《水声学》部分习题答案

水声学习题集参考答案 水声工程学院 水声学课程组编 哈尔滨工程大学 目 录 绪论 1 第 1 章 声学基础 . 2 章 海洋声学特性. 3章 海洋中的声传播理论 . 4章 典型传播条件下的声场 . 5章 声波在目标上的反射和散射 6 章 海洋中的混响. . 7 章 水下噪声 . 8 章 声传播起伏 9 章 声纳方程的应用声工程学院 水声学课程组 2哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 绪 论 1 略 2 略 3 略 4 略 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，场合。 解：聚集因子()0, ，其中 ，表示该处衰减小于球面波规律，反之，则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区中和焦散线上F 1。 1 水声学课程组 7哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 第 4 章 典型传播条件下的声场 1 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？ 2 表面声道的混合层中的声线传播具有那些特点？ 3 什么是反转深度？什么是临界声线和跨度？ 4 什么是会聚区和声影区？二者之间声强大 小如何？会聚增益是如何定义的？若用波动理论应如何解释会聚现象？ 5 浅海和深海是如何定义的？ 6 画出表面声道声速分布，应用射线理论解 说明声波在表面波道中远距离传播的原因。 解：下左图为表面声道中的声速分布，表面声道中，以小于临界角发出的声线在声道的某个深度上翻转向海面传播，遇海面又经海面反射向下传播，如是重复以上过程而得以远距离传播。 别说明或画图表示表面波道中声强沿深度和水平方向的分布规律。 解：在表面波道中，声强沿水平方向随距离的次方衰减。声强沿深度的分布如下右图所示。 水吸收声强度气晴好，同一台声呐在早晨的作用距离远还是下午的作用距离远，为什么？ 水声工程学院 水声学课程组 8哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。 9 画出深海声道声速分布，应用射线理论说 明声波在深海声道中远距离传播的原因。 解：深海声道声速分布如下左图所示，由于折射的原因，声线在声道轴上、下不断翻转，如是重复，声能被限制在声道中，并远距离传播。 推导出以0 角跨过声道轴线的声线的平均水平声速度的表达式。 11 声速分布如下左图，声源位于深度 H 处，以射的声线在 深度上翻转，已知 ，求水平距离 x。（21, 211）目标强度的表达式。 2 潜艇目标散射强度随方位变化有哪些特点 ？请分析影响潜艇的目标强度值的因素有哪些？ 3 测量柱形目标的 时，发现 随测量距离而变，说明这种变化关系及其原因。 解：与测量距离关系：随着距离变大， 逐渐变大，距离大到某个值后， 因：（ 1）声呐换能器指向性原因，近距离上，入射声没有照射到目标全部，因而对回波有贡献的表面小，回波弱，随着距离变大，入射照射的面积变大，对回声有贡献的表面也变大，因而 也大，距离大到某个值时，整个目标都被入射声照射后， 不再随测量距离而变； （ 2）回声信号在近场与距离的一次方成反比，在远场与距离的二次方成反比，而归算至目标声中心 1 米处时都按球面规律归算，其后果必然导致远场测量结果大于近场。 4 在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为 a 的刚性球目标强度表达式。 解：入射到球面上的声功率： 02散射场远场，如果为均匀球面场，则半径为 r 球面上散射声功率：()据能量守恒，有： ， ( ) 根据定义： () ( ) ( )2= 5 一只工作在 50率的声呐换能器具有 140源强度。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？ 解：由声纳方程可知，回声信号强度为 S 又 20+10006 在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度 水声学课程组 13哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 在入射声波照射下产生的回声强度为 其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得回波强度为 该目标的 非消声水池中测量目标回声信号，应保证：测量在远场、自由场中进行，并应是稳态信号。 00= 7 一般，在实验室水池中测量水下目标的目 标强度的方法有哪些？实验过程中应注意哪些事项？ 8 简述实验测量水下物体目标强度（ “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？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 器和被测物体依次排列，间距分别为 ； d：被测物体最大线度；：声波波长） 。接收器接收的点声源辐射声压幅值为 收的被测物体散射声压幅值为 ：被测物体的目标强度（ 何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收） 解：“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：布置如下图。 2发射换能器 接收水听器 待测目标 （ 1） 辐射声压幅值： 接收器接收的声压幅值：10 待测目标的入射声压为： ( ) ( )2112102+= 接收器接收目标散射声压幅值：21 目标强度计算公式： ( ) ( )( )( )= 水声工程学院 水声学课程组 14哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 （ 2） 实验注意事项： a. 接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区； b. 接收水听器置于待测努表散射声场的远场区； c. ， L 为目标长度。 9 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？ 