？若工作頻率為1000Hz，且探測(cè)沉底目標(biāo)，則該聲吶將會(huì)受到哪些干擾源的干擾。解：工作中的主動(dòng)聲吶受到的干擾是：海洋環(huán)境

2、噪聲、海洋混響和自噪聲，若工作頻率為 1000Hz，干擾來(lái)自：風(fēng)成噪聲、海底混響、螺旋槳引起的自噪聲及水動(dòng)力噪聲。7 已知混響是某主動(dòng)聲吶的主要干擾， 現(xiàn)將該聲吶的聲源級(jí)增加 10dB，問(wèn)聲吶作用距離能提高多少？又，在其余條件不變的情況下，將該聲吶發(fā)射功率增加一倍，問(wèn)作用距離如何變化。 （海水吸收不計(jì)，聲吶工作于開(kāi)闊水域）解：對(duì)于受混響干擾的主動(dòng)聲吶，提高聲源級(jí)并不能增加作用距離，因?yàn)榇藭r(shí)信混比并不改變。 在聲吶發(fā)射聲功率增加一倍，其余條件不變的情況下， 作用距離變?yōu)樵嚯x的 4 2 倍，即 R14 2R。第一章聲學(xué)基礎(chǔ)1 什么條件下發(fā)生海底全反射，此時(shí)反射系數(shù)有什么特點(diǎn)，說(shuō)明其物理意義。解：

3、發(fā)生全反射的條件是： 掠時(shí)角小于等于全反射臨界角， 界面下方介質(zhì)的聲速大于界面上方介質(zhì)的聲速。發(fā)生全反射時(shí)，反射系數(shù)是復(fù)數(shù)，其模等于 1，虛部和實(shí)部的比值給出相位跳變角的正切，即全反射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相位跳變。2 略3 略第二章海洋聲學(xué)特性1 海水中的聲速與哪些因素有關(guān)？畫(huà)出三種常見(jiàn)的海水聲速分布。解：海水中的聲速與海水溫度、密度和靜壓力（深度）有關(guān)，它們之間的關(guān)系難以用解析式表達(dá)。CCC表面聲道深海聲道淺海負(fù)梯度zzz2 略3 略4 略5 略6 聲波在海水中傳播時(shí)其聲強(qiáng)會(huì)逐漸減少。 （ 1）說(shuō)明原因；（ 2）解釋什么叫物理衰減？什么叫幾何衰減？（3）寫(xiě)出海洋中聲傳播損失的常用TL 表達(dá)式，并指明哪

4、項(xiàng)反映的主要是幾何衰減，哪項(xiàng)反映的主要是物理衰減；（4）試給出三種不同海洋環(huán)境下的幾何衰減的TL 表達(dá)式。解：聲波傳播時(shí)強(qiáng)度衰減原因：聲波在傳播過(guò)程中，波陣面逐漸擴(kuò)展；海水介質(zhì)的吸收和海水介質(zhì)中不均勻性的散射。物理衰減是指聲波的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成其它形式的能量引起的聲波衰減。幾何衰減是指聲波傳播中波陣面擴(kuò)張引起聲強(qiáng)減少。海洋中傳播損失表達(dá)式為： TL n lg RR ，前一項(xiàng)為幾何衰減，后一項(xiàng)為物理衰減。TL20 lg RR開(kāi)闊水域適用TL10 lg RR表面聲道和深海聲道中適用TL15 lg RR計(jì)及海底吸收時(shí)淺海均勻聲道適用TL40 lg RR偶極子聲源遠(yuǎn)場(chǎng)適用7 聲吶 A ， B 有相等的聲源

5、級(jí)，但聲吶 A 工作頻率 fA 高于聲吶 B 工作頻率 fB, 問(wèn)哪臺(tái)聲吶作用距離遠(yuǎn)，說(shuō)明原因。解：聲吶 B 工作距離遠(yuǎn)，因?yàn)樗墓ぷ黝l率較低，海水吸收小，所以作用距離較遠(yuǎn)。8 略9 聲波在海洋中傳播時(shí)，其聲強(qiáng)會(huì)逐漸衰減，說(shuō)明原因。列舉三種常用傳播損失表達(dá)式，并說(shuō)明適用條件。解：聲波傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的原因：聲波傳播過(guò)程中，波陣面逐漸擴(kuò)展；海水介質(zhì)的吸收和海水介質(zhì)中不均勻性的散射。TL=20lgR+R開(kāi)闊水域適用TL=10lgR+R表面波道和深海聲道中適用TL=15lgR+R適用計(jì)及海底吸收時(shí)的淺海均勻聲道TL=40lgR+R適用偶極聲源遠(yuǎn)場(chǎng)10 略11 略第三章海洋中的聲傳播理論1 略2 說(shuō)明射

