《水声学》习题集

《水声学习题集》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论………………………………………………………………………1第1章声学基础………………………………………………………...2第2章海洋声学特性…………………………………………………...3第3章海洋中的声传播理论……...........................................................5第4章典型传播条件下的声场………………………………………...7第5章声波在目标上的反射和散射…………………………………...9第6章海洋中的混响………….............................................................11第7章水下噪声………………….........................................................13第8章声传播起伏…………………………………………………….14第9章声纳方程的应用……………………………………………….15水声工程学院水声学课程组2哈尔滨工程大学国家级精品课程——《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）水声工程学院水声学课程组1哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》第1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给定水下声压为pPaμ100，那么声强I是多大，与参考声强比较，以分贝表示的声强级是多少？rI3发射换能器发射40kW的声功率，且方向性指数为15dB，其声源级SL为多少？tDI水声工程学院水声学课程组2哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》第2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rrTLα+=lg20，什么情况下rrTLα+=lg10？试分别证明之。式中r为传播的水平距离，α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。B8一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（kmdB3.0=α）和20kHz（kmdB3=α）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昀大？该处的声速梯度是多少？水声工程学院水声学课程组3哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》水声工程学院水声学课程组4哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》第3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gcR0=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）使海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。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0c()2102gdcr=。8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，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）？0c9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？水声工程学院水声学课程组5哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》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F1的场合。水声工程学院水声学课程组6哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》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？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0θ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Hα出射的声线在深度上翻转，已知，求水平距离x。（21,zz121,,,zaacs0,021aa）Hzz1xHαz2CsCHza1a212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()00sinφω+tP，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。水声工程学院水声学课程组7哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》13声速分布如下左图，声源位于处，以1z1α出射的声线在深度处反转。已知和，求水平距离x。0z10,,,zzacs2z14声速分布如下左图所示，已知H，z0，cs，g1，g2和0α求x。0αsc1g2g15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。水声工程学院水声学课程组8哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》第5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（ka1）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。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。TS0IiIr0收发合置换能器TSIiIr7一般，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；（R2d2/λ；d：被测物体昀大线度；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？水声工程学院水声学课程组9哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》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θ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。Vθf0fr水面海底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。水声工程学院水声学课程组10哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》第6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，声呐的发射、接收指向性函数分别为VS()ϕθ,1R和()ϕθ,2R；发射声源级SL；信号脉冲宽度τ。（1）简述计算海洋混响的昀简单模型；（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的表达式。VRL11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τ，换能器等效联合指向性，海水中声速C，吸收系数Φα，写出接收信号信混比表达式。TSR12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=τ毫秒，求接收信号信混比。（lg3=0.48,c=1500m/s）水声工程学院水声学课程组11哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集》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