《水声学》习题集解读

哈尔滨工程大学校级精品课程——《水声学》习题集

绪 论

1 什么是声呐？声呐可以完成哪些任务？

2 请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程中各项参数的物理意义是什么？

3 在组合声呐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 声呐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？

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。

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）

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。 2 给定水下声压p为100?Pa，那么声强I是多大，与参考声强Ir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DIt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。

2 利用经验公式计算水深10m，温度20℃，盐度35‰时，海水对50kHz声波的吸收系数，并与淡水情形比较。

3 用经验公式计算温度20℃，盐度20‰，水深1m处与温度15℃，盐度30‰，水深20m处的声速。

4 球面声波在无限、均匀的海水中传播时，导出由几何扩展和海水吸收而造成

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的传播损失的表达式。

5 何谓传播损失？什么情况下传播损失TL?20lgr??r，什么情况下

TL?10lgr??r？试分别证明之。式中r为传播的水平距离，?为吸收系数。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。

7 声呐A，B有相等的声源级，但声呐A工作频率fA高于声呐B工作频率fB,问哪台声呐作用距离远，说明原因。

8 一声呐换能器工作频率为30kHz，声源级为210dB。设为球面波扩展，则在1000m、5000m处的声压级分别为多少？在什么距离上由球面扩展引起的损失与海水吸收引起的传播损失相等？

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。

10 在5kHz（??0.3dBkm）和20kHz（??3dBkm）的情况下，若单向传播损失为80dB，且分别属于下列情况：（1）球面扩展加吸收损失；（2）柱面扩展加吸收损失。问各种情况下的探测距离分别是多少？

11 夏日某处海水中温度分布简化如下图所示的曲线。试求：在什么深度上声速梯度的绝对值最大？该处的声速梯度是多少？

第三章 海洋中的声传播理论

1 波动方程的定解条件有哪些？

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

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播时声线的传播方向。

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。

4 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。

5 证明声波通过恒定正速度梯度为常数g的水时，其路径是恒定半径R?c0g米的一段圆弧。

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）使还表面的水平声线达到100m深处时所需要的水平距离；（3）上述声线到达100m深处时的角度。

7 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c0。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

r??2c0dg?2。

18 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c0，声源深度为d。试求恰巧在海面反转的声线的出射角（与水平线之夹角）？

9 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。

10 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。驱逐舰的声呐换能器的深度为10m，当换能器的附角为4.5o时，发现水平距离1000m处的潜艇，问潜艇的深度为多少？

11 一艘潜艇位于180m深处，该处声速为1500m/s。它的声呐换能器在与水平的仰角10o处探测到一水面船只。问船只离潜艇的水平距离是多少？ 12 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。

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第四章 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？若用波动理论应如何解释会聚现象？ 5 浅海和深海是如何定义的？

6 画出表面声道声速分布，应用射线理论解说声波在表面波道中远距离传播的原因。

7 分别说明或画图表示表面波道中声强沿深度和水平方向的分布规律。 8 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？ 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原因。

10 试推导出以?0角跨过声道轴线的声线的平均水平声速度的表达式。 11 声速分布如下左图，声源位于深度H处，以?H出射的声线在z1,z2深度上翻转，已知cs,a1,a2,z1，求水平距离x。（a1?0,a2?0）

Csa1HHa2zz2zxxCz1?H

12 如下图，点声源位于海面下d1处，它的工作频率f，辐射声压为P0sin??t??0?，接收换能器位于海面下d2处，与声源间的水平距离x，求接收点的声压。

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13 声速分布下左图，声源位于z1处，以?1出射的声线在深度z0处翻转。已知

cs,a,z0,z1和z2，求水平距离x。

14 声速分布如下左图所示，已知H，z0，cs，a1，a2和?0求x。

Csa1Ha2z0zzHCxx?0

15 比较表面波道与深海声道声传播特性之异同。

16 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。

第五章 声波在目标上的反射和散射

1 什么是目标强度？请写出刚性球体（ka>>1）目标强度的表达式。

2 潜艇目标散射强度随方位变化有哪些特点？请分析影响潜艇的目标强度值的因素有哪些？

3 测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系及其原因。

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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值表达式。

5 一只工作在50kHz频率的声呐换能器具有140dB声源强度。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？

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TS0的目标在入射声波照射下产生的回声强度为Ir0，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得回波强度为Ir，求该目标的TS值。

IiTS0Ir0收发合置换能器IiTSIr

7 一般，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 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？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Pi，接收的被测物体散射声压幅值为Ps；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？

10 比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因。 11 在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波脉冲串中由壳面的镜面引起的回波脉冲？

12 已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角?向海底发射声波，频率为f0，收得海底回声信号的频率为fr，求该船的航行速度v。

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V水面?f0fr海底

13 柱形水雷长2m，半径为0.5m，端部为半球形。垂直入射时，水雷及其端部的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为10kHz和100kHz，计算目标强度。

