水声学原理试题+答案
水声学原理考试试卷及参考答案精选全文
可编辑修改精选全文完整版考试科目《水声学原理》考试时间100分钟考试形式开卷班级姓名学号题号12345678910总得分阅卷人得分试题说明：本试卷共10道题，每题10分，满分100分。
请将答案写在答题纸上，考试完毕后请将试卷和答题纸一并交回。
1.（10分）声纳有哪两种工作方式？试分别画出这两种方式的信息流程图。
2.（10分）增加主动声纳的发射功率，能否提高其作用距离，为什么？如能提高，若其他条件不变，发射功率增大一倍，试问声纳作用距离如何变化？3.（10分）试画出典型的海洋声速分布图，并说明表面声道和深海声道的形成原因。
4.（10分）若海水中的声速分布如下图，试画出几条典型声线轨迹图。
5.（10分）声速分布如下左图所示，已知H，z0，c s，a1，a2和α求x。
C sCa1a2zx 0αx6.（10分）一只声呐换能器的声源级为120dB。
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？7.（10分）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？8.（10分）已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角θ向海底发射声波，频率为f0，收得海底回声信号的频率为f r，求该船的航行速度v。
Vθf0f r水面海底9.（10分）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？试写出这几类混响的等效平面波混响级的理论公式。
10.（10分）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。
标准答案： 1. 答：声纳按照工作方式可以分为两类，主动声纳和被动声纳。
它们的信息流程图分别为： (1)主动声纳：(2)被动声纳：2. 答：(1) 能否提高作用距离要看何种背景干扰起主要作用。
如果背景干扰以环境噪声为主，则可提高作用距离，若背景干扰以混响为主，则不能提高作用距离。
西北工业大学水声学原理作业5答案
1、 根据混响场特性不同，可以将混响分为三类：①体积混响，混响源是存在于海水本身或体积之中的散射体，如海水中的流砂粒子、海洋生物、海水本身的不均匀性、大的鱼群等；②海面混响：混响源是海面的不平整性和波浪形成的气泡层形成的散射体；③海底混响：混响源是海底及其附近的散射体。
2、①散射强度是表征混响的一个基本比值，定义为在参考距离1米处被单位面积或体积所散射的声强度与入射平面波强度的比，并将此比值用分贝数表示，即S S,V =10lg I scat I inc式中S S,V 表示单位体积或单位面积的散射强度，I inc 是入射平面波声强，I scat 是单位体积或单位面积所散射的声强度，它是在远场测量后再归算到单位距离处。
②等效平面波混响级RL 定义为：设有接收器接收来自声轴方向的入射平面波，该平面波强度为I ，接收器输出端的电压为V ，如将此接收器放置在混响声场中，声轴对着目标，若在混响场中该接收器输出端的电压也为V ，则此混响场的等效平面波混响级RL 为RL =10lg I I 0式中的I 0是参考声强，它是声压有效值为1微帕的平面波的声强。
③混响是主动声呐特有的干扰，是一个非平稳随机量，随时间衰减；瞬时值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布；频率特性基本上与发射信号相同，在空间中不是均匀的。
3、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。
②t 时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为ct/2和c(t+τ)/2的球壳间散射体的散射，此区域记作V 0。
考虑指向性为b(θ,φ)的指向性发射器，设单位距离处发射器轴向声强为I b ，则其在空间(θ,φ)方向上的声强就是I b b(θ,φ)。
考虑方向上的r 处有一体积为dV 的散射体元，由于假设球面衰减，则dV 处的入射波声强为I b b(θ,φ)/r 2根据散射强度的定义，可以得到在返回声源的方向上，离单位距离处的散射声强度为[I b b(θ,φ)/r 2]·S V `dV ,其中S V `=I scat /I inc在入射声作用下由dV 产生的返回声源处的散射声强度应为I b b(θ,φ) S V `dV /r 4，而若接收器指向性图案为b`(θ,φ)（若换能器收发合置，则b=b`），则对接收器输出端有贡献的声强为I b b(θ,φ)b`(θ,φ)S V `dV /r 4因为散射体分布在整个空间，则积分求和结果为I scat =I b ∫S`V r 4Vb (θ,φ)b`(θ,φ)dV 根据等效平面波混响级RL 的定义式，可得体积混响的等效平面波混响级表达式为 RL V =10lg{I b I 0S`V ∫1r 4V b (θ,φ)b`(θ,φ)dV} 其中I 0为参考声强。