6、線聲學(xué)的基本方程、適用條件及其局限性，并說(shuō)明球面波和柱面波傳播時(shí)聲線的傳播方向。解：射線聲學(xué)是波動(dòng)聲學(xué)的高頻近似，適用高頻條件和介質(zhì)不均勻性緩慢變化的情況，但它不適用影區(qū)，焦散線。柱面聲波的聲線垂直于柱的側(cè)面，球面聲波的聲線垂直于球面。3 水平分層介質(zhì)中的“程函方程”表示如何？若海水中的聲速分布如下圖，試畫(huà)出幾條典型聲線軌跡圖。解：（ 1）波動(dòng)方程：2 p k 2 p0聲壓解的形式： p x, y, zA x, y, z e ik 0 x, y, z其中， kk0 n x, y, z程函：x, y, z在 2 A A 1條件下，可得程函方程：x, y, z 2n 2 x, y, z強(qiáng)度方程：A

7、220AA（ 2）適用條件：介質(zhì)中聲速（或折射率 n）在波長(zhǎng)范圍內(nèi)相對(duì)變化很??；聲波強(qiáng)度在波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化很小。一般射線聲學(xué)適合高頻遠(yuǎn)場(chǎng)。（ 3）水平分層介質(zhì)中，程函方程可表述為Snell 定律，即在同一條聲線不同位置的水平出射角度z 與該點(diǎn)的聲速c z由關(guān)系：coszc z 常數(shù)。（ 4）典型聲線軌跡圖4 略5 略6 海水中聲速值從海面的 1500m/s 均勻減小到 100m 深處的 1450m/s。求（ 1）速度梯度；（2）使海表面的水平聲線達(dá)到 100m 深處時(shí)所需要的水平距離；（3）上述聲線到達(dá) 100m 深處時(shí)的角度。解： 1）聲速絕對(duì)梯度 gdc1500 14500.5s 1dz10

8、02）恒定聲速梯度時(shí)，聲線軌跡是一段圓弧，圓的曲率半徑1c1500Rdcg cos3 kmcos0.5cdz如右圖示，水平傳播距離xR 2( R0.1) 20.768 km3）由 Snell 定律知，到達(dá) 100m深度時(shí)的掠射角為1450arccos14.847 設(shè)海水中有負(fù)聲速梯度，且其絕對(duì)值為常數(shù)g，聲源處的聲速為 c0 。試證水平 發(fā)出 的聲 線穿 過(guò) 的水 層厚 度為d 時(shí)， 它 在水 平方 向前 進(jìn)的 距離1r2c0 d g2 。解：如右圖示，由聲源處水平出射的聲線，聲線曲率半徑 Rc0 ，所以水平傳播距離gxR 2( R d )22Rdd 2一般情況下，聲速垂直梯度g 為遠(yuǎn)小于 1

9、 的量所以曲率半徑較水深大得多x2Rd(2c0 d / g)1 / 28設(shè)海水中有恒定負(fù)聲速梯度，其絕對(duì)值為常數(shù)g，海面聲速為 c0 ，聲源深度為 d。試求恰巧在海面反轉(zhuǎn)的聲線的出射角（與水平線之夾角）？9某淺海海域水深40m，海面、海底都是平面。聲源深度10m，聲速梯度為常數(shù)，海面聲速為 1500m/s，海底處為 1480m/s。試計(jì)算并畫(huà)出自聲源沿水平方向發(fā)出的聲線的軌跡，到第二次從海底反射為止。10 驅(qū)逐艦要搜索一艘水中的敵潛艇，海水中聲速梯度為-0.1/s，海面聲速為1500m/s。驅(qū)逐艦的聲吶換能器的深度為10m，當(dāng)換能器的俯角為4.5o 時(shí)，發(fā)現(xiàn)水平距離 1000m 處的潛艇，問(wèn)潛

10、艇的深度為多少？11 一艘潛艇位于 180m 深處，該處聲速為 1500m/s。它的聲吶換能器在與水平的仰角 10o 處探測(cè)到一水面船只。問(wèn)船只離潛艇的水平距離是多少？12 聚集因子 F 是如何定義的，它有什么物理意義？舉出二個(gè)F>1 的場(chǎng)合。解：聚集因子 FI x, z ，其中 I 是非均勻介質(zhì)中的聲強(qiáng)， I0是按球面波衰減的I 0聲強(qiáng)，若 F1，表示該處衰減小于球面波規(guī)律，反之，則表示該處衰減大于球面波規(guī)律。會(huì)聚區(qū)中和焦散線上F>1。第四章典型傳播條件下的聲場(chǎng)1 鄰近海面的水下點(diǎn)源聲場(chǎng)中的聲壓振幅隨距離變化具有哪些規(guī)律？2 表面聲道的混合層中的聲線傳播具有那些特點(diǎn)？3 什么是反

