2025年大学《声学》专业题库- 声学技术在卫星通信中的应用

2025年大学《声学》专业题库——声学技术在卫星通信中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（请将正确选项的字母填在题后的括号内。每小题2分，共20分）1.在理想大气层模型中，声波传播速度受温度影响显著，通常在哪个高度范围内速度最小？（）A.对流层底部B.对流层顶部至平流层下部C.平流层中部D.高空稀薄层2.声纳探测的基本原理是？（）A.接收卫星发射的电磁波信号B.利用声波在介质中的反射特性探测目标C.通过激光干涉测量距离D.解析卫星通信信道中的噪声成分3.声光调制器在卫星通信中可能被用于？（）A.直接调制声波信号以承载信息B.调制电磁波信号以实现保密通信C.利用声波与电磁波的相互作用改变光束的频率或强度，用于信号处理D.增强麦克风接收卫星发射的微弱声音信号4.将声波作为空间通信载波的主要挑战之一是？（）A.声波带宽极高，信息容量大B.声波在真空中传播速度快C.声波衰减严重，传播距离短，且易受大气层干扰D.声波接收设备成本极低5.天基声纳系统主要用于探测？（）A.地球表面特定区域的海况B.近地轨道或深空中的空间碎片及微流星体C.静止卫星内部的故障声源D.预测太阳耀斑活动6.声学透镜在卫星通信应用场景中，其核心功能可能是？（）A.产生强烈的声波干扰以屏蔽电磁信号B.聚焦来自遥远卫星的微弱声学信号，提高接收灵敏度C.将电信号直接转换为可传播的声波D.建立声波与电磁波的转换接口7.以下哪项技术最直接地利用了声波在介质中传播时的多普勒效应？（）A.卫星上的激光测距B.基于声学透镜的信号聚焦C.天基声纳对高速移动物体的测速D.利用大气声学层结进行远距离声波通信8.在考虑利用声学技术进行空间环境探测时，需要重点研究哪种声波传播媒介的特性？（）A.地球海洋B.对流层大气C.平流层及以上的稀薄气体D.卫星内部真空环境9.声致发光（PAS）现象在卫星通信声学技术研究中具有潜在应用价值，其基本原理是？（）A.声波直接激发介质原子产生可见光B.声波调制电磁发射器的光输出C.声波与电磁波耦合产生共振，增强发光强度D.声波能量被特殊材料吸收后转化为光能10.对卫星通信信号进行隐蔽传输，理论上声波技术相比电磁波技术的潜在优势是？（）A.声波频率范围更广，抗干扰能力更强B.声波不易被现有常规探测手段发现，具有更好的隐身性C.声波传播速度接近光速，信号传输延迟小D.声波信号更容易进行加密处理二、填空题（请将答案填写在横线上。每空2分，共20分）1.声波在介质中传播时，其能量会逐渐减弱，这种现象称为__________。2.声纳系统中的“盲区”通常指__________。3.利用声波在地球大气层中传播进行远距离通信，主要依赖的是__________层提供的声波信道。4.声光调制器的基本原理是利用声波引起的__________的变化来调制光信号。5.在真空中，声波的传播速度为__________。6.声波与电磁波发生相互作用时，声波场可以导致介质折射率的__________，从而影响电磁波的传播。7.天基声纳探测微流星体时，主要接收的是微流星体高速撞击目标表面产生的__________信号。8.声学透镜聚焦声波能量的原理类似于光学透镜聚焦__________。9.声波调制解调的基本目的是将信息__________到声波信号上，或在接收端从声波信号中__________信息。10.声学技术在卫星通信中的应用研究，属于声学与__________学交叉的前沿领域。三、简答题（请简要回答下列问题。每题5分，共20分）1.简述声波在地球大气层中传播时，会受到哪些主要因素的显著影响？