《水声学原理》期末复习试题3含答案
班级：学号：第1页 共2页所有试题答案均需写在答题册上，写在本试卷上无效。
一、简单题（每题4分，共40分）1．何谓声纳参数？解释组合声纳参数NL －D I＋DT 和R L＋DT 的物理意义。
2．海水中的声速主要受哪些因素影响？实际工程中为什么可以应用温度测量代替声速测量以获得海水中的声速？3．什么条件下发生海底全内反射？此时反射系数有何特点？说明其物理意义。
4．为什么说简正波理论适用于计算低频远距离浅海声场，而射线理论适用于计算高频近距离深海声场？5．表面声道中接收爆炸声信号的波形包络有何特征？解释这种波形包络的形成原因。
6．何谓“午后效应”？运用所学知识解释该物理现象产生的原因。
7．测量柱形目标的TS 值时发现TS 值随测量距离而变，解释这种变化关系及原因。
8．实验室测量目标强度的方法有哪些？目标强度测量应满足哪些条件？9．海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？10．为什么说频率50－500Hz ，500－25000Hz 的环境噪声分别是航船噪声和风成噪声？二、（10分）海水中的声速从海面的1500m/s 均匀减小到100m 深处的1450m/s 。
求：（1）声速绝对梯度；（2）海面处掠射角为零的声线到达100m 深处时所传播的水平距离和掠射角分别是多少？（给出表达式）三、（10分）在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a 的刚性大球目标强度TS 值表达式。
哈尔滨工程大学本科生考试试卷（ 年 第 学期）课程编号： 课程名称：标准答案和评分标准一、简答题（每题4分，共40分）1．何谓声纳参数？解释组合声纳参数：NL-DI+DT和RL+DT的物理意义。
答：将影响声纳设备工作的因素统称为声纳参数（2分）。
NL-DI+DT：噪声隐蔽级，在噪声干扰下主动声纳或被动声纳正常工作所需的最低信号级；RL+DT：混响隐蔽级，在混响干扰下主动声纳正常工作所需的最低信号级（2分）。
2．海水中的声速主要受哪些因素影响？实际工程中为什么可以应用温度测量代替声速测量以获得海水中的声速？答：海水中的声速主要受温度、盐度和压力等因素的影响（2分）。
2007-水声学原理试题+答案
2006/07学年第 2学期试题名称：水声学原理 A 共3页第 1 页专业年级海洋技术学号姓名授课教师宋志杰分数一、选择题（36%）下面各小题中只有一个表述是正确的。
选择正确答案相应的字母填于空格处。
1.舰艇辐射噪声由三部分组成，其中包括。
（2%）A. 流噪声、自噪声和机械噪声。
B. 流噪声、自噪声和螺旋桨噪声。
C. 流噪声、螺旋桨噪声和机械噪声。
D. 自噪声、机械噪声和螺旋桨噪声。
2. 海洋混响包括。
（2%）A. 体积混响、本地混响和海面混响。
B. 体积混响、海底混响和海面混响。
C. 体积混响、海底混响和异地混响。
D. 海面混响、海底混响和异地混响。
3. 两列同向传播、声强均为20dB且完全相干的一维平面波叠加在一起后，可能的声强最大值和最小值分别为。
（5%）A. 80 dB和40dB。
B. 80 dB和0dB。
C. 23 dB和0dB。
D. 26dB和- dB。
4.如右图所示声速剖面，声源位于声道轴z0=200m上。
海面处C(0)=1520m/s, 海底处C(H)=1540m/s, C(z0) =1500m/s。
一条自声源出发、初始掠角为10º[cos(10º)=0.9848]的声线将。
（4%）A. 在声道轴上方被海面反射、在声道轴上下方被海底反射。
B. 在声道轴上方反转、在声道轴上下方被海底反射。
C. 在声道轴上方被海面反射、在声道轴上下方反转。
D. 在声道轴上方反转、在声道轴上下方反转。
5.平面波入射到两均匀介质分界面上，如右图所示。
设满足在第2介质中产生非均匀平面波的条件，则非均匀平面波。
（4%）授课教师宋志杰命题教师或命题负责人签字院系负责人签字年月日2006/07学年第 2 学期试题名称：水声学原理（A）共 3 页第 2 页A. 沿z 轴反方向传播，沿x 轴正方向振幅衰减。
B. 沿x 轴正方向传播，沿x 轴正方向振幅衰减。
C. 沿x 轴正方向传播，沿z 轴反方向振幅衰减。
《水声学》期末复习试题5套含答案
班级：学号：第1页 共2页第2页 共2页所有试题答案均需写在答题册上，写在本试卷上无效。
一、简答题（每空1分，共60分）1.组合声纳参数中噪声隐蔽级的表达式为 ；混响隐蔽级的表达式为；它们都表示主动声纳正常工作所需的最低 。
2.主动声纳的背景干扰有 和 。
其中 是平稳的随机过程，是非平稳的随机过程。
对应两种不同干扰背景的主动声纳方程分别为和 。
3.在水声学中，声压级的定义式为 ；声强级的定义式为 ；声压级与声强级相等的条件为 。
4.已知发射换能器的辐射声功率为100W ，则距离声源声中心1m 处无指向性声源的声强为 W /㎡；声源级为 dB 。
5.传播损失的一般表示式为 。
