《水声学》课程配套习题参考答案

《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，rRrn，所以混响是主要干扰。声信号级回声信号级混响掩蔽级噪声掩蔽级距离rrRrn6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RR412。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。z浅海负梯度C表面声道Cz深海声道Cz2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：RRnTLlg，前一项为几何衰减，后一项为物理衰减。RRTLlg20开阔水域适用RRTLlg10表面声道和深海声道中适用RRTLlg15计及海底吸收时浅海均匀声道适用RRTLlg40偶极子声源远场适用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。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+R开阔水域适用TL=10lgR+R表面波道和深海声道中适用TL=15lgR+R适用计及海底吸收时的浅海均匀声道TL=40lgR+R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pkp声压解的形式：zyxikezyxAzyxp,,0,,,,其中，zyxnkk,,0程函：zyx,,在12AA条件下，可得程函方程：zyxnzyx,,,,22强度方程：022AAA（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与该点的声速zc由关系：zczcos＝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）上述声线到达100m深处时的角度。解：1）声速绝对梯度15.010014501500sdzdcg2）恒定声速梯度时，声线轨迹是一段圆弧，圆的曲率半径35.01500coscos1gcdzdccRkm如右图示，水平传播距离768.0)1.0(22RRxkm3）由Snell定律知，到达100m深度时的掠射角为84.1415001450arccos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0c。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2102gdcr。解：如右图示，由声源处水平出射的声线，声线曲率半径gcR0，所以水平传播距离2222)(dRddRRx一般情况下，声速垂直梯度g为远小于1的量所以曲率半径较水深大得多2/10)/2(2gdcRdx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0c，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，当换能器的俯角为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F1的场合。解：聚集因子0,IzxIF，其中I是非均匀介质中的声强，I0是按球面波衰减的声强，若1F，表示该处衰减小于球面波规律，反之，则表示该处衰减大于球面波规律。会聚区中和焦散线上F1。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。解：下左图为表面声道中的声速分布，表面声道中，以小于临界角发出的声线在声道的某个深度上翻转向海面传播，遇海面又经海面反射向下传播，如是重复以上过程而得以远距离传播。CsCHza1a2Hzx7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。解：在表面波道中，声强沿水平方向随距离的－次方衰减。声强沿深度的分布如下右图所示。Hzz0声强随深度变化曲线球面扩展＋海水吸收声强度CHz8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？解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面声道，而下午一般不会形成表面声道。即使不出现表面声道时，早晨的负梯度也小于下午的负梯度，所以早晨的作用距离远于下午，这就是下午效应。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。解：深海声道声速分布如下左图所示，由于折射的原因，声线在声道轴上、下不断翻转，如是重复，声能被限制在声道中，并远距离传播。zxCz声道轴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21,zz深度上翻转，已知121,,,zaacs，求水平距离x。（0,021aa）xHzz1xHz2CsCHza1a2解：21xxxHaCHCS11)(1111zaCzCs11111coszaHaHHHaHzcoscos1222211HtgzHx2222HtgHzx2212Htgzzxx1Hz1x2Hz2CsCHza1a212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00sin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。解：接收点的声场是直达声和海面反射声之和。直达声0101sintRPP；海面反射声0202sintRPPf221221ddxR22122ddxR0是初始相位CRR/12C一介质中的声速接收点声场21PPPxzd2xd1p1p213声速分布下左图，声源位于1z处，以1出射的声线在深度0z处翻转。已知10,,,zzacs和2z，求水平距离x。解：21xxx221011tgzzx221122tgzzx001azCzCs111azCzCs221azCzCs22110coscos1zCzCzC01111cosazaz02211cosazazCsCaz1zz1z2z0xx22x114声速分布如下左图所示，已知H，z0，cs，a1，a2和0求x。CsCHza1a2Hzz0x0x解：21xxx2001HtgHzx22SHtgHxHSHaCC11HzaCCH0201ssHHCCC/cos/cos/cos00HzaHas021011coscosHzaH0201coscosCsCHza1a2Hzz0x0sHx1x215比较表面声道与深海声道声传播特性之异同。解：相同点：（1）都能远距离传播；（2）衰减规律基本为柱面规律不同点：（1）深海声道有会聚区，声面波道则没有；（2）从机理上讲，深海声道传播远是由于声线在声道轴上、下的翻转，得以远距离传播，而表面波道是介质的折射和海面的反射才远距离传播；（3）表面波道有截止频率，而深海声道则无截止频率限制。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。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。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（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。解：与测量距离关系：随着距离变大，TS值逐渐变大，距离大到某个值后，TS值不再随距离而变大。原因：（1）声呐换能器指向性原因，近距离上，入射声没有照射到目标全部，因而对回波有贡献的表面小，回波弱，随着距离变大，入射照射的面积变大，对回声有贡献的表面也变大，因而TS值也大，距离大到某个值时，整个目标都被入射声照射后，TS值不再随测量距离而变；（2）回声信号在近场与距离的一次方成反比，在远场与距离的二次方