11、轉(zhuǎn)深度？什么是臨界聲線和跨度？4 什么是會(huì)聚區(qū)和聲影區(qū)？二者之間聲強(qiáng)大小如何？會(huì)聚增益是如何定義的？若用波動(dòng)理論應(yīng)如何解釋會(huì)聚現(xiàn)象？5 淺海和深海是如何定義的？6 畫(huà)出表面聲道聲速分布，應(yīng)用射線理論解說(shuō)聲波在表面波道中遠(yuǎn)距離傳播的原因。解：下左圖為表面聲道中的聲速分布，表面聲道中， 以小于臨界角發(fā)出的聲線在聲道的某個(gè)深度上翻轉(zhuǎn)向海面?zhèn)鞑?，遇海面又?jīng)海面反射向下傳播，如是重復(fù)以上過(guò)程而得以遠(yuǎn)距離傳播。CsCxa1HHa2zz7 分別說(shuō)明或畫(huà)圖表示表面波道中聲強(qiáng)沿深度和水平方向的分布規(guī)律。解：在表面波道中， 聲強(qiáng)沿水平方向隨距離的次方衰減。 聲強(qiáng)沿深度的分布如下右圖所示。C球面擴(kuò)展海水吸收聲強(qiáng)度H

12、Hz0z聲強(qiáng)隨深度變化曲線z8天氣晴好，同一臺(tái)聲吶在早晨的作用距離遠(yuǎn)還是下午的作用距離遠(yuǎn)，為什么？解：早晨時(shí)聲吶作用距離遠(yuǎn)， 因?yàn)榇藭r(shí)可能存在表面聲道，而下午一般不會(huì)形成表面聲道。即使不出現(xiàn)表面聲道時(shí)， 早晨的負(fù)梯度也小于下午的負(fù)梯度，所以早晨的作用距離遠(yuǎn)于下午，這就是下午效應(yīng)。9 畫(huà)出深海聲道聲速分布，應(yīng)用射線理論說(shuō)明聲波在深海聲道中遠(yuǎn)距離傳播的原因。解：深海聲道聲速分布如下左圖所示，由于折射的原因，聲線在聲道軸上、下不斷翻轉(zhuǎn)，如是重復(fù)，聲能被限制在聲道中，并遠(yuǎn)距離傳播。Cx聲道軸zz10 試推導(dǎo)出以0 角跨過(guò)聲道軸線的聲線的平均水平聲速度的表達(dá)式。11 聲速分布如下左圖，聲源位于深度H處，

13、以 H出射的聲線在 z1 , z2 深度上翻轉(zhuǎn)，已知 cs ,a1 , a2 , z1 ，求水平距離 x。（ a1 0,a20 ）sxCCz1a1HHH2z2azzx解： x x1x2C( H ) CS 1 a1 HC z1Cs 1 a1 z1cosH1 a1 Hz2 H1c o s H1 a1 z1a2 c o s Hx12 H z12 z2H2 z2 z1Hx2HxHtgtgtg222CsCa1z1Hx 2HHx 1a2z 2z12如下圖，點(diǎn)聲源位于海面下1 處，它的工作頻率 f，輻射聲壓為P0 sin t 0 ，d接收換能器位于海面下d2 處，與聲源間的水平距離x，求接收點(diǎn)的聲壓。解：接

14、收點(diǎn)的聲場(chǎng)是直達(dá)聲和海面反射聲之和。直達(dá)聲P1P0s i n t0；海面反射聲 P2P0sin t0R1R22 fR1x 2d 2d12R2x 2d1d220 是初始相位R2R1 /CC 一介質(zhì)中的聲速接收點(diǎn)聲場(chǎng)PP1P2d1p2p1zxxd213 聲速分布下左圖，聲源位于z1 處，以c s , a , z0 , z1 和 z2 ，求水平距離 x。2 z1z0x2解： x x1 x2x11tg21 出射的聲線在深度z0 處翻轉(zhuǎn)。已知z2z112tg2C z0Cs 1 az0C z1Cs 1 az1C z2 C s 1 az21cos 1cos21 az11az2C z0C z1C z2c o

15、s1c o s 2az01 az01sxCCz0az11z22x1x 2zz14 聲速分布如下左圖所示，已知 H，z0，cs，a1，a2 和 0 求 x 。CsCxa1xHHa2z00zz解： x x1x2z0Hx2Hx1tg0HtgHS22CHCS 1 a1HC0CH 1 a2 z0Hcos0 /C0cos H / CHcos s / Cscosscos0c o s Hc o s 01 a2 z0 H1 a1H 1 a2 z0HsxCCsa1HHHa2z 00x1x2zz15 比較表面聲道與深海聲道聲傳播特性之異同。解：相同點(diǎn)：（1）都能遠(yuǎn)距離傳播；（2）衰減規(guī)律基本為柱面規(guī)律不同點(diǎn)：（ 1