其中几何衰减项为 、物理衰减项为 。
6.影响海水声速的三个主要因素为 、 、 。
海水中声速的典型结构有 、 、 、 。
7.一般情况下，声波的频率越低，海水的吸收衰减 ，传播距离 ；但当声波的频率低于波导的 频率时，简正波水平方向的波数由实数变为 ，波导中的简正波蜕化为 的简正波，传播距离反而 。
8.射线声学的两个基本方程分别为 方程和 方程。
由Snell 折射定律可知，声线总是向 的方向弯曲；当介质的声速为常数时，声线轨迹为 ；当介质的声速梯度为常数时，声线轨迹为 ，圆的半径为 。
9.声波在 声道和 声道中能够远距离传播。
10.邻近海面水下点源声场声压振幅随距离的变化关系表现为：近场菲涅耳干涉区，声压振幅随距离 减小，远场夫琅和费区，声压振幅随距离 减小。
11.水池中测量目标强度，一般可采用比较法或直接测量法，但应注意：第一，声源与目标之间的距离和目标与水听器之间的距离都应满足 条件。
第二，应保证 条件得到满足。
第三，合理选取发射信号 。
12.目标回声信号的形成主要有 、 、 、 。
回声信号的一般特征为 、 、、 。
13.根据混响形成原因的不同，习惯上将海洋混响分为 、 和 ；其中和 又统称为界面混响。
混响的瞬时值服从 分布；振幅服从 分布。
水声学原理试题+答案
水声学原理试题+答案《水声学原理》课程考试题(A卷)一、填空题(15%)1. 声阻抗率是单位表面(或体积)产生单位质点振速所需要的。
2. 潜艇的目标强度随角度的变化规律呈形状。
3. 用描述高、低频近似，为波数，a为空间尺度，高频近似和低频近似分别kka可以表示为和。
4. 根据辐射噪声产生的来源不同，辐射噪声可分为、和三类。
5. 气泡可称作空气弹簧，是因为其和弹簧一致。
6. 目标强度可能为正的物理原因是。
7. 表面声道中，跨度较大的声线平均水平传播速度较。
8. 复数声反射系数的模表示反射声波与入射声波的之比，幅角表示反射声波与入射声波的之差。
二、简答题(35%)1. 简述复阻抗率的物理意义。
(7%)2. 利用简正波表示，简要解释相干能量和非相干能量。
(7%)3. 利用刚性小球的散射理论，简要解释晴朗天空呈蓝色、早晚天空呈红色的现象。
(7%)4. 利用散射场可以视作二次辐射计算的方法，简要叙述计算海水中气泡散射声场的步骤。
(14%)三、证明题(20%)气泡内的气体是理想气体，气泡振动时声辐射过程是绝热过程，证明:气泡振动的恢复力和弹簧恢复力形式一致。
四、计算题(30%)1. 一单频小球源以10瓦的功率向自由空间辐射频率为1000Hz的简谐球面波，求离开声源中心2米处的声压幅值、质点径向速度(振速)幅值和声强。
(15%)2. 均匀硬底浅海中，海水中声速为1500m/s，海深为100米。
求频率为1.5kHz时第一号简正波的水平波数。
(15%)《水声学原理》课程考试题(A卷参考答案)一、填空1. 声压。
2. 蝴蝶。
3. 。
4. 机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。
5. 恢ka,,1, ka,,1复力形式。
6. 散射截面大。
7. 快。
8. 振幅、相位。
二、简答1. 要点:? 从定义看，声阻抗是复数表示声压与质点振速相位不一致。
这使得介质中的声强(损耗在介质中的声强)小于平面波声强，这部分损耗声强对应着声阻抗的实部。
《水声学》部分习题答案
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，
rR<rn，所以混响是主要干扰。
声信号级
回声信号级
混响掩蔽级
噪声掩蔽级
rR rn
距离r
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。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工
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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
7
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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？
声线曲率半径 R = c0 ，所以水平传播距离 g
x = R 2 − (R − d )2 = 2Rd − d 2
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哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》
一般情况下，声速垂直梯度 g 为远小于 1 的量 所以曲率半径较水深大得多 x ≈ 2Rd = (2c0d / g)1/ 2
解：1）声速绝对梯度 g = dc = 1500 −1450 = −0.5s −1
(整理)《水声学》课程配套习题参考答案.
