《水聲學》課程配套習題參考答案

水聲學原理水聲學部分習題參考答案緒論1 略2 略3 略4 略5 環(huán)境噪聲和海洋混響都是主動聲吶的干擾，在實際工作中如何確定哪種干擾是主要的？解：根據(jù)水文條件及聲吶使用場合，畫出回聲信號級、混響掩蔽級和噪聲掩蔽級隨距離變化的曲線，如下圖，然后由回聲信號曲線與混響掩蔽級、噪聲掩蔽級曲線的交點所對應的距離來確定混響是主要干擾，還是噪聲為主要干擾，如下圖，rR1的場合。解：聚集因子，其中I是非均勻介質(zhì)中的聲強，I0是按球面波衰減的聲強，若，表示該處衰減小于球面波規(guī)律，反之，則表示該處衰減大于球面波規(guī)律。會聚區(qū)中和焦散線上F1。第四章 典型傳播條件下的聲場1 鄰近海面的水下點源聲場中的聲壓振幅隨距離變化具有哪些規(guī)律？2 表面聲道的混合層中的聲線傳播具有那些特點？3 什么是反轉(zhuǎn)深度？什么是臨界聲線和跨度？4 什么是會聚區(qū)和聲影區(qū)？二者之間聲強大小如何？會聚增益是如何定義的？若用波動理論應如何解釋會聚現(xiàn)象？5 淺海和深海是如何定義的？6 畫出表面聲道聲速分布，應用射線理論解說聲波在表面波道中遠距離傳播的原因。解：下左圖為表面聲道中的聲速分布，表面聲道中，以小于臨界角發(fā)出的聲線在聲道的某個深度上翻轉(zhuǎn)向海面?zhèn)鞑ィ龊Ｃ嬗纸?jīng)海面反射向下傳播，如是重復以上過程而得以遠距離傳播。7 分別說明或畫圖表示表面波道中聲強沿深度和水平方向的分布規(guī)律。解：在表面波道中，聲強沿水平方向隨距離的次方衰減。聲強沿深度的分布如下右圖所示。8 天氣晴好，同一臺聲吶在早晨的作用距離遠還是下午的作用距離遠，為什么？解：早晨時聲吶作用距離遠，因為此時可能存在表面聲道，而下午一般不會形成表面聲道。即使不出現(xiàn)表面聲道時，早晨的負梯度也小于下午的負梯度，所以早晨的作用距離遠于下午，這就是下午效應。9 畫出深海聲道聲速分布，應用射線理論說明聲波在深海聲道中遠距離傳播的原因。解：深海聲道聲速分布如下左圖所示，由于折射的原因，聲線在聲道軸上、下不斷翻轉(zhuǎn)，如是重復，聲能被限制在聲道中，并遠距離傳播。10 試推導出以角跨過聲道軸線的聲線的平均水平聲速度的表達式。11 聲速分布如下左圖，聲源位于深度H處，以出射的聲線在深度上翻轉(zhuǎn)，已知，求水平距離x。（）解： 12 如下圖，點聲源位于海面下d1處，它的工作頻率f，輻射聲壓為，接收換能器位于海面下d2處，與聲源間的水平距離x，求接收點的聲壓。解：接收點的聲場是直達聲和海面反射聲之和。直達聲 ；海面反射聲 是初始相位 C一介質(zhì)中的聲速接收點聲場 13 聲速分布下左圖，聲源位于處，以出射的聲線在深度處翻轉(zhuǎn)。已知和，求水平距離x。解： 14 聲速分布如下左圖所示，已知H，z0，cs，a1，a2和求。解： 15 比較表面聲道與深海聲道聲傳播特性之異同。解：相同點：（1）都能遠距離傳播；（2）衰減規(guī)律基本為柱面規(guī)律不同點：（1）深海聲道有會聚區(qū)，聲面波道則沒有；（2）從機理上講，深海聲道傳播遠是由于聲線在聲道軸上、下的翻轉(zhuǎn)，得以遠距離傳播，而表面波道是介質(zhì)的折射和海面的反射才遠距離傳播；（3）表面波道有截止頻率，而深海聲道則無截止頻率限制。16 均勻淺海聲道中的簡正波是如何形成的？說明簡正波的特性。解：簡正波的形成原因：與z軸夾角滿足特定關(guān)系的上行波和下行波的迭加形成某一階次的簡正波。簡正波在垂直方向是與駐波、水平方向是行波，每階簡正波有各自的簡正頻率，簡正波的相速度與階次有關(guān)，不同階次的簡正波其相速度不等，稱為頻散。