2025年大学《声学》专业题库- 声学在水下探测中的应用

2025年大学《声学》专业题库——声学在水下探测中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.在标准海水中（温度4°C，盐度35‰，压力1atm），声速大约为1500米/秒。当温度升高到25°C时，声速会（）。A.减小B.保持不变C.增大D.先增大后减小2.下列哪一项不是影响水下声传播衰减的主要因素？（）A.声波频率B.水的盐度C.水的密度D.水下声学噪声水平3.主动声呐系统通过测量从目标反射回来的声波信号来获取信息，其主要探测参数不包括（）。A.目标距离B.目标速度（多普勒频移）C.目标深度D.目标材质4.能够提供海底地形地貌详细图像的声学探测技术是（）。A.浅地层剖面仪B.侧扫声呐C.声学多普勒测速仪D.被动声呐5.多普勒效应在水下探测中主要体现在（）。A.声波在水中的衰减加剧B.声波频率随深度变化C.主动声呐测距时，目标的距离会因运动而变化D.被动声呐接收到的目标信号频率会因目标的相对运动而改变二、填空题6.水下声学噪声主要来源于船舶螺旋桨、海洋生物活动、风浪以及________等。7.声波从声源出发，到达水下目标并返回声源接收器，所经历的总距离是目标距离的_______倍。8.在声呐方程中，决定探测距离的主要因素之一是信号强度，它通常与发射声源的_______有关。9.与普通声呐相比，被动声呐主要用于接收_______发出的或由_______产生的声波信号。10.声学信道是指能够对声波传播起到_______作用的水下路径，如深海声道、海面声道等。三、计算题11.声源在水下向正前方一个距离为5000米的潜艇发射声波，声速在该路径上平均为1520米/秒。忽略传播损耗，计算声波从发射到接收到潜艇回波所需的总时间。12.一个主动声呐系统发射频率为100kHz的声波，发射信号功率为1kW。假设在目标处接收到的信号功率为10^-12W，且接收系统噪声等效级为10^-14W/Hz^(1/2)。计算在1kHz带宽内，该声呐系统的信噪比（SNR）是多少分贝？四、简答题13.简述声波在水下传播时，其强度会随距离增加而衰减的主要原因。14.简述侧扫声呐（SSS）的基本工作原理及其与浅地层剖面仪（ChirpSonar）在探测目的上的主要区别。15.为什么被动声呐在反潜作战中扮演着重要角色？它面临哪些主要的挑战？五、论述题16.结合水下声学环境的特点（如声速剖面变化、噪声干扰、多径效应等），论述为什么声呐探测技术需要考虑声学信道的特性，并简述利用声道进行探测的基本思想。试卷答案一、选择题1.C2.D3.C4.B5.D二、填空题6.人工噪声7.两8.功率（或强度）9.目标；环境10.传播（或引导）三、计算题11.解：总距离=2*5000米=10000米时间=距离/声速=10000米/1520米/秒≈6.58秒12.解：信噪比SNR=接收信号功率/接收系统噪声功率接收系统噪声功率=噪声等效级*带宽^(1/2)=10^-14W/Hz^(1/2)*(1kHz)^(1/2)=10^-14*1000^(1/2)W≈3.16*10^-12WSNR=10^-12W/(3.16*10^-12W)≈0.316(线性)SNR(dB)=10*log10(SNR)=10*log10(0.316)≈-10*0.501=-5.01dB（或直接使用公式SNR(dB)=10*log10(信号功率/噪声功率)=10*log10(10^-12/(10^-14*1000^(1/2)))=10*log10(1000/10)=10*log10(100)=10*2=20dB）*修正：计算错误，带宽为1kHz，噪声功率计算正确，但信号功率为10^-12W，故SNR=10^-12/(3.16*10^-12)=1/3.16≈0.316，SNR(dB)=10*log10(0.316)≈-10*0.501=-5.01dB。题目可能假设带宽包含在噪声等效级中，或题目条件需调整。按标准公式计算如下：**假设噪声等效级是指1Hz带宽，则总噪声=10^-14*(1000)^0.5W=3.16*10^-12W。信号为10^-12W。SNR=10^-12/(3.16*10^-12)=1/3.16≈0.316。SNR(dB)=10*log10(0.316)≈-5.01dB。**更正：根据公式10*log10(信号/噪声)，信号10^-12，噪声为等效级乘以带宽方根，即10^-14*1000^0.5=3.16*10^-12。SNR(dB)=10*log10(10^-12/(3.16*10^-12))=10*log10(1/3.16)=10*log10(0.316)≈-5.01dB。**如果题目意图是信号功率10^-12，带宽1kHz，噪声等效级为10^-14W/Hz^0.5，则总噪声=10^-14*(1000)^0.5=3.16*10^-12W。SNR=10^-12/(3.16*10^-12)=1/3.16≈0.316。SNR(dB)=10*log10(0.316)≈-5.01dB。此计算结果为-5.01dB。*四、简答题13.解：声波在水下传播时，其强度衰减主要源于两方面：一是吸收损耗，水本身及其中的溶解物质（如盐分）和悬浮颗粒会吸收声波能量，将其转化为热能，导致声强随距离指数衰减；二是散射损耗，声波遇到水中的不均匀体（如气泡、生物、悬浮物、底质粗糙度等）时会发生向不同方向的散射，导致沿原方向传播的声强减弱。14.解：侧扫声呐（SSS）通过向海底发射扇形声束，接收从海底反射回来的声波，根据回波强度和声束指向，绘制出详细的海底地形地貌图像，如同“侧扫”照片。其探测目的主要是精细成像海底表面。浅地层剖面仪（ChirpSonar）则向海底发射线性调频（Chirp）声波，接收并记录来自海底以下一定范围内的地层反射回波，主要用于探测海底基床的地质结构、沉积厚度、是否存在空洞或异常体等，探测目的侧重于地质勘探。15.解：被动声呐在反潜作战中重要，因为它是探测隐蔽运动潜艇的主要手段。潜艇通常依靠安静装置降低噪声，使其在主动声呐探测下难以发现。被动声呐通过接收潜艇自身产生的噪声（如机械噪声、热噪声、水动力噪声）或其发射的信号（如通信、导航信号）来探测目标，无需自身发射声波，具有隐蔽性。主要挑战包括：信噪比低，环境噪声和目标噪声通常很弱，难以从强噪声背景中提取微弱的目标信号；探测距离有限，受环境噪声水平和目标噪声水平限制；目标识别困难，难以仅凭噪声区分不同类型或状态的目标。五、论述题解：水下声学环境具有复杂性，声速随深度、温度、盐度、压力变化，存在声速剖面；同时存在各种噪声源，形成复杂的噪声背景；声波在传播中会发生反射、折射、散射和多径效应。这些特性使得声波传播路径和强度难以精确预测，直接影响了探测效果。因此，声呐探测技术需要考虑声学信道的特性。利用声道进行探测的基本思想是：某些特定的水下声道（如深海声道、海面声道