《水声学》部分习题参考答案绪论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，r R<r n，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6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。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
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）解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412 。
第一章 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。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
2 略3 略第二章 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。
解：海水中的声速与海水温度、密度和静压力（深度）有关，它们之间的关系难以用解析式表达。
CCC2 略3 略4 略5 略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。
水声学试卷及答案
2002年《水声学》试卷1 开阔水域中扫雷舰拖拽－宽带噪声源、声源谱级160dB ，被扫音响水雷对200－300Hz 的噪声敏感，环境噪声谱级90dB ，接收机检测阈DT=10dB ，海水吸收系数α，求作用距离（给出表达式）。
（15分） 2 声呐A ，B 有相等的声源级，但声呐A 工作频率f A 高于声呐B 工作频率 f B ,问哪台声呐作用距离远，说明原因。
又，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？（15分）3 声速分布如下左图，声源位于深度H 处，以H α出射的声线在深度上翻转，已知，求水平距离x 。
（21,z z 121,,,z a a c s 0,021><a a ）（15分）z x z 2C4 画出表面波道声速分布，应用射线理论解说声波在表面波道中远距离传播的原因。
（15分）5 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。
（15分）6 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？（15分）7 为什么说频率50－500Hz ，500－25000Hz 的环境噪声分别是航船噪声和风成噪声（海面波浪噪声）。
（10分）2002年《水声学》试题答案1．被动声呐方程SL-TL-(NL-DI)=DTSL=160+10lg(300-200)=180dB NL=90+10lg100=110 DI=0 DT=10 TL=SL-DT-(NL-DI)=60dB, 20lgR+αR=602 声呐B 工作距离远，因为它的工作频率较低，海水吸收小，所以作用距离较远。
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。
321x x x +=()H a C H C S 11)(+= ()()1111z a C z C s +=11111cos z a H a H ++=α HH a H z ααcos cos 122++= ()2211Htg z H x α−= ()2222H tg H z x α−= ()2212Htg z z x −=zz 2C4 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。
《水声学》习题作业-射线声学理论
一、简答题1.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。
2.水平分层介质中的“程函方程”如何表示？若海水中的声速分布如下图，试画出几条典型声线轨迹示意图。
3.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。
4.水平分层介质中已知某条声线的起始掠射角为0，起点处介质声速为0c ，海水介质的声速梯度为大于零的常数g 。
试证该声线轨迹为半径g c R 0 的一段圆弧。
5.海水中声速从海面的1500m/s 均匀地减小到100m 深处的1450m/s 。
求：（1）声速梯度；（2）从海面水平出射的声线传播到100m 深处时，声线传播的水平距离是多少？（3）上述声线到达100m 深处时的掠射角为多少？6.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0c 。
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()2102g d c r =。
7.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0c ，声源深度为d 。
试求恰巧在海面反转的声线的出射角（与水平面之夹角）？8.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。
9.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 。