第五章 聲波在目標上的反射和散射1 什么是目標強度？請寫出剛性球體（ka1）目標強度的表達式。2 潛艇目標散射強度隨方位變化有哪些特點？請分析影響潛艇的目標強度值的因素有哪些？3 測量柱形目標的TS值時，發(fā)現(xiàn)TS值隨測量距離而變，說明這種變化關(guān)系及其原因。解：與測量距離關(guān)系：隨著距離變大，TS值逐漸變大，距離大到某個值后，TS值不再隨距離而變大。原因：（1）聲吶換能器指向性原因，近距離上，入射聲沒有照射到目標全部，因而對回波有貢獻的表面小，回波弱，隨著距離變大，入射照射的面積變大，對回聲有貢獻的表面也變大，因而TS值也大，距離大到某個值時，整個目標都被入射聲照射后，TS值不再隨測量距離而變；（2）回聲信號在近場與距離的一次方成反比，在遠場與距離的二次方成反比，而歸算至目標聲中心1米處時都按球面規(guī)律歸算，其后果必然導致遠場測量結(jié)果大于近場。4 在高頻遠場條件下，簡單地用能量守恒關(guān)系推出半徑為a的剛性球目標強度TS值表達式。解：入射到球面上的聲功率：在散射場遠場，如果為均勻球面場，則半徑為r球面上散射聲功率：根據(jù)能量守恒，有：，根據(jù)定義：5 一只工作在50kHz頻率的聲吶換能器具有140dB聲源強度。問從一個距離為1000m，半徑為40m的球形物體上返回的回波信號強度是多少？解：由聲納方程可知，回聲信號強度為EL=SL-2TL+TS又 TL= TS=所以 EL=120-2+=46dB6 在非消聲水池中測量目標回聲信號時，應注意些什么？設目標強度TS0的目標在入射聲波照射下產(chǎn)生的回聲強度為Ir0，若其余條件不變，將目標強度未知的目標替代原目標，測得回波強度為Ir，求該目標的TS值。解：在非消聲水池中測量目標回聲信號，應保證：測量在遠場、自由場中進行，并應是穩(wěn)態(tài)信號。 7 一般，在實驗室水池中測量水下目標的目標強度的方法有哪些？實驗過程中應注意哪些事項？8 簡述實驗測量水下物體目標強度（TS值）的“應答器法”，給出有關(guān)計算式，測量中應注意哪些問題才能保證測量的準確？若直接測量法布置為：在開闊水域，點聲源輻射器，無指向性接收器和被測物體依次排列，間距分別為R1，R2；（R2d2/；d：被測物體最大線度；：聲波波長）。接收器接收的點聲源輻射聲壓幅值為Pi，接收的被測物體散射聲壓幅值為Ps；問：被測物體的目標強度（TS值）如何計算？（聲波球面擴展，不計海水聲吸收）解：“直接測量法”測量水下目標強度（其它略）：布置如下圖。R1R2發(fā)射換能器 接收水聽器 待測目標（1） 輻射聲壓幅值：接收器接收的聲壓幅值：待測目標的入射聲壓為：接收器接收目標散射聲壓幅值：目標強度計算公式：（2） 實驗注意事項：a. 接收水聽器和待測目標置于發(fā)射換能器的遠場區(qū)；b. 接收水聽器置于待測努表散射聲場的遠場區(qū)；c. .發(fā)射聲信號的脈沖長度：，L為目標長度。9 寫出目標回聲信號級表達式；目標回聲信號是如何產(chǎn)生的，它有哪些特性，并簡述其產(chǎn)生的原因？解：目標回聲信號級EL=SL-2TL+TS目標回聲信號是入射聲與目標互相作用后產(chǎn)生的，它由鏡反射波，目標上不規(guī)則處的散射波，目標的再輻射波等組成，回聲信號的一般特性有：回聲信號的脈寬一般比入射信號寬；與入射信號相比，有多卜勒頻偏；回聲信號波形一般有較大的畸變等。10 比較彈性目標和剛性目標回波信號的異同，并說明形成差異的原因。