2025年大学《声学》专业题库-声学原理在无线通信中的应用研究

2025年大学《声学》专业题库——声学原理在无线通信中的应用研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的代表字母填写在答题纸上。）1.在声波传播过程中，下列哪个现象主要导致声波能量在空间中扩散，引起声强级随距离增加而降低？A.声波的反射B.声波的衍射C.声波的吸收D.声波的散射2.多普勒效应在声学无线通信中主要应用于？A.提高信号传输带宽B.增强信号抗干扰能力C.测量声源或接收器的相对运动速度D.降低信号传播的衰减3.与传统无线电波相比，超声波通信在水下环境中主要优势在于？A.频率更高，带宽更宽B.传播速度更快C.几乎不受水中杂质和盐度影响D.能量损耗更小4.声纳通信系统中，为了克服水下环境中的多径效应，常采用的技术手段包括？A.提高发射声波的功率B.采用窄波束定向发射和接收C.减小信号的传输速率D.增加信噪比5.声波衍射现象对于声学无线通信的影响，主要体现在？A.导致信号在接收端产生显著的相位失真B.使信号能够绕过障碍物到达难以直接到达的区域C.增加信号在传播路径上的能量损耗D.降低通信系统的容量6.在基于超声波的短距离无线通信中，信号衰减的主要原因是？A.电磁干扰B.声波在介质中的散射和吸收C.多普勒频移过大D.发射功率不足7.以下哪种声学环境因素对超声波通信系统的可靠性影响最为显著？A.空气温度变化B.水中盐度浓度C.水下大型物体的反射D.信号编码方式8.声学原理在无线通信中，一个重要的挑战是？A.声波的频率范围极宽B.声波难以在自由空间中有效传播C.声学噪声源多样且难以预测和消除D.声学器件成本过高9.利用声学衍射效应进行信息传输，其基本原理是？A.利用声波在介质界面处的全反射B.利用声波绕过障碍物传播的特性C.利用声波在特定孔径或结构后的干涉D.利用声波的多普勒频移10.对于声学无线通信技术的研究，以下哪个方向具有较大的发展潜力？A.仅限于水下通信应用B.完全替代所有无线电通信C.与人工智能技术结合实现智能声学调制与解调D.保持现有技术不变，仅提高传输速率二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填写在答题纸上。）1.声波在介质中传播时，其声强级随着距离的增加而______，这主要归因于声波能量的______。2.多普勒效应是指由于声源与接收器之间相对______，导致接收器接收到的声波频率发生______的现象。3.在水声通信中，声波的传播速度主要取决于______和______。4.超声波通信通常指频率高于______赫兹的声波在空气或其他介质中进行的通信。5.声波的衍射现象显著与否，与其波长及障碍物尺寸的相对关系有关，通常满足______条件时衍射较为明显。6.声学噪声对无线通信系统的影响主要体现在降低了接收端的______。7.声纳系统利用声波的______特性来探测水下目标并确定其位置。8.基于声学衍射的通信方案，其性能很大程度上依赖于衍射结构的设计和______。9.声学原理在无线通信中的应用，需要克服声波传播的固有缺点，如______和______。10.随着通信技术的发展，声学原理在______等新兴领域展现出潜在的应用价值。三、简答题（每小题5分，共20分。请将答案填写在答题纸上。）1.简述声波的反射和衍射现象，并说明它们各自对无线信号传播可能产生的影响。2.简要解释声学多普勒效应，并列举其在无线通信中的一种应用实例。3.为什么超声波通信在水下环境中比高频无线电通信更具优势？4.简述声学无线通信系统中，噪声的主要来源及其对信号质量造成的典型损害。四、计算题（每小题7分，共14分。请将计算过程和结果填写在答题纸上。）1.假设一平面声波在空气中以340m/s的速度传播，频率为1000Hz。在距离声源5米处，测得声强级为60dB。求该距离处的声压有效值（设空气密度为1.21kg/m³）。2.一声纳系统发射频率为1000Hz的超声波，声波在水中的速度为1500m/s。如果从目标反射回来的信号相对于发射信号的时间延迟为0.01秒，忽略海面和目标之间的多次反射，求目标距离声纳系统的距离。五、论述题（10分。请将答案填写在答题纸上。）结合声学原理，论述声学无线通信技术在未来物联网或智能城市环境中的潜在应用场景、面临的主要挑战以及可能的解决方案。试卷答案一、选择题1.C2.C3.C4.B5.B6.B7.C8.C9.C10.C二、填空题1.降低；扩散2.运动；改变（或频移）3.水的密度；温度4.200005.波长与障碍物尺寸相当（或可比拟）6.信噪比7.反射8.条件（或环境）9.衰减；多径干扰10.水下通信；隐身通信（或其他合理答案，如可穿透材料通信等）三、简答题1.解析思路：首先分别定义反射和衍射。反射是声波到达界面时部分能量返回原介质的现象，导致信号出现回波，可能干扰主信号。衍射是声波绕过障碍物或孔隙传播的现象，使得声波能够进入障碍物后方区域，影响信号的定向性和覆盖范围。结合无线通信场景，反射可能导致多径效应，衍射则可能使信号在预期外区域被接收到或丢失。