驱逐舰上声纳换能器的深度为10m ，当换能器的俯角为4.5o 时，发现水平距离1000m 处的潜艇，问潜艇的深度为多少？10.一艘潜艇位于180m 深处，该处声速为1500m/s ，海水中声速梯度为0.1/s 。
它的声纳换能器的仰角为10o 时探测到一艘水面船只。
问水面船只离潜艇的水平距离是多少？11.聚集因子F 是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个F>1的场合。
工程水声学原理
1.1海洋中为什么使用声？答：在人们迄今所熟知的各种能量形式中，在水中以声波的传播性能最好。
无论是光波还是电磁波，他们在水中的传播衰减都非常大，因而在海水中的传播距离十分有限，远不能满足人类海洋活动的需要。
1.2声波在水中得以应用的根本？ 答：R=ct ，它能将距离与时间进行互换。
1.3海洋中声传播的特点、规律、研究方法。
答：突出特点：由于海洋环境非常复杂，海洋中的声传播非常复杂。
规律：短距离，三维传播，球面扩展，海洋环境的影响较小，采用确定性研究方法；长距离上，二维传播，柱面扩展，海洋环境影响很大应优先考虑，用统计方法研究。
1.4水声学主要研究课题？答：主要研究携有某种信息的声波在水中的产生、传播和接收。
水声物理研究声波在海水中的传播规律，水声工程研究声波的产生和接收，包括水声系统设计和水声技术两部分。
2.1一维线性波动方程及其一般形式与含义答：一维线性波动方程2222210p p xc t∂∂∂∂-=，一般形式为222210p c tp ∂∂∇-=，其含义是将声波随空间的变化与声波随时间的变化联系起来。
2.2何为简谐波，谐波解？答：随时间t 作正弦或余弦规律的运动，一般称为简谐振动，产生的波是简谐波。
谐波解为()(,)j t kx p t x e ω-=。
2.3 Helmholtz 方程：22()()0p x k p x ∇+=。
2.4自由空间中的声：()(,)j t kx a p t x p e ω-= 质点振速：()(,)j t kx a u t x u e ω-= ， 00ap a c u ρ=；声阻抗率：p uZ =，特征阻抗：00c ρ声强：200111220a Tp a a Tc I pudt p u ρ===⎰；声功率：2004ap c W IdS πρ==⎰2.5声压与声强的对数表示 声压级：20lg refp p SPL = dB re p ref =1μP a声强级：10lgrefI I SIL = dB re I ref =6.76×10-19W/m 2 。
《水声学》习题作业-波动声学基础
一、简答题1.理想流体介质中小振幅波所满足的波动方程可根据哪些方程导出?2.波动方程的定解条件有哪些？3.均匀浅海声道中的简正波是如何形成的？说明简正波的特性。
4.何谓简正波的相速度、群速度？硬底均匀浅海中简正波的相速度、群速度有何特征？5.何谓波导的截止频率？6.判断正误并解释命题：浅海波导中，声波的频率越低，其传播距离就一定越远。
一、简答题答案1.答：根据质量守恒定律、牛顿第二定律和绝热压缩定律，理想流体介质中小振幅波所满足的波动方程可根据连续性方程、运动方程和状态方程导出。
2.答：满足物理问题的具体条件称为定解条件。
波动方程的定解条件有边界条件、辐射条件、奇性条件和初始条件。
其中边界条件包含绝对软边界条件、绝对硬边界条件、混合边界条件、边界上声压和振速连续边界条件。
3.答：简正波的形成原因：与z轴夹角满足特定关系的上行波和下行波的迭加形成某一阶次的简正波。
简正波在垂直方向为驻波、水平方向为行波，每阶简正波有各自的简正频率，简正波的相速度与阶次有关，不同阶次的简正波其相速度不同，称为频散。
4.答：等相位面的传播速度称为相速度，波形包络的传播速度称为群速度。
简正波的相速度、群速度与声波频率有关。
随着频率的升高，相速度逐渐减小群速度逐渐增大，最终趋近于介质的声速。
相速度和群速度的乘积为常数。
5.答：最低阶简正波的临界频率即为波导的截止频率。
当声波频率低于波导的截止频率时，波导中各阶简正波都为衰减的简正波，声波不能远距离传播。
6.答：命题不正确。
对相同的声源，频率越高，介质的吸收衰减越大，因此传播距离就越近。
频率降低，吸收损失减小，传播距离变远。
但是当声波频率低于波导的截止频率时，介质中不存在传播的简正波，它们都随水平距离的增大指数衰减，因此频率低于一定值后，传播距离反而变近。
《水声学》课程配套习题参考答案
《水声学》部分习题参考答案绪论1什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？2请写出主动声纳方程和被动声纳方程？在声纳方程中各项参数的物理意义是什么？3在组合声纳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声纳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？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，r R<r n，所以混响是主要干扰。
声信号级噪声掩蔽级R6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。
解：工作中的主动声呐受到的干扰是：海洋环境噪声、海洋混响和自噪声，若工作频率为1000Hz，干扰来自：风成噪声、海底混响、螺旋桨引起的自噪声及水动力噪声。
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） 解：对于受混响干扰的主动声呐，提高声源级并不能增加作用距离，因为此时信混比并不改变。
在声呐发射声功率增加一倍，其余条件不变的情况下，作用距离变为原距离的42倍，即R R 412=。