解：回聲信號的相同點：脈沖展寬，多卜勒頻偏，波形畸變等回聲信號的不同點：彈性目標回聲信號隨頻率作劇烈振蕩，其原因是在入射波的激勵下，目標的某些固有振動模態(tài)被激勵，這些振動的輻射波是回聲信號的組成部分，它們和鏡反射波、不規(guī)則處的散射波等分量的迭加得到總的回聲信號，而這種相干迭加是和頻率有關(guān)的，因而回聲信號隨頻率而變。11 在短脈沖入射時，如何判斷殼體目標回波脈沖串中由殼面的鏡面引起的回波脈沖？12 已知水面船作勻速直線運動，船底的換能器以夾角向海底發(fā)射聲波，頻率為f0，收得海底回聲信號的頻率為fr，求該船的航行速度v。解：考慮多卜勒效應，回聲信號頻率 13 柱形水雷長2m，半徑為0.5m，端部為半球形。垂直入射時，水雷及其端部的目標強度表達式是什么？給定聲波頻率分別為10kHz和100kHz，計算目標強度。解：已知圓柱物體的目標強度公式為TS=在10kHz時，TS=dB在100kHz時，TS=dB已知球形目標的目標強度公式為TS=，對于大球，其目標強度不隨頻率變化，所以兩個頻率下，TS=-12dB第六章 海洋中的混響1 根據(jù)混響場特性不同，混響分為哪幾類？它們各自產(chǎn)生的混響源是什么？2 什么是散射強度？3 什么是等效平面波混響級，說明混響信號的特性。解：式中I0是參考聲強，I是平面波聲強。將聲吶換能器放入混響聲場中，聲軸指向目標，在混響的作用下，換能器輸出開路電壓V，再將聲強為I的平面波沿聲軸入射向換能器，如換能器的開路輸出電壓也等于V，則就用平面波聲強度量混響強度，稱RL為等效平面波混響級?；祉懯侵鲃勇晠忍赜械母蓴_，它是一個非平衡隨機量，隨時間衰減，它的瞬時值服從高斯分布，振幅服從瑞利分布。其頻率特性基本上與發(fā)射信號相同，在空間中不是均勻的。4 請寫出計算體積混響、海面混響和海底混響的等效平面波混響級理論公式？5 為什么說海洋體積混響源是海洋生物？海面混響和海底混響是如何形成的？解：海洋體積混響主要來自深水散射層。深水散射層具有晝夜遷徒規(guī)律，早晚較淺，接近海面，白晝較深；該層具有一定厚度；且有選頻特性，據(jù)此可以判定，該層是由海洋生物組成的，它們是體積混響的散射源。海面混響是由波浪海面不平整及海面附近的一層小氣泡對聲波的散射形成的，海底混響是海底的不平整及表面的粗糙度對聲波的散射形成的。6 海洋混響是如何形成的？它的強弱與哪些因素有關(guān)？解：海洋混響是由海洋中存在的大量不均勻性（如海底、海面的不平整，海面附近的氣泡，海底的粗糙度，海洋生物等）對入射聲波的散射波在接收點的迭加，混響首先與海水體積或海面、海底的散射強度有關(guān)，還與換能器等效聯(lián)合指向性、發(fā)射脈沖寬度和入射聲強度有關(guān)。7 請簡述海面散射強度隨掠射角、工作頻率和海面風速的變化規(guī)律？8 混響的瞬時值和振幅各服從什么分布規(guī)律？9 請簡述混響的空間相關(guān)特性？10 若海水的體積散射強度與空間位置無關(guān)為，聲吶的發(fā)射、接收指向性函數(shù)分別為和；發(fā)射聲源級SL；信號脈沖寬度。（1）簡述計算海洋混響的最簡單模型；（2）用此模型，推導出不均勻海水的體積混響等效平面波混響級的表達式。解：（1）計算混響的簡單模型：聲線直線傳播；不計海水聲吸收；散射體（面）單元均勻連續(xù)分布；每一散射體（面）單元散射聲波的發(fā)生和結(jié)束與入射到此單元上的入射聲波同時發(fā)生和結(jié)束；不計二次散射。（2）t時刻收發(fā)合置換能器接收的混響來自半徑為ct/2和c（t+）/2的球殼間散射體的散射，此區(qū)域記作V0。