2.简要说明利用声波进行卫星通信面临的主要技术挑战。3.解释什么是声致发光（PAS）现象，并简述其在潜在应用中可能扮演的角色。4.简述声纳探测的基本工作流程。四、计算题（请根据题目要求进行计算。共15分）假设一束频率为5000Hz的声波在标准大气压（101325Pa）和15℃的条件下，沿水平路径从地面发射，传向高度为100km的某静止卫星。已知声波在该温度下的理论传播速度为340m/s（此为地面近似值，实际随高度变化）。忽略大气密度和温度的剧烈变化，仅考虑声波在大气中传播的基本衰减规律。设声波衰减系数α（单位距离的衰减分贝数）与频率f（Hz）的关系近似为α(f)=0.001fdB/km。请计算：(1)该声波在传播过程中经历的总衰减量（以分贝dB为单位）。(8分)(2)若接收卫星处的声压级（SPL）为-80dB（参考声压为20μPa），估算发射时声压级的理论值（以dB为单位）。(7分)五、论述题（请就下列问题展开论述。共25分）论述声学技术在卫星通信领域的潜在应用前景与面临的根本性挑战。在论述中，应至少提及声波通信、声纳探测、声学透镜或声光调制等具体技术方向，并分析这些技术在空间环境（如真空、稀薄大气、强辐射等）下的适用性和限制。试卷答案一、选择题1.B2.B3.C4.C5.B6.B7.C8.C9.A10.B二、填空题1.衰减2.探头发射声波后，因声波需向四周扩散，距离探发器一定范围内无法有效探测目标3.平流层4.折射率5.零6.变化7.冲击8.光线9.加载，解调10.通信三、简答题1.解析思路：分析影响声波在大气中传播的物理因素。*答：声波在大气中传播主要受温度、湿度、气压（密度）、风速风向、大气层结（温度垂直梯度）等因素影响。温度直接影响声速，进而影响传播时间和距离；湿度会轻微影响声速和衰减；气压（密度）影响声速和衰减，密度越小衰减越快；风速风向会产生多普勒效应和传播路径弯曲；大气层结不均会导致声波折射甚至发生超声速传播现象（声影区）。2.解析思路：从声波本身的物理特性出发，结合空间环境特点，列举挑战。*答：主要挑战包括：①传播介质问题，真空中无法传播，空间稀薄大气中衰减极快且传播路径复杂；②频率与带宽问题，声波频率低，带宽窄，信息承载能力有限，且易受噪声干扰；③探测距离与灵敏度问题，声波衰减严重，探测远距离目标需要极高声强和灵敏度；④环境适应性问题，空间环境的极端温度、辐射等可能影响声学设备性能；⑤探测隐蔽性（若用于通信）问题，声波易被环境噪声淹没且传播范围广。3.解析思路：解释PAS现象的物理机制，并联系其在通信或探测中的应用可能。*答：声致发光（Sono-Luminescence）现象是指声波（特别是超声波）作用于某些液体介质时，如果液体中含有特定催化剂（如纳米颗粒）和溶解气体，声波的机械能会激发液体分子和催化剂，导致气体产生化学发光或物理发光。潜在应用可能包括：利用其作为声波能量转换的指示器；作为声学器件的检测手段；在特定条件下可能用于声信号调制或成像；探索用于空间环境中的非传统光源或信号标记。4.解析思路：梳理声纳工作的基本步骤。*答：声纳探测的基本工作流程是：①发射：声纳系统发射一束声波（通常是脉冲）到目标方向；②传播与反射：声波在介质中传播，遇到目标物发生反射，返回到声纳系统；③接收：声纳系统接收返回的声波信号；④处理：对接收到的信号进行放大、滤波、测距（通过时间延迟）、测速（通过多普勒频移）、目标识别等处理；⑤显示或输出：将处理结果以图像、数据等形式显示或输出，完成对目标的探测。四、计算题(1)解析思路：计算总衰减量，需要知道总传播距离和单位距离衰减量。传播距离是高度，单位距离衰减量与频率相关。*解：总传播距离s=100km=100,000m。