16、）深海聲道有會(huì)聚區(qū)，聲面波道則沒(méi)有； （2）從機(jī)理上講，深海聲道傳播遠(yuǎn)是由于聲線在聲道軸上、 下的翻轉(zhuǎn)，得以遠(yuǎn)距離傳播， 而表面波道是介質(zhì)的折射和海面的反射才遠(yuǎn)距離傳播； （3）表面波道有截止頻率， 而深海聲道則無(wú)截止頻率限制。16 均勻淺海聲道中的簡(jiǎn)正波是如何形成的？說(shuō)明簡(jiǎn)正波的特性。解：簡(jiǎn)正波的形成原因： 與 z 軸夾角滿足特定關(guān)系的上行波和下行波的迭加形成某一階次的簡(jiǎn)正波。 簡(jiǎn)正波在垂直方向是與駐波、 水平方向是行波， 每階簡(jiǎn)正波有各自的簡(jiǎn)正頻率， 簡(jiǎn)正波的相速度與階次有關(guān)， 不同階次的簡(jiǎn)正波其相速度不等，稱為頻散。第五章聲波在目標(biāo)上的反射和散射1什么是目標(biāo)強(qiáng)度？請(qǐng)寫(xiě)出剛性球體（ka&g

17、t;>1）目標(biāo)強(qiáng)度的表達(dá)式。2 潛艇目標(biāo)散射強(qiáng)度隨方位變化有哪些特點(diǎn)？請(qǐng)分析影響潛艇的目標(biāo)強(qiáng)度值的因素有哪些？3 測(cè)量柱形目標(biāo)的 TS 值時(shí)，發(fā)現(xiàn) TS 值隨測(cè)量距離而變，說(shuō)明這種變化關(guān)系及其原因。解：與測(cè)量距離關(guān)系：隨著距離變大， TS 值逐漸變大，距離大到某個(gè)值后， TS 值不再隨距離而變大。原因：（ 1）聲吶換能器指向性原因，近距離上，入射聲沒(méi)有照射到目標(biāo)全部，因而對(duì)回波有貢獻(xiàn)的表面小，回波弱，隨著距離變大，入射照射的面積變大，對(duì)回聲有貢獻(xiàn)的表面也變大，因而 TS 值也大，距離大到某個(gè)值時(shí)，整個(gè)目標(biāo)都被入射聲照射后， TS 值不再隨測(cè)量距離而變； （2）回聲信號(hào)在近場(chǎng)與距離的一次方

18、成反比， 在遠(yuǎn)場(chǎng)與距離的二次方成反比， 而歸算至目標(biāo)聲中心 1 米處時(shí)都按球面規(guī)律歸算，其后果必然導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果大于近場(chǎng)。4在高頻遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，簡(jiǎn)單地用能量守恒關(guān)系推出半徑為a 的剛性球目標(biāo)強(qiáng)度TS 值表達(dá)式。解：入射到球面上的聲功率：Wia2 I 0在散射場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)，如果為均勻球面場(chǎng)，則半徑為r 球面上散射聲功率：Ws4 r 2 I s r根據(jù)能量守恒，有： WiWs ， a 2 I 04 r 2 I sr根據(jù)定義：TS10 lgI s r1I 010lga24 20 lga2m5 一只工作在 50kHz 頻率的聲吶換能器具有 140dB 聲源強(qiáng)度。問(wèn)從一個(gè)距離為1000m，半徑為 40m 的球

19、形物體上返回的回波信號(hào)強(qiáng)度是多少？解：由聲納方程可知，回聲信號(hào)強(qiáng)度為EL=SL-2TL+TS又TL= 20 lg rTS=10 lga 24所以EL=120-2× 20 lg 1000 +10 lg 402=46dB46 在非消聲水池中測(cè)量目標(biāo)回聲信號(hào)時(shí)，應(yīng)注意些什么？設(shè)目標(biāo)強(qiáng)度TS0 的目標(biāo)在入射聲波照射下產(chǎn)生的回聲強(qiáng)度為Ir 0，若其余條件不變，將目標(biāo)強(qiáng)度未知的目標(biāo)替代原目標(biāo)，測(cè)得回波強(qiáng)度為Ir ，求該目標(biāo)的 TS 值。I iTS0Ir 0收發(fā)合置換能器I iTSIr解：在非消聲水池中測(cè)量目標(biāo)回聲信號(hào)，應(yīng)保證：測(cè)量在遠(yuǎn)場(chǎng)、自由場(chǎng)中進(jìn)行，Ir并應(yīng)是穩(wěn)態(tài)信號(hào)。TSTS010 lg7