入射到體元dV的入射聲波聲強為：體元dV產(chǎn)生的散射波聲強為：dV產(chǎn)生的散射波聲強等效平面波聲強為：區(qū)域V0散射的總等效平面波聲強為：如果ct/2 c/2，則積分結(jié)果可近似為：定義：收發(fā)合置換能器的等效束寬為：則：等效平面波混響級為：RL=10lg(I/Iref)=SL-2TL+SV+10lg(V)其中：聲源級SL=10lg(I/Iref)；傳播損失TL=10lg(r2)；海水體積散射強度SV；等效散射體積V=。11 已知目標強度為TS的目標位于海底，探測聲吶與它之間的距離R，海底散射強度為Sb，探測聲吶聲源級SL，發(fā)射脈沖寬度，換能器等效聯(lián)合指向性，海水中聲速C，吸收系數(shù)，寫出接收信號信混比表達式。解：等效平面波混響級（1）回聲信號級EL=SL-2TL+TS=SL-40lgr-2r+TS（2）回聲信號信混比（3）信混比SR=-10lg4+25-10lg(15000.0044000.2/2)（4）減小發(fā)射脈沖寬度、應用高指向性換能器12 半徑a=0.5米的剛性球放置在海底，換能器離該球200米，換能器等效收發(fā)聯(lián)合指向性為0.2弧度，并測得單位面積海底反向散射聲強是入射聲強的1/1000，已知聲源級SL=200dB，信號脈沖寬度毫秒，求接收信號信混比。（lg3=0.48,c=1500m/s）解：信混比 13 用主動聲吶探測放置在海底，半徑為0.5米的剛性球；收發(fā)合置換能器距該球200米，收發(fā)合置換能器等效束寬為0.1弧度；查表知該處海底的散射強度為-20分貝；若信號脈沖寬度=5毫秒，求：接收信號的信混比。（海水中聲速C=1500m/s；聲波球面擴展，不計海水聲吸收）解：主動聲吶信號級：主動聲吶等效平面波海底混響級：信混比：14 同上題，若該聲吶發(fā)射聲源級190分貝；干擾噪聲為各向同性，其均勻噪聲譜級為70分貝，聲吶工作帶寬200Hz，接收器等效束寬為0.1弧度，求：接收信號的信噪比。并分別討論：為提高接收信號的信混比應如何改變聲吶系統(tǒng)的參數(shù)？為提高接收信號的信噪比應如何改變聲吶系統(tǒng)的參數(shù)？解：信號級：其中：，噪聲干擾級：其中：，信噪比：若提高信混比，需減小脈沖寬度和等效束寬。若提高信噪比，需增加聲源級和指向性指數(shù)，減小頻帶寬度。15 聲納系統(tǒng)的水平波束寬度為，發(fā)射寬度為100ms的脈沖。若反向散射強度為-40dB，那么在4000m處，混響目標強度TS是多少？在其兩倍的距離上TS又是多少？16 在收發(fā)分置聲吶中，接收的回波信號的強度與、成反比，這里和分別是目標到發(fā)射機和接收機的距離。假定目標運動使得，確定使回波信號強度最大的和之間的關(guān)系，同時假設目標強度是一常數(shù)。17 寫出（1）目標回聲信號級表達式；（2）海底混響的等效平面波混響級表達式。又已知：海底有一剛性球，半徑1m；收-發(fā)合置換能器，其指向性等效束寬弧度；收-發(fā)合置換能器距海底目標斜距400m；信號脈沖寬度；海底散射強度-25dB；（3）試求：接收信號的信混比。（4）為提高接收信號的信混比應如何改進聲吶的設備參數(shù)。（聲速：1500m/s；聲波球面波擴展；不計海水聲吸收）解：（1）（2）（3），。（4）若提高，需改進聲吶的設備參數(shù)：減小脈沖寬度和等效束寬。第七章 水下噪聲1 為何在水下噪聲研究中將艦船噪聲分為艦船輻射噪聲和艦船自噪聲？寫出艦船輻射噪聲的噪聲源，并說明它們的頻率特性及在輻射噪聲中起的作用。解：（1）艦船噪聲對聲吶作用有兩種：一個作為它艦被動聲吶探測目標的聲源，另一個作為本艦聲吶的干擾。