水声学原理课堂习题2(附答案)

1 波动方程的定解条件有哪些？

2 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。

解：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。简正波在垂直方向是与驻波、水平方向是行波，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等，称为频散。

3 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f 0，收得海底回声信号的频率为f r ，求该船的航行速度v 。 解：考虑多卜勒效应，回声信号频率⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=c V f f r θcos 210 ()θc o s 200f C f f V r

⋅-=

4 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。

解：（1）舰船噪声对声呐作用有两种：一个作为它舰被动声呐探测目标的声源，另一个作为本舰声呐的干扰。这表现在声呐方程中：前者为被动声呐方程的声源级（SL ），后者表现为干扰噪声（NL ）的一部分。并且舰船辐射噪声和舰船自噪声的性质也不同。因而舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声。

（2）舰船辐射噪声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种。

（3）舰船噪声的谱特性：连续谱上迭加线谱。

5 开阔水域中扫雷舰拖拽一宽带噪声源、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）。

解：被动声呐方程SL-TL-(NL-DI)=DT

SL=160+10lg(300-200)=180dB NL=90+10lg100=110 DI=0 DT=10 TL=SL-DT-(NL-DI)=60dB, 20lgR+αR=60

6 对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水动力噪声。

解：降低水动力噪声，工程上常采用：（1）将换能器封闭在导流罩内；（2）将换能器安装在舰艏滞流点处；（3）适当增加换能器表面积；（4）在换能器表面喷注聚合物液体。

7 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：

500Hz~2000Hz ；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=Hz Pa 1/μ）；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。

解：（1）信号级：SL －TL ，其中SL=10lg(I/I ref )；I=I 1+I 2

()ref f I df f S I 14011051⨯==⎰∆，()()ref f I df F F f S I 142

0021052

⨯==⎰∆ ()()()dB I I I I I SL ref

ref

ref ref 150105105lg 10lg 101414=⨯+⨯==∴ （2）干扰级：NL －DI 其中：()()dB f NL NL 8.1015002000lg 1070lg 100=-+=+=∆

()dB DI 04lg 10==ψπ

（3）被动声呐方程：()()DT DI NL TL SL =---，其中：()R TL lg 20=；dB DT 6=。

有：()68.101lg 20150=--R ；()2.42lg 20=R ；m R 8.128=∴。

（4）为提高探测距离，应改进声呐的设备参数：降低检测阈DT ；减小接收束宽；选择工作带宽和频段使SL-NL 值尽量大；对于此题，声呐工作频段左移，可提高声呐探测距离。

8 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1V 变为2V 时，噪声强度增加多少分贝。

解：螺旋桨噪声由空化及唱音构成。螺旋桨旋转时，当速度达到一定值时，在叶尖和叶片表面上形成负压而产生气泡，这些小气泡破裂时发出的嘶嘶声就是螺旋桨空化噪声，它与航速、航深及频率的关系见上左图。螺旋桨噪声只有在航速达到或超过临界航速才产生。见上右图，空化噪声是连续谱。唱音是由于叶片周期性切割海水而产生的，它的频谱是线谱。当速度由V 变为2V 时，噪声强度增加dB 92lg 103≅。

9 给出海洋常用测量仪器“ADCP ”的全称

10考虑一水层声速c=c0、水深z=H的均匀水层，z=0为一自由平整的海表面，z=H为一完全硬质（绝对硬）海底。

点声源位于r=0、z=z0处，接收点位于（r、z）处。试用简正波理论给出其声场解的推导过程。