20、一般，在實(shí)驗(yàn)室水池中測(cè)量水下目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度的方法有哪些？實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意哪些事項(xiàng)？8 簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)測(cè)量水下物體目標(biāo)強(qiáng)度（ TS 值）的“應(yīng)答器法”，給出有關(guān)計(jì)算式，測(cè)量中應(yīng)注意哪些問(wèn)題才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確？若直接測(cè)量法布置為：在開(kāi)闊水域，點(diǎn)聲源輻射器，無(wú)指向性接收器和被測(cè)物體依次排列，間距分別為 R1， R2；（R2>>d2/ ；d：被測(cè)物體最大線度； ：聲波波長(zhǎng)）。接收器接收的點(diǎn)聲源輻射聲壓幅值為 Pi，接收的被測(cè)物體散射聲壓幅值為 Ps；問(wèn)：被測(cè)物體的目標(biāo)強(qiáng)度（ TS 值）如何計(jì)算？（聲波球面擴(kuò)展，不計(jì)海水聲吸收）解：“直接測(cè)量法”測(cè)量水下目標(biāo)強(qiáng)度（其它略）：布置如下圖。R1R2發(fā)射

21、換能器接收水聽(tīng)器待測(cè)目標(biāo)（1） 輻射聲壓幅值： P P0 r接收器接收的聲壓幅值： PiP0 R1待測(cè)目標(biāo)的入射聲壓為： P2P0R1R2Pi R1R1R2接收器接收目標(biāo)散射聲壓幅值：PsPr r 1mR2目標(biāo)強(qiáng)度計(jì)算公式： TS 20 lg PrP220 lg Ps R1R2R2 R1 Pi（2） 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：a. 接收水聽(tīng)器和待測(cè)目標(biāo)置于發(fā)射換能器的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)；b. 接收水聽(tīng)器置于待測(cè)努表散射聲場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)；c.發(fā)射聲信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度：2L c ，L 為目標(biāo)長(zhǎng)度。9 寫(xiě)出目標(biāo)回聲信號(hào)級(jí)表達(dá)式；目標(biāo)回聲信號(hào)是如何產(chǎn)生的，它有哪些特性，并簡(jiǎn)述其產(chǎn)生的原因？解：目標(biāo)回聲信號(hào)級(jí)EL=SL-2TL+TS目

22、標(biāo)回聲信號(hào)是入射聲與目標(biāo)互相作用后產(chǎn)生的， 它由鏡反射波， 目標(biāo)上不規(guī)則處的散射波，目標(biāo)的再輻射波等組成，回聲信號(hào)的一般特性有： 回聲信號(hào)的脈寬一般比入射信號(hào)寬； 與入射信號(hào)相比，有多卜勒頻偏；回聲信號(hào)波形一般有較大的畸變等。10 比較彈性目標(biāo)和剛性目標(biāo)回波信號(hào)的異同，并說(shuō)明形成差異的原因。解：回聲信號(hào)的相同點(diǎn)： 脈沖展寬，多卜勒頻偏，波形畸變等回聲信號(hào)的不同點(diǎn)：彈性目標(biāo)回聲信號(hào)隨頻率作劇烈振蕩， 其原因是在入射波的激勵(lì)下， 目標(biāo)的某些固有振動(dòng)模態(tài)被激勵(lì)， 這些振動(dòng)的輻射波是回聲信號(hào)的組成部分， 它們和鏡反射波、不規(guī)則處的散射波等分量的迭加得到總的回聲信號(hào)， 而這種相干迭加是和頻率有關(guān)的，因而

23、回聲信號(hào)隨頻率而變。11 在短脈沖入射時(shí)，如何判斷殼體目標(biāo)回波脈沖串中由殼面的鏡面引起的回波脈沖？12 已知水面船作勻速直線運(yùn)動(dòng)，船底的換能器以?shī)A角 向海底發(fā)射聲波，頻率為 f0，收得海底回聲信號(hào)的頻率為 fr ，求該船的航行速度 v。V水面f 0f r海底解：考慮多卜勒效應(yīng)，回聲信號(hào)頻率 frf 02V cosfr f 0 C1Vc2 f 0 c o s13 柱形水雷長(zhǎng)2m，半徑為 0.5m，端部為半球形。垂直入射時(shí)，水雷及其端部的目標(biāo)強(qiáng)度表達(dá)式是什么？給定聲波頻率分別為10kHz和100kHz，計(jì)算目標(biāo)強(qiáng)度。解：已知圓柱物體的目標(biāo)強(qiáng)度公式為T(mén)S=10lg( aL2 / 2 22在 100k

24、Hz 時(shí)， TS=10lg( 0.52 ) /(20.015)2 dB8 dB已知球形目標(biāo)的目標(biāo)強(qiáng)度公式為T(mén)S=10lg( a 2 / 4) ，對(duì)于大球， 其目標(biāo)強(qiáng)度不隨頻率變化，所以兩個(gè)頻率下，TS=10lg( 0.52 / 4) =-12dB第六章海洋中的混響1 根據(jù)混響場(chǎng)特性不同，混響分為哪幾類(lèi)？它們各自產(chǎn)生的混響源是什么？2 什么是散射強(qiáng)度？3 什么是等效平面波混響級(jí)，說(shuō)明混響信號(hào)的特性。解：RL10 lgI式中I0 是參考聲強(qiáng)，I 是平面波聲強(qiáng)。I 0將聲吶換能器放入混響聲場(chǎng)中， 聲軸指向目標(biāo)， 在混響的作用下， 換能器輸出開(kāi)路電壓 V ，再將聲強(qiáng)為 I 的平面波沿聲軸入射向換能器，