8 在被动声纳方程中使用了接收方向行指数DI ，由此讨论被动声纳方程对噪声的适用条件。
第一章 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。
解：发生全反射的条件是：掠时角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。
发生全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。
2 给定水下声压p 为Pa μ100，那么声强I 是多大，与参考声强r I 比较，以分贝表示的声强级是多少？3 发射换能器发射40kW 的声功率，且方向性指数t DI 为15dB ，其声源级SL 为多少？第二章 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。
西北工业大学水声学原理作业4答案
1、①求出z 0、z 1、z 2深度的声速c 0、c 1、c 2z 0深度的声速c 0：c 0=c S (1+az 0)z 1深度的声速c 1：c 1=c S (1+az 1)z 2深度的声速c 2：c 2=c S (1+az 2)②求出z 1和z 2深度掠射角α1和α2根据Snell 定律有cosα1c 1=cos0°c 0=cosα2c 2联立上式可得cosα1=c 1c 0=1+az 11+az 0 cosα2=c 2c 0=1+az 21+az 0③分别求出两段水平距离x 1和x 2由几何知识可得 cosα1=R −(z 1−z 0)R且x 12=√R 2−[R −(z 1−z 0)]2 其中R 为弓形半径。
联立上式并整理，可得x 1=2(z 1−z 0)√1+cosα11−cosα1=2(z 1−z 0)tan α12由于声速梯度恒定，第二段弓形半径仍为R ，所以由几何知识得x 2=R −Rcos2α1=2(z 1−z 0)sin 2α11−cosα1=2(z 1−z 0)(1+cosα1) ④综上，水平距离x =2(z 1−z 0)(1+cot α12+cosα1) 其中α1=arccos 1+az01+az 1。
2、①求H 深度声速c H 和z 0深度声速c 0c H =c S (1+a 1H)c 0=c H [1+a 1(z 0−H )]=c S (1+a 1H)[1+a 2(z 0−H )]②求H 深度掠射角αH 和海面掠射角αS根据Snell 定律有cosα0c 0=cosαH c H =cosαS c S将①中两式代入整理可得cosαH =c H c 0cosα0=cosα01+a 1(z 0−H ) cosαS =c S c 0cosα0=cosα0(1+a 1H)[1+a 2(z 0−H )]③分别求两段水平距离x 1和x 2 由几何知识可得第一段弓形圆心角θH =αH −α0第二段弓形圆心角θS =αS −αH且有cosθH =R H −(z 0−H)R HcosθS =R S −H R S其中R 1、R 2分别为两段弓形的半径。
水声学原理考试试卷及参考答案.doc
考试科目《水声学原理》考试时间100分钟考试形式 开卷班级姓名学号 题号12345678910总得分 阅卷人得分试题说明：本试卷共10道题，每题10分，满分100分。
请将答案写在答题纸上，考试完毕后请将试卷和答题纸一并交回。
1. （10分）声纳冇哪两种工作方式？试分别画出这两种方式的信息流程图。
2. （10分）增加主动声纳的发射功率，能否提高其作用距离，为什么？如能提高，若其他条 件不变，发射功率增大一倍，试问声纳作用距离如何变化？3. （10分）试両出典型的海洋声速分布图，丼说明表面声道和深海声道的形成原因。
4. （10分）若海水屮的声速分布如下阁，试M 出几条典型声线轨迹图。
5. （10分）声速分布如卜*左图所示，己知//，z 0, G ,的和％求义。
6. （10分）一只声呐换能器的声源级为120dBo 问从一个距离为1000m ，半社为40m 的球 形物体上返回的回波信号强度是多少？7. （10分）简述实验测量水K 物体目标强度（TS 值）的“应答器法”，给出有关计算式，测 暈中应注意哪些问题才能保证测景的准确？8. （1（）分）已知水而船作匀速H 线运动，船底的换能器以夹角汐h'd 海底发射声波，频率为人， 收得海底回声信号的频率为人，求该船的航行速度V 。
9. （10分）根据混响场特性不同，混响分为哪儿类？它们各自产生的混响源是什么？试写出 这儿类混响的等效T •面波混响级的理论公式。
十水而10.(10分)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肖噪声？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。
标准符案：1.答：声纳按照工作方式可以分为两类，主动声纳和被动声纳。
它们的信息流程阁分别为：(1)主动声纳：(2)被动声纳:2.答：(1)能否提卨作用距离要看何种背景干扰起主要作用。
如果背景干扰以环境噪声为主，则可提高作用距离，若竹景干扰以混响为主，则不能提高作用距离。
水声学习题解答(参考)
) u A j (t kx ) u A j (t kx 2 ， e Biblioteka e j juA
6.8 108 1.08 1011 (m) ； 2 103
1 1 p 2 (t ) 1 2 p 2 (t ) 0u 2 (t ) u ( t ) 0 2 2 0c 2 2 02 c 2
2 1 pA (20) 2 2.8 103 ( J / m3 ) 2 0 c 2 416 344
