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水声学习题集水声学习题集 水声工程学院 水声工程学院 水声学课程组编 水声学课程组编 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 目目 录录 绪论绪论1 第第1章章 声学基础声学基础.2 第第2章章 海洋声学特性海洋声学特性.3 第第3章章 海洋中的声传播理论海洋中的声传播理论.5 第第4章章 典型传播条件下的声场典型传播条件下的声场.7 第第5章章 声波在目标上的反射和散射声波在目标上的反射和散射.9 第第 6 章章 海洋中的混响海洋中的混响.11 第第7章章 水下噪声水下噪声.13 第第8章章 声传播起伏声传播起伏.14 第第9章章 声纳方程的应用声纳方程的应用.15 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 2 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 绪绪 论论 1 什么是声呐？声呐可以完成哪些任务？ 2 请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是 什么？ 3 在组合声呐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 声呐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？ 6 工作中的主动声呐会受到哪些干扰？若工作频率为 1000Hz，且探测沉底目 标，则该声呐将会受到哪些干扰源的干扰。 7 已知混响是某主动声呐的主要干扰，现将该声呐的声源级增加 10dB，问声呐 作用距离能提高多少？又，在其余条件不变的情况下，将该声呐发射功率增 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） 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 1 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 第第 1 章章 声学基础声学基础 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。 2 给定水下声压为pPa100，那么声强I是多大，与参考声强比较，以分贝 表示的声强级是多少？ r I 3 发射换能器发射 40kW 的声功率，且方向性指数为 15dB，其声源级 SL 为多少？ t DI 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 2 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 第第 2 章章 海洋声学特性海洋声学特性 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。 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。 4 球面声波在无限、均匀的海水中传播时，导出由几何扩展和海水吸收而造成 的传播损失的表达式。 5 何谓传播损失？什么情况下传播损失rrTL+=lg20，什么情况下 rrTL+=lg10？试分别证明之。式中r为传播的水平距离，为吸收系数。 6 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。 7 声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA高于声呐B工作频率fB,问哪台 声呐作用距离远，说明原因。 B 8 一声呐换能器工作频率为 30kHz，声源级为 210dB。设为球面波扩展，则在 1000m、5000m 处的声压级分别为多少？在什么距离上由球面扩展引起的损 失与海水吸收引起的传播损失相等？ 9 声波在海洋中传播时，其声强会逐渐衰减，说明原因。列举三种常用传播损 失表达式，并说明适用条件。 10 在 5kHz（kmdB3 . 0=）和 20kHz（kmdB3=）的情况下，若单向传播 损失为 80dB，且分别属于下列情况： （1）球面扩展加吸收损失； （2）柱面扩 展加吸收损失。问各种情况下的探测距离分别是多少？ 11 夏日某处海水中温度分布简化如下图所示的曲线。试求：在什么深度上声速 梯度的绝对值最大？该处的声速梯度是多少？ 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 3 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 4 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 第第 3 章章 海洋中的声传播理论海洋中的声传播理论 1 波动方程的定解条件有哪些？ 2 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。 3 水平分层介质中的“程函方程”表示如何？若海水中的声速分布如下图，试 画出几条典型声线轨迹图。 4 声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们之间的规律。 5 证明声波通过恒定正速度梯度为常数 g 的水时，其路径是恒定半径gcR 0 = 米的一段圆弧。 6 海水中声速值从海面的 1500m/s 均匀减小到 100m 深处的 1450m/s。求（1） 速度梯度；（2） 使海表面的水平声线达到 100m 深处时所需要的水平距离；（3） 上述声线到达 100m 深处时的角度。 7 设海水中有负声速梯度，且其绝对值为常数 g，声源处的声速为。试证水 平发出的声线穿过的水层厚度为 d 时，它在水平方向前进的距离 0 c () 2 1 0 2gdcr =。 8 设海水中有恒定负声速梯度，其绝对值为常数 g，海面声速为，声源深度 为 d。试求恰巧在海面反转的声线的出射角（与水平线之夹角）？ 0 c 9 某浅海海域水深 40m，海面、海底都是平面。声源深度 10m，声速梯度为常 数，海面声速为 1500m/s，海底处为 1480m/s。试计算并画出自声源沿水平方 向发出的声线的轨迹，到第二次从海底反射为止。 10 驱逐舰要搜索一艘水中的敌潜艇，海水中声速梯度为-0.1/s，海面声速为 1500m/s。驱逐舰的声呐换能器的深度为 10m，当换能器的附角为 4.5o时，发 现水平距离 1000m处的潜艇，问潜艇的深度为多少？ 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 5 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 11 一艘潜艇位于 180m深处，该处声速为 1500m/s。它的声呐换能器在与水平的 仰角 10o处探测到一水面船只。问船只离潜艇的水平距离是多少？ 12 聚集因子 F 是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个 F1 的场合。 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 6 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 第第 4 章章 典型传播条件下的声场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，应用射线理论解说声波在表面波道中远距离传播的 原因。 7 分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。 8 天气晴好， 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？ 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。 10 试推导出以 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 H 出射的声线在深度上翻 转，已知，求水平距离 x。 （ 21,z z 121 ,zaacs0, 0 21 1）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 TS 值时，发现 TS 值随测量距离而变，说明这种变化关系及 其原因。 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 TS 值表达式。 5 一只工作在 50kHz 频率的声呐换能器具有 140dB 声源强度。 