25、如換能器的開(kāi)路輸出電壓也等于 V ，則就用平面波聲強(qiáng)度量混響強(qiáng)度， 稱 RL 為等效平面波混響級(jí)?；祉懯侵鲃?dòng)聲吶特有的干擾， 它是一個(gè)非平衡隨機(jī)量， 隨時(shí)間衰減， 它的瞬時(shí)值服從高斯分布， 振幅服從瑞利分布。 其頻率特性基本上與發(fā)射信號(hào)相同， 在空間中不是均勻的。4 請(qǐng)寫(xiě)出計(jì)算體積混響、海面混響和海底混響的等效平面波混響級(jí)理論公式？5 為什么說(shuō)海洋體積混響源是海洋生物？海面混響和海底混響是如何形成的？解：海洋體積混響主要來(lái)自深水散射層。深水散射層具有晝夜遷徒規(guī)律，早晚較淺，接近海面，白晝較深；該層具有一定厚度；且有選頻特性，據(jù)此可以判定，該層是由海洋生物組成的，它們是體積混響的散射源。海面混響

26、是由波浪海面不平整及海面附近的一層小氣泡對(duì)聲波的散射形成的，海底混響是海底的不平整及表面的粗糙度對(duì)聲波的散射形成的。6 海洋混響是如何形成的？它的強(qiáng)弱與哪些因素有關(guān)？解：海洋混響是由海洋中存在的大量不均勻性（如海底、海面的不平整，海面附近的氣泡，海底的粗糙度，海洋生物等）對(duì)入射聲波的散射波在接收點(diǎn)的迭加，混響首先與海水體積或海面、 海底的散射強(qiáng)度有關(guān)，還與換能器等效聯(lián)合指向性、發(fā)射脈沖寬度和入射聲強(qiáng)度有關(guān)。7 請(qǐng)簡(jiǎn)述海面散射強(qiáng)度隨掠射角、工作頻率和海面風(fēng)速的變化規(guī)律？8 混響的瞬時(shí)值和振幅各服從什么分布規(guī)律？9 請(qǐng)簡(jiǎn)述混響的空間相關(guān)特性？10 若海水的體積散射強(qiáng)度與空間位置無(wú)關(guān)為 SV ，聲吶

27、的發(fā)射、接收指向性函數(shù)分別為 R1 , 和 R2 , ；發(fā)射聲源級(jí) SL；信號(hào)脈沖寬度 。（ 1）簡(jiǎn)述計(jì)算海洋混響的最簡(jiǎn)單模型； （ 2）用此模型，推導(dǎo)出不均勻海水的體積混響等效平面波混響級(jí) RLV 的表達(dá)式。解：（ 1）計(jì)算混響的簡(jiǎn)單模型：聲線直線傳播；不計(jì)海水聲吸收；散射體（面）單元均勻連續(xù)分布；每一散射體（面）單元散射聲波的發(fā)生和結(jié)束與入射到此單元上的入射聲波同時(shí)發(fā)生和結(jié)束；不計(jì)二次散射。（2）t 時(shí)刻收發(fā)合置換能器接收的混響來(lái)自半徑為ct/2 和 c（ t+ ）/2 的球殼間散射體的散射，此區(qū)域記作 V 0。入射到體元 dV 的入射聲波聲強(qiáng)為： I 0 R1, / r 2體元 dV 產(chǎn)

28、生的散射波聲強(qiáng)為： I 0 R1,/ r 2 SV dV / r 2dV 產(chǎn)生的散射波聲強(qiáng)等效平面波聲強(qiáng)為：I 0R1,R2,/ r 4 SV dV區(qū)域 V 0 散射的總等效平面波聲強(qiáng)為：II0R1,R2,/ r 4 SV dVV 0如果 ct/2> c /2，則積分結(jié)果可近似為：I I 0 SV / r 2 c / 2 R1, R2 , d d定義：收發(fā)合置換能器的等效束寬為：R1,R2,d d則： I I 0 SV / r 2 c / 2 I 0 SV / r 4 r 2 c/ 2等效平面波混響級(jí)為： RL=10lg(I/I ref)=SL-2TL+S V +10lg(V)其中：聲源

29、級(jí) SL=10lg(I/I ref)；傳播損失TL=10lg(r2 ；海水體積散射強(qiáng)度V ；)S等效散射體積V= Ir 2c/ 2。11 已知目標(biāo)強(qiáng)度為T(mén)S 的目標(biāo)位于海底， 探測(cè)聲吶與它之間的距離R，海底散射強(qiáng)度為 Sb，探測(cè)聲吶聲源級(jí) SL，發(fā)射脈沖寬度，換能器等效聯(lián)合指向性，海水中聲速C，吸收系數(shù)，寫(xiě)出接收信號(hào)信混比表達(dá)式。RTS解：等效平面波混響級(jí) RL SL 40 lg r Sb 10 lg c r2 r2（1）回聲信號(hào)級(jí) EL=SL-2TL+TS=SL-40lgr -2 r+TS（2）回聲信號(hào)信混比 SR EL RL TS Sb 10 lgc r2（3）信混比 SR=-10lg4+

