水聲學(xué)習(xí)題集

1、水聲學(xué)習(xí)題集水聲工程學(xué)院水聲學(xué)課程組編哈爾濱工程大學(xué)目 錄緒論1第1章 聲學(xué)基礎(chǔ).2第2章 海洋聲學(xué)特性.3第3章 海洋中的聲傳播理論.5第4章 典型傳播條件下的聲場(chǎng).7第5章 聲波在目標(biāo)上的反射和散射.9第6章 海洋中的混響.11第7章 水下噪聲.13第8章 聲傳播起伏.14第9章 聲納方程的應(yīng)用.15緒 論1 什么是聲納？聲納可以完成哪些任務(wù)？2 請(qǐng)寫出主動(dòng)聲納方程和被動(dòng)聲納方程？在聲納方程中各項(xiàng)參數(shù)的物理意義是什么？3 在組合聲納參數(shù)中優(yōu)質(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)是什么？它們的物理意義是什么？4 聲納方程的兩個(gè)基本用途是什么？5 環(huán)境噪聲和海洋混響都是主動(dòng)聲納的干擾，在實(shí)際工作中如何確定哪種干擾是

2、主要的？6 工作中的主動(dòng)聲納會(huì)受到哪些干擾？若工作頻率為1000Hz，且探測(cè)沉底目標(biāo)，則該聲納將會(huì)受到哪些干擾源的干擾。7 已知混響是某主動(dòng)聲納的主要干擾，現(xiàn)將該聲納的聲源級(jí)增加10dB，問聲納作用距離能提高多少？又，在其余條件不變的情況下，將該聲納發(fā)射功率增加一倍，問作用距離如何變化。（海水吸收不計(jì)，聲納工作于開闊水域）第1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)，說明其物理意義。2 給定水下聲壓為，那么聲強(qiáng)是多大，與參考聲強(qiáng)比較，以分貝表示的聲強(qiáng)級(jí)是多少？解：在水聲學(xué)中，聲強(qiáng) （W/）因此聲強(qiáng)級(jí)為 （dB）3 發(fā)射換能器發(fā)射40kW的聲功率，且方向性指數(shù)為15dB，

3、其聲源級(jí)SL為多少？第2章 海洋聲學(xué)特性1 海水中的聲速與哪些因素有關(guān)？畫出三種常見的海水聲速分布。2 利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算水深10m，溫度20，鹽度35時(shí)，海水對(duì)50kHz聲波的吸收系數(shù)，并與淡水情形比較。3 海水中的聲速與哪些因素有關(guān)？用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算溫度20，鹽度20，水深1m處與溫度15，鹽度30，水深20m處的聲速。解：海水中的聲速主要受海水的溫度、鹽度和壓強(qiáng)影響。已知此三個(gè)物理量時(shí)，采用烏德公式便可計(jì)算海水中的聲速。當(dāng)溫度為20、鹽度20、1米處的壓強(qiáng)0.1個(gè)大氣壓時(shí)，聲速為（m/s）當(dāng)溫度為15、鹽度30、20米處的壓強(qiáng)2個(gè)大氣壓時(shí)，聲速為（m/s）4 球面聲波在無(wú)限、均勻的海水中傳播

4、時(shí)，導(dǎo)出由幾何擴(kuò)展和海水吸收而造成的傳播損失的表達(dá)式。5 何謂傳播損失？什么情況下傳播損失，什么情況下？試分別證明之。式中為傳播的水平距離，為吸收系數(shù)。6 聲波在海水中傳播時(shí)其聲強(qiáng)會(huì)逐漸減少。（1）說明原因；（2）解釋什么叫物理衰減？什么叫幾何衰減？（3）寫出海洋中聲傳播損失的常用TL表達(dá)式，并指明哪項(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。7 聲納A，B有相等的聲源級(jí)，但聲納A工作頻率fA高于聲納B工作頻率fB,問哪臺(tái)聲納作用距離遠(yuǎn)，說明原因。8 一聲納換能器工作頻率為30kHz，聲源級(jí)為210dB。設(shè)為球面波擴(kuò)展，則在1000m

5、、5000m處的聲壓級(jí)分別為多少？在什么距離上由球面擴(kuò)展引起的損失與海水吸收引起的傳播損失相等？解：依題意，聲壓級(jí)查表可得30kHz時(shí)海水介質(zhì)的聲吸收系數(shù)約為0.01dB/m，則1000m處的聲壓級(jí) （dB）5000m處的聲壓級(jí) （dB），解得距離約為7780m時(shí)兩種衰減相等。9 聲波在海洋中傳播時(shí)，其聲強(qiáng)會(huì)逐漸衰減，說明原因。列舉三種常用傳播損失表達(dá)式，并說明適用條件。10 在5kHz（）和20kHz（）的情況下，若單向傳播損失為80dB，且分別屬于下列情況：（1）球面擴(kuò)展加吸收損失；（2）柱面擴(kuò)展加吸收損失。問各種情況下的探測(cè)距離分別是多少？11 夏日某處海水中溫度分布簡(jiǎn)化如下圖所示的曲線

6、。試求：在什么深度上聲速梯度的絕對(duì)值最大？該處的聲速梯度是多少？第3章 海洋中的聲傳播理論1 波動(dòng)方程的定解條件有哪些？2 說明射線聲學(xué)的基本方程、適用條件及其局限性，并說明球面波和柱面波傳播時(shí)聲線的傳播方向。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，試畫出幾條典型聲線軌跡圖。4 聲線彎曲滿足的基本條件是什么？并定性說明它們之間的規(guī)律。5 證明聲波通過恒定正速度梯度為常數(shù)g的水時(shí)，其路徑是恒定半徑米的一段圓弧。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