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？ 6 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TS0的目标 在入射声波照射下产生的回声强度为Ir0，若其余条件不变，将目标强度未知 的目标替代原目标，测得回波强度为Ir，求该目标的TS值。 TS0 Ii Ir0 收发合置换能器 TS Ii Ir 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（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？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R1，R2； （R2d2/；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Pi，接收的被测物体散射声压幅值为Ps；问：被测 物体的目标强度（TS值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收） 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？ 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 9 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 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。 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f0，收得海底回声信号的频率为fr，求该船的航行速度v。 V f0 fr 水面 海底 13 柱形水雷长 2m，半径为 0.5m，端部为半球形。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 10kHz 和 100kHz， 计算目标 强度。 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 10 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 第第 6 章章 海洋中的混响海洋中的混响 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。 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的理论公 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又是如何形成 的？ 6 海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？ 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 V S (), 1 R和(), 2 R；发射声源级 SL；信号脉冲宽度。 （1）简述计 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。 V RL 11 已知目标强度为TS的目标位于海底，探测声呐与它之间的距离R，海底散射 强度为Sb，探测声呐声源级SL，发射脉冲宽度，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。 TS R 12 半径 a=0.5 米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 0.2 弧度，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 SL=200dB，信号脉冲宽度10=毫秒，求接收信号信混 比。 （lg3=0.48,c=1500m/s） 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 11 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 13 用主动声呐探测放置在海底，半径为 0.5 米的刚性球；收发合置换能器距该 球 200 米，收发合置换能器等效束宽为 0.1 弧度；查表知该处海底的散射强 度为-20 分贝；若信号脉冲宽度=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 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 200Hz，接收器等效束宽为 0.1 弧度，求：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 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？ 15 声纳系统的水平波束宽度为，发射宽度为 100ms 的脉冲。若反向散射强 度为-40dB，那么在 4000m 处，混响目标强度 TS 是多少？在其两倍的距离上 TS 又是多少？ o 10 16 在收发分置声呐中，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 2 1 r 2 2 r 1 r 2 r krr=+ 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 r 2 r 17 写出 （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-发合置换能器，其指向性等效束宽 弧度； 收-发合置换能器距海底目标斜距400m； 信号脉冲宽度0.2=ms4=； 海底散射强度-25dB； （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） s S 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 12 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集 第第 7 章章 水下噪声水下噪声 第第 7 章章 水下噪声水下噪声 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。 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。 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。 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。 3 为什么说频率 50500Hz， 50025000Hz 的环境噪声分别是航船噪声和风成 噪声（海面波浪噪声） 3 为什么说频率 50500Hz， 50025000Hz 的环境噪声分别是航船噪声和风成 噪声（海面波浪噪声） 4 说明舰船机械噪声的产生机理？它频谱具有哪些特点？ 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。 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。 6 舰船水动力噪声的产生机理？ 6 舰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。 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，在工程上壳采取哪些 措施降低水动力噪声。 8 对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上壳采取哪些 措施降低水动力噪声。 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：500Hz2000Hz；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= 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：500Hz2000Hz；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=HzPa 1/ 水声学课程组水声学课程组 13 HzPa 1/） ；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。 10 在下列物理量选择一个：传播损失、目标强度、水中声速、舰船