30、25-10lg(1500×0.004× 400×0.2/2)（4）減小發(fā)射脈沖寬度、應(yīng)用高指向性換能器12 半徑 a=0.5 米的剛性球放置在海底，換能器離該球200 米，換能器等效收發(fā)聯(lián)合指向性為 0.2 弧度，并測(cè)得單位面積海底反向散射聲強(qiáng)是入射聲強(qiáng)的1/1000，已知聲源級(jí) SL=200dB，信號(hào)脈沖寬度10毫秒，求接收信號(hào)信混比。（ lg3=0.48,c=1500m/s）解：信混比 SR TS Sbc r10 lg2TS 10 lg 0.52c r12dBSb30dB10 lg24.822SR123024.86.8dB13 用主動(dòng)聲吶探測(cè)放置在海底，半徑為

31、0.5 米的剛性球；收發(fā)合置換能器距該球 200 米，收發(fā)合置換能器等效束寬為 0.1 弧度；查表知該處海底的散射強(qiáng)度為 -20 分貝；若信號(hào)脈沖寬度 =5 毫秒，求：接收信號(hào)的信混比。（海水中聲速 C=1500m/s；聲波球面擴(kuò)展，不計(jì)海水聲吸收）換能器r =200米海底解：主動(dòng)聲吶信號(hào)級(jí)： EL SL 2TLTSTS20 lg a 212dB主動(dòng)聲吶等效平面波海底混響級(jí)：RLSL2TL Ss10lg cR / 2Ss20dBAcR / 275m2信混比： S/ L ELRLTSSs10 lg A12( 2010lg( 75)10.8dB14 同上題，若該聲吶發(fā)射聲源級(jí)190 分貝；干擾噪聲

32、為各向同性，其均勻噪聲譜級(jí)為 70 分貝，聲吶工作帶寬 200Hz，接收器等效束寬為 0.1弧度，求：接收信號(hào)的信噪比。并分別討論：為提高接收信號(hào)的信混比應(yīng)如何改變聲吶系統(tǒng)的參數(shù)？為提高接收信號(hào)的信噪比應(yīng)如何改變聲吶系統(tǒng)的參數(shù)？解：信號(hào)級(jí)： ELSL 2TLTS其中： SL 190， TS12 dB ， TL20 lg r46dB噪聲干擾級(jí)： NL DI其中：NL NL010 lgf7010 lg 200 93dB，DI10 lg 420.9dB ，信噪比： S/ NELNLDI13.9dB若提高信混比，需減小脈沖寬度和等效束寬。若提高信噪比，需增加聲源級(jí)和指向性指數(shù)，減小頻帶寬度。15 聲納

33、系統(tǒng)的水平波束寬度為 10，發(fā)射寬度為 100ms 的脈沖。若反向散射強(qiáng)度為 -40dB，那么在 4000m 處，混響目標(biāo)強(qiáng)度 TS 是多少？在其兩倍的距離上TS 又是多少？16 在收發(fā)分置聲吶中，接收的回波信號(hào)的強(qiáng)度與r12 、 r22成反比，這里 r1 和 r 2 分別是目標(biāo)到發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離。假定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)使得r1 r2k ，確定使回波信號(hào)強(qiáng)度最大的r1 和 r 2 之間的關(guān)系，同時(shí)假設(shè)目標(biāo)強(qiáng)度是一常數(shù)。17 寫(xiě)出（1）目標(biāo)回聲信號(hào)級(jí)表達(dá)式；（ 2）海底混響的等效平面波混響級(jí)表達(dá)式。又已知：海底有一剛性球，半徑 1m；收 -發(fā)合置換能器，其指向性等效束寬 0.2 弧度；收 -發(fā)合置換能

34、器距海底目標(biāo)斜距 400m；信號(hào)脈沖寬度 4ms ；海底散射強(qiáng)度 Ss -25dB；（3）試求：接收信號(hào)的信混比。 （ 4）為提高接收信號(hào)的信混比應(yīng)如何改進(jìn)聲吶的設(shè)備參數(shù)。 （聲速： 1500m/s；聲波球面波擴(kuò)展；不計(jì)海水聲吸收）解：（ 1） ELSL2TLTS（2） RLSL2TLSs10 lg cR / 2（3） S/ LELRLTSSs10lgA6(25)10lg( 240)4.8dBTS20lg a 26dB ，AcR / 2240m 2 。（4）若提高S / L，需改進(jìn)聲吶的設(shè)備參數(shù)：減小脈沖寬度和等效束寬。第七章水下噪聲1 為何在水下噪聲研究中將艦船噪聲分為艦船輻射噪聲和艦船自噪