如果要使 u A 344(m / s) ，则 pA c u A 416 344 1.43 105 ( Pa) ； 声压有效值 pe
1 pA 1.012 105 ( Pa) ； 2
I I ref
；
另一方面： I
c
I
；
2 peff
于是： IL 10 log
I ref
10 log
p
2 ref
20 log
peff pref
SPL
4. 在信号+噪声场中进行信号测量，已知信号与噪声互不相关，信号声压级为 SPL， 测得总声压级为 SNL，二者的声压级之差为∆LS =SNL-SPL(dB)。问总声压级与噪 声声压级之差∆LN =SNL-NL 为多少？
pe 1.012 105 20log 194 (dB) pref 2 105
相应的声压级 SPL 20log
6. 半径 ra=5× 10-2m 的脉动球形声源以工作频率 f0=5kHz 向水中辐射均匀球面波(对
3
于水： c 1.5 106 (kg / m2 s) )，设声源表面质点振速幅值 U a 2 102 (m / s) 。 问此声源在距其声学中心 r=20m 处产生的声压级 SPL 和声源的辐射声功率 Wa 各为多少？ 解： 声源辐射均匀球面波的声压表式为 p(r , t ) 为 u (r , t )
《水声学》习题作业-目标强度
一、简答题1.什么是目标强度？请写出刚性球体（ka>>1）目标强度TS值的表达式。
2.潜艇目标强度随方位变化有哪些特点？请分析影响潜艇目标强度的因素有哪些？3.测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系并解释其原因。
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值的表达式。
5.一只工作在50kHz频率的换能器的声源级为140dB。
用该换能器探测1000m处半径为40m的刚性球形物体，问该物体的回声信号强度是多少？6.在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度为TS0的目标在入射声波照射下产生的回声信号强度为Ir0，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得其回声信号强度为Ir，求该目标的TS 值。
收发合置换能器7.一般情况下，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.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；（R2>>d2/λ；d：被测物体最大线度；λ：声波波长）。
接收器接收的点声源辐射声压幅值为P i ，接收的被测物体散射声压幅值为P s ；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？一、简答题答案1.答：离目标声学中心1米处的回声强度与入射声强比值的分贝数称为目标强度，即1log 10==r ir I I TS 。
当ka>>1时，刚性球体目标强度TS 值的表达式为4log102a TS =2.答：潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图形。
正横方向上，目标强度值最大，达25dB ，由艇壳的镜反射引起；艇首和艇尾方向，目标强度最小，约10～15dB ，由艇壳和尾流的遮蔽效应引起；艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出1~3dB ，估计由舱室结构的内反射产生。
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《水声学原理》课程考试题（A卷）
一、填空题（15%）
1. 声阻抗率是单位表面（或体积）产生单位质点振速所需要的。
2. 潜艇的目标强度随角度的变化规律呈形状。
3. 用ka描述高、低频近似，k为波数，a为空间尺度，高频近似和低频近似分别可以表示为和。
4. 根据辐射噪声产生的来源不同，辐射噪声可分为、和三类。
5. 气泡可称作空气弹簧，是因为其和弹簧一致。
6. 目标强度可能为正的物理原因是。
7. 表面声道中，跨度较大的声线平均水平传播速度较。
8. 复数声反射系数的模表示反射声波与入射声波的之比，幅角表示反射声波与入射声波的之差。
二、简答题（35%）
1. 简述复阻抗率的物理意义。
（7%）
2. 利用简正波表示，简要解释相干能量和非相干能量。
（7%）
3. 利用刚性小球的散射理论，简要解释晴朗天空呈蓝色、早晚天空呈红色的现象。
（7%）
4. 利用散射场可以视作二次辐射计算的方法，简要叙述计算海水中气泡散射声场的步骤。
（14%）
三、证明题（20%）
气泡内的气体是理想气体，气泡振动时声辐射过程是绝热过程，证明：气泡振动的恢复力和弹簧恢复力形式一致。
四、计算题（30%）
1. 一单频小球源以10瓦的功率向自由空间辐射频率为1000Hz的简谐球面波，求离开声源中心2米处的声压幅值、质点径向速度（振速）幅值和声强。
（15%）
2. 均匀硬底浅海中，海水中声速为1500m/s，海深为100米。
求频率为1.5kHz 时第一号简正波的水平波数。
（15%）
《水声学原理》课程考试题（A 卷参考答案）
一、填空
1. 声压。
2. 蝴蝶。
3. 1 ,1<<>>ka ka 。
4. 机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。
5. 恢复力形式。
6. 散射截面大。
7. 快。
8. 振幅、相位。
二、简答