声波频率f=5000Hz。单位距离衰减系数α(f)=0.001fdB/km=0.001*5000*1dB/km=5dB/km。总衰减量L=α(f)*s=5dB/km*100km=500dB。*答：该声波在传播过程中经历的总衰减量为500dB。(2)解析思路：利用声压级公式Lp=20*log10(P/P0)，其中P是声压，P0是参考声压。衰减前后声压P1和P2满足Lp1-Lp2=20*log10(P1/P2)。已知Lp2和衰减量Lp1-Lp2，可求P1/P2，进而求P1。由于是估算，可假设初始声压P1为某个参考值（如1μPa），求得P2后再计算Lp1。*解：已知接收端声压级Lp2=-80dB，参考声压P0=20μPa。衰减量L=500dB。设发射端声压为P1，接收端声压为P2。根据公式Lp1-Lp2=20*log10(P1/P2)，有500=20*log10(P1/P2)。求得P1/P2=10^25。设发射端声压P1=1μPa(20*log10(1/20)=-26dB)。则P2=P1/10^25=1μPa/10^25=10^-25μPa。发射端声压级Lp1=20*log10(P1/P0)=20*log10(1/20)=-26dB。接收端声压级Lp2=-80dB。估算的发射端声压级为Lp1=-26dB。*（注：此计算结果基于假设，实际初始声压未知，若按P2=10^-80Pa计算，则Lp1=-80+500=420dB，显然不合理，说明此题条件或假设需审慎，按Lp1-Lp2=500dB推算，若Lp2=-80，则Lp1=420dB）*五、论述题解析思路：首先明确声学技术在卫星通信中的几大潜在方向（通信、探测、传感等），然后分别阐述每种方向的应用前景（如克服电磁干扰、探测难发现目标、获取特殊信息等）。接着，重点分析这些技术在空间环境（真空、稀薄大气、辐射）下面临的共性挑战和特性挑战（如真空不可传播、衰减大、大气不稳定、设备耐受性等），并进行比较。最后，总结前景与挑战的权衡，指出当前是探索阶段，未来需克服关键技术瓶颈。*答：声学技术在卫星通信领域的应用具有独特的潜力和挑战。*潜在应用前景：1）声波通信：尽管受限于带宽和信息速率，但在特定场景下具有价值。例如，可作为常规电磁通信的备份或补充，特别是在电磁频谱拥挤或存在强干扰区域；用于实现高度隐蔽的通信方式，因为声波不易被传统雷达或电子侦察设备探测；探索利用大气声波层结进行超视距通信的可能性。2）声纳探测：天基声纳可用于探测近地轨道和空间碎片，利用碎片高速撞击目标产生的声学信号，弥补光学和雷达探测的盲区；可探测深空中的小行星或彗星，尤其是在大气层外或稀薄大气中的探测；对卫星或空间站表面进行无损检测，发现内部或结构缺陷。3）声学传感与环境监测：利用声学原理监测空间环境参数，如大气密度、风场；探测微流星体撞击产生的冲击波或声学信号，为空间天气预报提供信息；作为姿态控制或设备状态的声学传感器。*面临根本性挑战：1）传播介质限制：声波无法在真空中传播，这是最根本的限制，决定了声学技术主要适用于近地空间大气层或特定介质存在的地方。在稀薄大气中，声波衰减极快，传播距离有限，有效作用范围很小。2）低频与窄带特性：声波频率远低于电磁波，导致带宽窄，信息传输速率低，难以满足现代高速通信需求。同时，易受环境噪声（大气噪声、设备噪声等）干扰。3）探测性能限制：声纳探测的分辨率和灵敏度受声波频率、衰减、介质特性等多种因素制约，探测远距离、小尺寸目标难度大。4）设备适应性与复杂性：空间环境的极端温度变化、高能粒子辐射、微振动等对声学传感和发射设备提出严峻考验，要求设备具有高可靠性和强适应性。声学换能器、传感器等通常体积较大、较重，增加了卫星平台