解：目标回声信号级 S 目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上不规则处的散射波，目标的再辐射波等组成， 回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号相比，有多卜勒频偏；回声信号波形一般有较大的畸变等。 10 比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因。 解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等。回声信号的不同点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标的某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们和镜反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干迭加是和频率有关的，因而回声信号随频率而变。 11 在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波 脉冲串中由壳面的镜面引起的回波脉冲？ 12 已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角 向海底发射声波，频率为 得海底回声信号的频率为 该船的航行速度 v。 虑多卜勒效应，回声信号频率+= 13 柱形水雷长 2m，半径为 部为半球形。垂直入射时，水雷及其端部的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为 10 100算目标水声工程学院 水声学课程组 15哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 强度。 解：已知圆柱物体的目标强度公式为 )2/020， )102=在 100， )102=已知球形目标的目标强度公式为 ，对于大球，其目标强度不随频率变化，所以两个频率下， =4/02a)4/02水声工程学院 水声学课程组 16哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 第 6 章 海洋中的混响 1 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？ 2 什么是散射强度？ 3 什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。 解：0 式中 将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器输出开路电压 V，再将声强为 I 的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开路输出电压也等于 V，则就用平面波声强度量混响强度，称 等效平面波混响级。 混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平稳随机量，随时间衰减，它的瞬时值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在空间中不是均匀的。 4 请写出计算体积混响、海面混响和海底混响的等效平面波混响级理论公式？ 5 为什么说海洋体积混响源是海洋生物？海面混响和海底混响是如何形成的？ 解：海洋体积混响主要来自深水散射层。深水散射层具有昼夜迁徒规律，早晚较浅，接近海面，白昼较深；该层具有一定厚度；且有选频特性，据此可以判定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混响的散射源。 海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散射形成的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。 6 海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？ 解：海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平整，海面附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波在接收点的迭加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还与换能器等效联合指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。 7 请简述海面散射强度随掠射角、工作频率和海面风速的变化规律？ 8 混响的瞬时值和振幅各服从什么分布规律？ 9 请简述混响的空间相关特性？ 10 若海水的体积散射强度与空间位置无关为 ，声呐的发射、接收指向性函数分别为 ,1R 和 () ,2R ；发射声源级 号脉冲宽度 。（ 1）简述计水声工程学院 水声学课程组 17哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 算海洋混响的最简单模型； （ 2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响等效平面波混响级 的表达式。 1）计算混响的简单模型：声线直线传播；不计海水声吸收；散射体（面）单元均匀连续分布；每一散射体（面）单元散射声波的发生和结束与入射到此单元上的入射声波同时发生和结束；不计二次散射。 （ 2） 和 c（ t+ ） /2 的球壳间散射体的散射，此区域记作 入射到体元 入射声波声强为： ( )210/, 体元 生的散射波声强为： ( )2210/, 生的散射波声强等效平面波声强为： ( ) ( ) 210/, 区域 ( ) ( )=04210/, 如果 2，则积分结果可近似为： ( ) ( )= 2/2120定义：收发合置换能器的等效束宽为： ( ) ( )= ,21则： 2/2/24020 =等效平面波混响级为： 0)=V+10) 其中：声源级 0)；传播损失 0lg(海水体积散射强度 效散射体积 V= 。 2/2 11 已知目标强度为 测声呐与它之间的距离 R，海底散射强度为 测声呐声源级 射脉冲宽度 ，换能器等效联合指向性 ，海水中声速 C，吸收系数，写出接收信号信混比表达式。 