1. 要点：⑴ 从定义看，声阻抗是复数表示声压与质点振速相位不一致。
这使得介质中的声强（损耗在介质中的声强）小于平面波声强，这部分损耗声强对应着声阻抗的实部。
⑵由于声压与质点振速相位不一致，引起了声强转变为其它形式的能量（功率）。
2. 要点： ⑴ 各号简正波的能量为非相干能量。
⑵ 不同号数简正波之间的耦合能量为相干能量。
3. 要点：⑴ 说明刚性小球散射能量正比于频率4次方。
⑵说明晴天小颗粒散射起主要作用，天空呈蓝色。
⑶ 说明早晚天空水蒸气多，高频吸收强，因此低频散射占优势，天空呈红色。
4. 要点：⑴ 利用波动方程求解散射场的通解。
⑵把入射波利用勒让德函数展开。
⑶ 由边界条件确定散射场中的待定系数，并最终确定散射场。
三、证明：
气泡内气体满足绝热状态方程：.const PV =γ 微分得：0
0V dV P dP p γ-==。
而：ξ0s dV =，所以，00
00/s k V s P p ξξγ-=-
=,其中，0
2
0V s P k γ=。
而恢复力ξk ps F -==0和弹簧恢复力形式一致。
得证。
四、计算题 1. 解：
单频小球源辐射声场为球面波：声压)(kr t j e r A p -=
ω，质点振速r
p j u ∂∂=ωρ0。
计算得声强：⎰
==T
r c A dt u p T I 2
002
2]Re[]Re[1
ρ。
由题意知：小球辐射功率为10240
02
=⋅c A
ρπ（瓦）
所以：
1）离球中心2米处声强为π
ρ8522
2002==
r r
c A
I 。
2）声压振幅 π
ρ45002
c r
A p r a =
=
=。
3） 质点振速 π
ρρρ0
00
00
05212c c c A u a =
≈。
2. 解：
πππ21500150022=⋅==
c f k ，200
21π
π==H k z ，水平波数：πξ22121≈-=z k k 。
《水声学原理》课程考试题（B卷）
一、填空题（15%）
1. 深海声道中，初始掠角较大的声线跨度。
2. 刚性大球的目标强度是。
3. 复数声反射系数的模表示反射声波与入射声波的之比，幅角表示反射声波与入射声波的之差。
4. 海洋混响可分为、和三类。
5. 潜艇目标特性可形象地用形描述。
6. 影响海水中声速变化的三个主要因素是、和。
7. 舰艇辐射噪声由、和三部分构成。
8. 用ka描述高、低频近似，k为波数，a为空间尺度，高频近似和低频近似分别可以表示为和。
二、简答题（35%）
1. 简要解释非均匀平面波现象。
（7%）
2. 简要解释汇聚区现象。
（7%）
3. 简要解释表面声道中接收脉冲信号时上升时间拉长的原因。
（7%）
4. 利用散射场可以视作二次辐射计算的方法，简要叙述计算海水中气泡散射声场的步骤。
（14%）
三、证明题（20%）
证明：在线性分层介质中，声线的轨迹是圆弧。
四、计算题（30%）
1. 一单频小球源以10瓦的功率向自由空间辐射频率为1000Hz的简谐球面波，求离开声源中心2米处的声压幅值、质点径向速度（振速）幅值和声强。
（15%）
2. 已知均匀硬底浅海声场简正波波数的垂直分量为H
-
=，海深H=90
(π
)5.0
k zn/
n
米，声速c=1500米/秒，求产生简正波的截止频率。
（15%）
《水声学原理》课程考试题（A 卷参考答案）
一、
填空
1. 大。
2. 4
log 102
a TS =,a 为半径。
3. 振幅、相位。
4. 体积混响、海面混响和海
底混响。
5. 蝴蝶。
6. 温度、盐度和密度。
7.机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声。
8. 1 ,1<<>>ka ka 。
二、简答
1. 平面波由第一介质入射到第二介质，当入射角大于全反射角时，发生非均匀平面波现象。
非均匀平面波现象是：在第二介质界面处有沿界面平行方向传播的平面波，声压幅值随深度增加而减小。
2. 汇聚区现象在声传播过程中部分声能量重新汇聚的现象。
用射线方法解释是不同声线的焦散区；用简正波方法解释是多号简正波同相叠加。
总之，汇聚区现象中传播能量超出通常传播的部分起因于干涉。
3. 表面声道中，不同初始掠角的声线传播速度不同，因此到达接收点的时间不同，引起接收脉冲信号时上升时间拉长。
4. 要点：⑴ 利用波动方程求解散射场的通解。
⑵把入射波利用勒让德函数展开。
⑶ 由边界条件确定散射场中的待定系数，并最终确定散射场。
三、证明题 证明：
线性分层介质：)1()(0az c z c +=（1）。
在某一薄层内有αtg dz dx /=，积分得⎰
=z
dz tg x 0
1
α
（2） 将（1）带入（2）并计算、整理得：20
220)cos 1
()1()(ααa a z a tg x =++-。
这是一个圆的方程。
因此，声线轨迹是圆弧。
证毕。
四、计算题 1. 解：
单频小球源辐射声场为球面波：声压)(kr t j e r A p -=
ω，质点振速r
p
j u ∂∂=ωρ0。
计算得声强：⎰
==T
r c A dt u p T I 2
002
2]Re[]Re[1
ρ。
由题意知：小球辐射功率为10240
02
=⋅c A
ρπ（瓦）
所以：
4）离球中心2米处声强为π
ρ8522
2002==
r r
c A
I 。
5）声压振幅 π
ρ45002
c r
A p r a =
=
=。
6）质点振速 π
ρρρ0
00
00
05212c c c A u a =
≈。
2. 解：
截止频率为至少产生一号简正波的频率。
由题意知H
k z 21π
=。
而c
f k π2=
，且k k z ≤1。
所以，截止频率为
Hz H c f 17.490
*415004≈==。