答案：声波反射是指声波到达不同介质界面时，部分能量返回原介质的现象。反射会形成回波，可能对主信号产生干扰。声波衍射是指声波遇到障碍物边缘或孔隙时，能够绕过障碍物继续传播的现象。衍射使得声波能够进入几何阴影区，影响信号的定向性和覆盖范围。在无线通信中，反射导致多径效应，衍射则影响信号的空间分布。2.解析思路：首先解释多普勒效应的物理原理：当声源和接收器相对运动时，接收器测得的声波频率会因相对速度而偏离声源发出的频率，靠近时变高，远离时变低。然后说明其在无线通信中的应用，最典型的就是测速，例如声纳测速或利用多普勒效应进行移动目标跟踪通信。答案：声学多普勒效应是指由于声源与接收器之间存在相对运动，导致接收器接收到的声波频率偏离声源原始发射频率的现象。当两者相互靠近时，接收频率高于发射频率；当两者相互远离时，接收频率低于发射频率。在无线通信中，多普勒效应可用于测速，例如在声纳系统中通过分析回波频率的变化来测量目标的相对速度，或用于移动声学通信系统的信号处理。3.解析思路：对比超声波与高频无线电波在水中的传播特性。超声波频率高，波长短，在水中传播时衰减较大，但方向性好，易于聚焦。关键在于，高频无线电波在水中的衰减极为严重，频率越高衰减越大，几乎无法有效传播。因此，超声波成为水下无线通信的主要手段。答案：超声波通信频率通常远高于无线电波，在水下传播时虽然也有衰减，但相比于高频无线电波，其衰减相对较小（尤其在中低频段），且方向性更好，不易受水中溶解物质的影响。而高频无线电波在水中的传播损耗极大，频率越高，能量衰减越快，信号很快就会变得非常微弱，难以被有效接收。因此，超声波通信在水下环境中比高频无线电通信更具优势。4.解析思路：列举声学无线通信中常见的噪声来源，如环境噪声（风声、雨声、水流声、机器噪声等）、生物噪声（鲸鱼叫声、船舶声纳等）、系统自身噪声（发射器和接收器电子噪声、自激振荡等）。然后说明这些噪声会降低信号强度，与信号叠加，导致接收端难以区分有用信号，从而降低通信系统的信噪比和可靠性。答案：声学无线通信系统中的噪声主要来源于环境噪声（如风声、雨声、水流声、船鸣等）、生物噪声（如鲸鱼叫声、海洋生物活动声等）以及系统自身产生的噪声（如发射器和接收器的电子设备噪声、自激振荡等）。这些噪声会叠加在有用信号上，降低信号的强度，使得接收端难以有效提取信息，从而降低了系统的信噪比和通信质量。四、计算题1.解析思路：使用声强级公式I=(p_rms^2)/(ρc)和I=I_0*10^(L/I_0)联立求解。先根据给定的声强级L=60dB和参考声强I_0=1*10^-12W/m²，计算出距离声源5米处的声强I。然后利用计算出的I和公式I=(p_rms^2)/(ρc)求解声压有效值p_rms。注意单位换算。答案：L=10*log(I/I_0)=>60=10*log(I/1*10^-12)=>I=1*10^-12*10^6=1*10^-6W/m²I=p_rms^2/(ρc)=>p_rms^2=I*ρc=>p_rms^2=(1*10^-6)*(1.21kg/m³)*(340m/s)p_rms^2=4.114*10^-6Pa²=>p_rms=sqrt(4.114*10^-6)Pa≈2.03*10^-3Pa2.解析思路：利用声波传播的速度公式v=s/t，其中s是总路程（去程+回程），t是时间延迟。已知速度v=1500m/s，时间延迟t=0.01s。总路程s=v*t=1500*0.01=15m。这是声波从声纳到目标再返回的总距离。因此，目标距离声纳系统的距离为总路程的一半，即s/2。答案：总路程s=v*t=1500m/s*0.01s=15m目标距离声纳系统的距离=s/2=15m/2=7.5m五、论述题解析思路：首先阐述潜在应用场景，例如在建筑物内部或地下结构（如地铁、管道）中，传统无线信号可能覆盖不佳或被屏蔽，而声波（如超声波）可以穿透这些障碍物，实现物联网设备（传感器、执行器）的通信。在智能城市中，声学传感器可用于环境监测（噪音污染、人流密度），并通过声学通信进行数据传输。接着分析面临的主要挑战，包括声波传播的衰减、多径效应、易受环境噪声干扰、带宽和速率限制、方向性控制等。最后针对挑战提出可能的解决方案，如采用定向声波发射技术减少干扰、利用多径分集或信道编码提高可靠性、研究更高频率或不同调制方式的声波通信、结合机器学习进行噪声抑制和信号处理等。答案：声学无线通信技术在未来物联网或智能城市环境中具有潜在的应用价值。例如，在建筑物内部、地下管道、地铁隧道等传统无线信号难以有效覆盖或存在屏蔽的区域，利用超声波等声波进行通信，可以实现传感器、执行器等物联网设备之间的短距离或中距离数据传输，构建可靠的内部感知网络。在智能城市中，声学传感器阵列可用于监测环境噪音水平、人流密度、异常声音事件等，采集到的数据可通过声学通信链路传输到中心处理系统，为城市管理提供信息支持。该技术面临的主要挑战包括：声波在介质中传播时存在显著的衰减，导致传输距离受限；声波容易发生反射、衍射和多径传播，导致信号失真和干扰；环境中的各种噪声（如风声、雨声、机器声、人声）会严重干扰声学信号；与电磁波