水声学理论习题答案

《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

声信号级

噪声掩蔽级

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。

C

C

C

z

2 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。

解：声波传播时强度衰减原因：声波在传播过程中，波阵面逐渐扩展；海水介质

的吸收和海水介质中不均匀性的散射。物理衰减是指声波的机械能转变成其它形式的能量引起的声波衰减。几何衰减是指声波传播中波阵面扩张引起声强减少。海洋中传播损失表达式为：R

=lg，前一项为几何衰减，

+

TLα

n

R

后一项为物理衰减。

=lg

20开阔水域适用

+

R

TLα

R

=lg

10表面声道和深海声道中适用

+

TLα

R

R

=lg

+

15计及海底吸收时浅海均匀声道适用

TLα

R

R

=lg

40偶极子声源远场适用

+

R

R

TLα

7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。

解：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。

8略

9声波在海洋中传播时，其声强会逐渐衰减，说明原因。列举三种常用传播损失表达式，并说明适用条件。

解：声波传播时强度衰减的原因：声波传播过程中，波阵面逐渐扩展；海水介质的吸收和海水介质中不均匀性的散射。

TL=20lgR+αR 开阔水域适用

TL=10lgR+αR 表面波道和深海声道中适用

TL=15lgR+αR 适用计及海底吸收时的浅海均匀声道

TL=40lgR+αR 适用偶极声源远场

10略

11略

第三章海洋中的声传播理论

1略

2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。

解：射线声学是波动声学的高频近似，适用高频条件和介质不均匀性缓慢变化的情况，但它不适用影区，焦散线。柱面声波的声线垂直于柱的侧面，球面声波的

声线垂直于球面。

3 水平分层介质中的“程函方程”表示如何？若海水中的声速分布如下图，试画出几条典型声线轨迹图。

解：（1）波动方程：022=+∇p k p

声压解的形式：()()()z y x ik e z y x A z y x p ,,0,,,,ϕ-= 其中，()z y x n k k ,,0= 程函：()z y x ,,ϕ

在12<<∇A A 条件下，可得

程函方程：()()()z y x n z y x ,,,,22

=∇ϕ

强度方程：()02

2=∇⋅∇+∇=∇⋅∇ϕϕϕA A

A

（2）适用条件：介质中声速（或折射率n ）在波长范围内相对变化很小；声

波强度在波长范围内变化很小。一般射线声学适合高频远场。 （3）水平分层介质中，程函方程可表述为Snell 定律，即在同一条声线不同

位置的水平出射角度()z α与该点的声速()z c 由关系：()()z c z αcos ＝常数。

（4）典型声线轨迹图

4 略

5 略

6 海水中声速值从海面的1500m/s 均匀减小到100m 深处的1450m/s 。求（1）速度梯度；（2）使海表面的水平声线达到100m 深处时所需要的水平距离；（3）