效平面波混响级 += （ 1）回声信号级 S=S （ 2）回声信号信混比 =2 水声学课程组 18哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 （ 3）信混比 105500 400 ) （ 4）减小发射脉冲宽度、应用高指向性换能器 12 半径 a=的刚性球放置在海底，换能器离该球 200 米，换能器等效收发联合指向性为 度，并测得单位面积海底反向散射声强是入射声强的1/1000，已知声源级 00号脉冲宽度 10= 毫秒，求接收信号信混比。（ c=1500m/s） 解：信混比=2= 43012 =+= 13 用主动声呐探测放置在海底，半径为 的刚性球；收发合置换能器距该球 200 米，收发合置换能器等效束宽为 度；查表知该处海底的散射强度为信号脉冲宽度=5毫秒，求：接收信号的信混比。 （海水中声速C=1500m/s；声波球面扩展，不计海水声吸收） 换能器r=200米海底解：主动声呐信号级： = 2 ( ) 22= 主动声呐等效平面波海底混响级： ( )2/= 2752/ = 信混比： ( ) 75020(12=+= 14 同上题，若该声呐发射声源级 190 分贝；干扰噪声为各向同性，其均匀噪声谱级为70分贝，声呐工作带宽200：接收信号的信噪比。并分别讨论：为提高接 收信号的信混比应如何改变声呐系水声工程学院 水声学课程组 19哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 统的参数？为提高接收信号的信噪比应如何改变声呐系统的参数？ 解：信号级： = 2 其中： ， ，190=SL 2= 6= 噪声干扰级： 中： 3200=+= ， ( ) = ， 信噪比： ()= 若提高信混比，需减小脉冲宽度和等效束宽。 若提高信噪比，需增加声源级和指向性指数，减小频带宽度。 15 声纳系统的水平波束宽度为 ，发射宽度为 100脉冲。若反向散射强度为 么在 4000m 处，混响目标强度 多少？在其两倍的距离上是多少？ 收发分置声呐中，接收的回波信号的强度与 、 成反比，这里 和 分别是目标到发射机和接收机的距离。假定目标运动使得21+21，确定使回波信号强度最大的 和 之间的关系，同时假设目标强度是一常数。 1出（ 1）目标回声信号级表达式；（ 2）海底混响的等效平面波混响级表达式。又已知：海底有一刚性球，半径 1m；收 指向性等效束宽弧度；收 00m； ；海底散射强度 3）试求：接收信号的信混比。 （ 4）为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速： 1500m/s；声波球面波扩展；不计海水声吸收） 1） = 2 （ 2） ( )2/= （ 3） ( ) 400)25(6= () 2= ， 。 22402/ = （ 4）若提高 ，需改进声呐的设备参数：减小脉冲宽度 和等效束宽 。 水声工程学院 水声学课程组 20哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 第 7 章 水下噪声 1 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（ ，后者表现为干扰噪声（ 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。 2 写出（ 1）海洋环境噪声源及其频率特性；（ 2）海洋环境噪声的空间指向特性和振幅分布特性。 解：海洋环境噪声源及其频率特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应 1或 2 周日；远处行船 50 500震扰动 低于 1 波浪噪声 500 25000洋湍流 1 10 分子热噪声 25000洋环境噪声具有空间指向性，即远处行船噪声具有水平指向性，波浪噪声则有垂直指向性。 海洋环境噪声的振幅分布是高斯型的，但如水听器置于水面附近，则振幅分布比高斯分布尖。 3 为什么说频率 50 500500 25000环境噪声分别是航船噪声和风成噪声（海面波浪噪声） 解：实验测量表明，在 50 500段，海洋环境噪声的谱比较平坦，与波浪的大小基本无关，且具有水平指向性，因此可以判定此频段的噪声主要来自远处航船。在 500 25000段，环境噪声具有垂直指向性，且与海面波浪大小密切有关，因而波浪噪声为此频段的主要噪声源。 4 说明舰船机械噪声的产生机理？它频谱具有哪些特点？ 5 说明螺旋桨噪声的形成机理及与航速，航 深和频率的关系。在低频段，螺旋桨噪声强度与频率的 3 次方式正比，当速度由 V 变为 2V 时，噪声强度增加多少分贝。 解：螺旋桨噪声由空化及唱音构成。螺旋桨旋转时，当速度达到一定值时，在叶水声工程学院 水声学课程组 21哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 尖和叶片表面上形成负压而产生气泡，这些小气泡破裂时发出的嘶嘶声就是螺旋桨空化噪声，它与航速、航深及频率的关系见上左图。螺旋桨噪声只有在航速达到或超过临界航速才产生。见上右图，空化噪声是连续谱。唱音是由于叶片周期性切割海水而产生的，它的频谱是线谱。当速度由 V 变为 2V 时，噪声强度增加。 化噪声临界航速深变浅船水动力噪声的产生机理？ 7 写出舰船自噪声的噪声源，并说明它们在辐射噪声中起的作用。 8 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。 9 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： 500000指向性接收器；能量检测工作方式，当信噪比大于 6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 700）；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；不计海水声吸收）；（ 4）为增大探测到甲船的距离，乙船的被动声呐应如何改进设备参数。 解：（ 1）信号级： 中 0)； I=2 水声工程学院 水声学课程组 22哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 ()=， ( )( )=( ) ( )( ) += （ 2）干扰级： 中