35、聲？寫(xiě)出艦船輻射噪聲的噪聲源，并說(shuō)明它們的頻率特性及在輻射噪聲中起的作用。解：（ 1）艦船噪聲對(duì)聲吶作用有兩種：一個(gè)作為它艦被動(dòng)聲吶探測(cè)目標(biāo)的聲源，另一個(gè)作為本艦聲吶的干擾。這表現(xiàn)在聲吶方程中：前者為被動(dòng)聲吶方程的聲源級(jí)（ SL），后者表現(xiàn)為干擾噪聲（ NL ）的一部分。并且艦船輻射噪聲和艦船自噪聲的性質(zhì)也不同。因而艦船噪聲分為艦船輻射噪聲和艦船自噪聲。（ 2）艦船輻射噪聲源有：機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲和水動(dòng)力噪聲三種。（ 3）艦船噪聲的譜特性：連續(xù)譜上迭加線譜。2 寫(xiě)出（ 1）海洋環(huán)境噪聲源及其頻率特性； （ 2）海洋環(huán)境噪聲的空間指向特性和振幅分布特性。解：海洋環(huán)境噪聲源及其頻率特性：潮汐和波

36、浪的海水靜壓力效應(yīng)1 或 2 周日；遠(yuǎn)處行船50 500Hz地震擾動(dòng)低于 1Hz；波浪噪聲500 25000Hz海洋湍流110Hz；分子熱噪聲>25000Hz海洋環(huán)境噪聲具有空間指向性， 即遠(yuǎn)處行船噪聲具有水平指向性， 波浪噪聲則有垂直指向性。海洋環(huán)境噪聲的振幅分布是高斯型的， 但如水聽(tīng)器置于水面附近， 則振幅分布比高斯分布尖。3 為什么說(shuō)頻率 50500Hz，50025000Hz 的環(huán)境噪聲分別是航船噪聲和風(fēng)成噪聲（海面波浪噪聲）解：實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明，在 50 500Hz 頻段，海洋環(huán)境噪聲的譜比較平坦，與波浪的大小基本無(wú)關(guān)， 且具有水平指向性， 因此可以判定此頻段的噪聲主要來(lái)自遠(yuǎn)處航船。

37、在 50025000Hz 頻段，環(huán)境噪聲具有垂直指向性，且與海面波浪大小密切有關(guān)，因而波浪噪聲為此頻段的主要噪聲源。4 說(shuō)明艦船機(jī)械噪聲的產(chǎn)生機(jī)理？它頻譜具有哪些特點(diǎn)？5 說(shuō)明螺旋槳噪聲的形成機(jī)理及與航速，航深和頻率的關(guān)系。在低頻段，螺旋槳噪聲強(qiáng)度與頻率的 3 次方式正比，當(dāng)速度由 V 變?yōu)?2V 時(shí)，噪聲強(qiáng)度增加多少分貝。解：螺旋槳噪聲由空化及唱音構(gòu)成。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)速度達(dá)到一定值時(shí)，在葉尖和葉片表面上形成負(fù)壓而產(chǎn)生氣泡， 這些小氣泡破裂時(shí)發(fā)出的嘶嘶聲就是螺旋槳空化噪聲， 它與航速、航深及頻率的關(guān)系見(jiàn)上左圖。 螺旋槳噪聲只有在航速達(dá)到或超過(guò)臨界航速才產(chǎn)生。 見(jiàn)上右圖，空化噪聲是連續(xù)譜。 唱

38、音是由于葉片周期性切割海水而產(chǎn)生的，它的頻譜是線譜。當(dāng)速度由 V 變?yōu)?2V 時(shí)，噪聲強(qiáng)度增加10 lg 239dB 。噪聲強(qiáng)度空化噪聲航速加快，航深變淺fv臨界航速6 艦船水動(dòng)力噪聲的產(chǎn)生機(jī)理？7 寫(xiě)出艦船自噪聲的噪聲源，并說(shuō)明它們?cè)谳椛湓肼曋衅鸬淖饔谩? 對(duì)于艦船自噪聲來(lái)說(shuō)，水動(dòng)力噪聲具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水動(dòng)力噪聲。解：降低水動(dòng)力噪聲，工程上常采用： （1）將換能器封閉在導(dǎo)流罩內(nèi)； （2）將換能器安裝在艦艏滯流點(diǎn)處；（ 3）適當(dāng)增加換能器表面積；（4）在換能器表面噴注聚合物液體。9 已知：甲船，其輻射噪聲譜密度級(jí)如右圖；乙船用被動(dòng)聲吶探測(cè)甲船，該聲吶系統(tǒng)工作通帶為： 500Hz2000Hz；全指向性接收器；能量檢測(cè)工作方式，當(dāng)信噪比大于 6dB 時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)到目標(biāo)；若來(lái)自海洋環(huán)