7、）上述聲線到達(dá)100m深處時(shí)的角度。7 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。試證水平發(fā)出的聲線穿過的水層厚度為時(shí)，它在水平方向前進(jìn)的距離近似為。8 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，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)逐艦的聲納換能器

8、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，問潛艇的深度為多少？11 一艘潛艇位于180m深處，該處聲速為1500m/s。它的聲納換能器在與水平的仰角10o處探測(cè)到一水面船只。問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)F1的場(chǎng)合。第4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

9、是如何定義的？6 畫出表面聲道聲速分布，應(yīng)用射線理論解說聲波在表面波道中遠(yuǎn)距離傳播的原因。7 分別說明或畫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。8 天氣晴好，同一臺(tái)聲納在早晨的作用距離遠(yuǎn)還是下午的作用距離遠(yuǎn)，為什么？9 畫出深海聲道聲速分布，應(yīng)用射線理論說明聲波在深海聲道中遠(yuǎn)距離傳播的原因。10 試推導(dǎo)出以角跨過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，以出射的聲線在深度上翻轉(zhuǎn)，已知，求水平距離x。（）12 如下圖，點(diǎn)聲源位于海面下d1處，它的工作頻率f，輻射聲壓為，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。13 聲速分

10、布如下左圖，聲源位于處，以出射的聲線在深度處反轉(zhuǎn)。已知和，求水平距離x。14 聲速分布如下左圖所示，已知H，z0，cs，g1，g2和求。15 比較表面波道與深海聲道聲傳播特性之異同。16 均勻淺海聲道中的簡(jiǎn)正波是如何形成的？說明簡(jiǎn)正波的特性。第5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)寫出剛性球體（ka1）目標(biāo)強(qiáng)度的表達(dá)式。2 潛艇目標(biāo)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，說明這種變化關(guān)系及其原因。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。5 一只工作在50kH

11、z頻率的聲納換能器具有140dB聲源強(qiáng)度。問從一個(gè)距離為1000m，半徑為40m的球形物體上返回的回波信號(hào)強(qiáng)度是多少？6 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Ir0，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。7 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)注意哪些問題才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確？若直接測(cè)量法布置為：在開闊水域，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

12、距分別為R1，R2；（R2d2/；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：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）9 寫出目標(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？10 比較彈性目標(biāo)和剛性目標(biāo)回波信號(hào)的異同，并說明形成差異的原因。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。13 柱形水雷長(zhǎng)2m，

13、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。第6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？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)，說明混響信號(hào)的特性。4 請(qǐng)寫出計(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)的理論公式？5 為什么說海洋體積混響源是海洋生物？海面混響和海底混響又是如何形成的？6 海洋混響是如何形成的？它的強(qiáng)弱與哪些因素有關(guān)？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

14、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，聲納的發(fā)射、接收指向性函數(shù)分別為和；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)的表達(dá)式。11 已知目標(biāo)強(qiáng)度為TS的目標(biāo)位于海底，探測(cè)聲納與它之間的距離R，海底散射強(qiáng)度為Sb，探測(cè)聲納聲源級(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)，寫出接收信號(hào)信混比表達(dá)式。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=

15、200dB，信號(hào)脈沖寬度毫秒，求接收信號(hào)信混比。（lg3=0.48,c=1500m/s）13 用主動(dòng)聲納探測(cè)放置在海底，半徑為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）14 同上題，若該聲納發(fā)射聲源級(jí)190分貝；干擾噪聲為各向同性，其均勻噪聲譜級(jí)為70分貝，聲納工作帶寬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)的信噪比應(yīng)如何改變聲納系統(tǒng)的參數(shù)？15 聲納系統(tǒng)的水平

16、波束寬度為，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)分置聲納中，接收的回波信號(hào)的強(qiáng)度與、成反比，這里和分別是目標(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，確定使回波信號(hào)強(qiáng)度最大的和之間的關(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，其指向性等效束寬弧度；收-發(fā)合置換能器距海底目標(biāo)斜距400m；信號(hào)脈沖寬度；海底散射強(qiáng)度-25dB；（3）試求：接收信號(hào)的信混比。（4）為提高接收信號(hào)

17、的信混比應(yīng)如何改進(jìn)聲納的設(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）第7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聲？寫出艦船輻射噪聲的噪聲源，并說明它們的頻率特性及在輻射噪聲中起的作用。2 寫出（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。3 為什么說頻率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）4 說明艦船機(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)?/p>

18、2V時(shí)，噪聲強(qiáng)度增加多少分貝。6 艦船水動(dòng)力噪聲的產(chǎn)生機(jī)理？7 寫出艦船自噪聲的噪聲源，并說明它們?cè)谳椛湓肼曋衅鸬淖饔谩? 對(duì)于艦船自噪聲來(lái)說，水動(dòng)力噪聲具有特殊的重要性，在工程上殼采取哪些措施降低水動(dòng)力噪聲。9 已知：甲船，其輻射噪聲譜密度級(jí)如右圖；乙船用被動(dòng)聲納探測(cè)甲船，該聲納系統(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)境噪聲和乙船自噪聲的總干擾噪聲各向同性并且為均勻譜密度分布，在接收器處其噪聲譜密度級(jí)為70dB（0dB=）；試求：（1）乙船接收到甲船噪聲信號(hào)級(jí)；（2）乙船接收的干擾噪聲級(jí)；（3）乙船探測(cè)到甲船的最遠(yuǎn)距離（計(jì)算中?。郝暡ㄇ蛎鏀U(kuò)展；不計(jì)海水聲吸收）；（4）為增大探測(cè)到甲船的距離