第六章 海洋中的混响

1 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？ 2 什么是散射强度？

3 什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。

4 请写出计算体积混响、海面混响和海底混响的等效平面波混响级的理论公式？

5 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？

6 海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？

7 请简述海面散射强度随掠射角、工作频率和海面风速的变化规律？ 8 混响的瞬时值和振幅各服从什么分布规律？ 9 请简述混响的空间相关特性？

10 若海水的体积散射强度与空间位置无关为SV，声呐的发射、接收指向性函数分别为R1??,??和R2??,??；发射声源级SL；信号脉冲宽度?。（1）简述计算海洋混响的最简单模型；（2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响等效平面波混响级RLV的表达式。

11 已知目标强度为TS的目标位于海底，探测声呐与它之间的距离R，海底散射强度为Sb，探测声呐声源级SL，发射脉冲宽度?，换能器等效联合指向性?，海水中声速C，吸收系数?，写出接收信号信混比表达式。

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RTS

12 半径a=0.5米的刚性球放置在海底，换能器离该球200米，换能器等效收发联合指向性为0.2弧度，并测得单位面积海底反向散射声强是入射声强的1/1000，已知声源级SL=200dB，信号脉冲宽度??10毫秒，求接收信号信混比。（lg3=0.48,c=1500m/s）

13 用主动声呐探测放置在海底，半径为0.5米的刚性球；收发合置换能器距该球200米，收发合置换能器等效束宽为0.1弧度；查表知该处海底的散射强度为-20分贝；若信号脉冲宽度τ=5毫秒，求：接收信号的信混比。（海水中声速C=1500m/s；声波球面扩展，不计海水声吸收）

换能器r=200米海底

14 同上题，若该声呐发射声源级190分贝；干扰噪声为各向同性，其均匀噪声谱级为70分贝，声呐工作带宽200Hz，接收器等效束宽为0.1弧度，求：接收信号的信噪比。并分别讨论：为提高接收信号的信混比应如何改变声呐系统的参数？为提高接收信号的信噪比应如何改变声呐系统的参数？ 15 声纳系统的水平波束宽度为10?，发射宽度为100ms的脉冲。若反向散射强度为-40dB，那么在4000m处，混响目标强度TS是多少？在其两倍的距离上TS又是多少？

16 在收发分置声呐中，接收的回波信号的强度与r12、r22成反比，这里r1和r2分别是目标到发射机和接收机的距离。假定目标运动使得r1?r2?k，确定使回波信号强度最大的r1和r2之间的关系，同时假设目标强度是一常数。 17 写出（1）目标回声信号级表达式；（2）海底混响的等效平面波混响级表达式。

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又已知：海底有一刚性球，半径1m；收-发合置换能器，其指向性等效束宽

Φ?0.2弧度；收-发合置换能器距海底目标斜距400m；信号脉冲宽度??4ms；

海底散射强度Ss＝-25dB；（3）试求：接收信号的信混比。（4）为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：1500m/s；声波球面波扩展；不计海水声吸收）

第七章 水下噪声

1 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。 2 写出（1）海洋环境噪声源及其频率特性；（2）海洋环境噪声的空间指向特性和振幅分布特性。

3 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）

4 说明舰船机械噪声的产生机理？它频谱具有哪些特点？

5 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V变为2V时，噪声强度增加多少分贝。

6 舰船水动力噪声的产生机理？

7 写出舰船自噪声的噪声源，并说明它们在辐射噪声中起的作用。

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

9 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=?Pa/1Hz）；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

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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。

10 在下列物理量选择一个：传播损失、目标强度、水中声速、舰船自噪声谱密度级；对所选物理量，设计测量实验，要求包括下列内容：（1）实验测量方法（原理）；（2）计算公式及实验需要测量的物理量；（3）实验中需要注意的问题；（4）测量误差分析。

第八章 声传播起伏

1 请简述引起海水中声传播起伏的主要因素有哪些？

2 请写出海水介质的随机不均匀性引起声传播的振幅和相位起伏率变化的物理解释？

3 通常我们采用什么参数来描述海水界面的垂直不平整度？并写出该参数的表达式？

第九章 声纳方程的应用

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?，求作用距离（给出表达式）。

2 开阔水域中用主动声呐探测目标。声呐发射声功率100瓦，发射指向性指数

10dB，声呐离目标100米，海洋环境噪声谱级90dB，声呐工作带宽100Hz，接收指向性指数10dB，目标的声压反射系数为0.1，求接收信号的信噪比。（海水吸收可不计）

3 工作频率为2kHz的声呐能探测到相距5km处的位于正横位置的潜艇（TS=25dB），那么它能探测水雷（TS=-20dB）的最大距离是多少？检测阈不变。

4 深海中频率为1kHz，声源级为210dB的声呐受到距离1000m处物体的回波信号为100dB，求目标强度。

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