這表現(xiàn)在聲吶方程中：前者為被動聲吶方程的聲源級（SL），后者表現(xiàn)為干擾噪聲（NL）的一部分。并且艦船輻射噪聲和艦船自噪聲的性質(zhì)也不同。因而艦船噪聲分為艦船輻射噪聲和艦船自噪聲。（2）艦船輻射噪聲源有：機械噪聲、螺旋槳噪聲和水動力噪聲三種。（3）艦船噪聲的譜特性：連續(xù)譜上迭加線譜。2 寫出（1）海洋環(huán)境噪聲源及其頻率特性；（2）海洋環(huán)境噪聲的空間指向特性和振幅分布特性。解：海洋環(huán)境噪聲源及其頻率特性：潮汐和波浪的海水靜壓力效應 1或2周日；遠處行船 50500Hz地震擾動 低于1Hz； 波浪噪聲 50025000Hz海洋湍流 110Hz； 分子熱噪聲 25000Hz海洋環(huán)境噪聲具有空間指向性，即遠處行船噪聲具有水平指向性，波浪噪聲則有垂直指向性。海洋環(huán)境噪聲的振幅分布是高斯型的，但如水聽器置于水面附近，則振幅分布比高斯分布尖。3 為什么說頻率50500Hz，50025000Hz的環(huán)境噪聲分別是航船噪聲和風成噪聲（海面波浪噪聲）解：實驗測量表明，在50500Hz頻段，海洋環(huán)境噪聲的譜比較平坦，與波浪的大小基本無關(guān)，且具有水平指向性，因此可以判定此頻段的噪聲主要來自遠處航船。在50025000Hz頻段，環(huán)境噪聲具有垂直指向性，且與海面波浪大小密切有關(guān)，因而波浪噪聲為此頻段的主要噪聲源。4 說明艦船機械噪聲的產(chǎn)生機理？它頻譜具有哪些特點？5 說明螺旋槳噪聲的形成機理及與航速，航深和頻率的關(guān)系。在低頻段，螺旋槳噪聲強度與頻率的3次方式正比，當速度由V變?yōu)?V時，噪聲強度增加多少分貝。解：螺旋槳噪聲由空化及唱音構(gòu)成。螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，當速度達到一定值時，在葉尖和葉片表面上形成負壓而產(chǎn)生氣泡，這些小氣泡破裂時發(fā)出的嘶嘶聲就是螺旋槳空化噪聲，它與航速、航深及頻率的關(guān)系見上左圖。螺旋槳噪聲只有在航速達到或超過臨界航速才產(chǎn)生。見上右圖，空化噪聲是連續(xù)譜。唱音是由于葉片周期性切割海水而產(chǎn)生的，它的頻譜是線譜。當速度由V變?yōu)?V時，噪聲強度增加。6 艦船水動力噪聲的產(chǎn)生機理？7 寫出艦船自噪聲的噪聲源，并說明它們在輻射噪聲中起的作用。8 對于艦船自噪聲來說，水動力噪聲具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水動力噪聲。解：降低水動力噪聲，工程上常采用：（1）將換能器封閉在導流罩內(nèi)；（2）將換能器安裝在艦艏滯流點處；（3）適當增加換能器表面積；（4）在換能器表面噴注聚合物液體。9 已知：甲船，其輻射噪聲譜密度級如右圖；乙船用被動聲吶探測甲船，該聲吶系統(tǒng)工作通帶為：500Hz2000Hz；全指向性接收器；能量檢測工作方式，當信噪比大于6dB時，認為檢測到目標；若來自海洋環(huán)境噪聲和乙船自噪聲的總干擾噪聲各向同性并且為均勻譜密度分布，在接收器處其噪聲譜密度級為70dB（0dB=）；試求：（1）乙船接收到甲船噪聲信號級；（2）乙船接收的干擾噪聲級；（3）乙船探測到甲船的最遠距離（計算中取：聲波球面擴展；不計海水聲吸收）；（4）為增大探測到甲船的距離，乙船的被動聲吶應如何改進設備參數(shù)。解：（1）信號級：SLTL，其中SL=10lg(I/Iref)；I=I1+I2，（2）干擾級：NLDI其中：（3）被動聲吶方程：，其中：；。有：；。（4）為提高探測距離，應改