《水声学》部分习题答案

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1、 水声学习题集参考 答案 水声学习题集参考 答案 水声工程学院 水声工程学院 水声学课程组编 水声学课程组编 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 目目 录录 绪论绪论1 第第1章章 声学基础声学基础.2 第第2章章 海洋声学特性海洋声学特性.2 第第3章章 海洋中的声传播理论海洋中的声传播理论.3 第第4章章 典型传播条件下的声场典型传播条件下的声场.6 第第5章章 声波在目标上的反射和散射声波在目标上的反射和散射.10 第第6章章 海洋中的混响海洋中的混响.14 第第7章章 水下噪声水下噪声.17 第第8章章 声传播起伏声传播起伏.20 第第9章章 声纳方程的应用声纳方程的应用.20 水声工程学院

2、水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 2 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 绪绪 论论 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， rR1。 1F 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 7 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参

3、考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 第第 4 章章 典型传播条件下的声场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，应用射线理论解说明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

4、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。 Cs C H z a1 a2 H z x 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。 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。 H z z0 声强随深度变化曲线 球面扩展海水吸收 声强度 C H z 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？ 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 8 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 解：早晨时声呐作用距离远，因为此时可能存在表面

5、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。 z x C z 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 出射的声线在深度上翻 转，已知，求水平距离 x。 （ 21,z z 121 ,zaacs0, 0 21 1）

6、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

7、的二次方成反比，而归算至目标声 中心1米处时都按球面规律归算，其后果必然导致远场测量结果大于近场。 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。 解：入射到球面上的声功率： 0 2I aWi= 在散射场远场，如果为均匀球面场，则半径为r球面上散射声功率： ( )rIrW ss 2 4= 根据能量守恒，有：， si WW =( )rIrIa s 2 0 2 4= 根据定义：()()()()2lg204lg101lg10 2 0 aaImrITS s = 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4

8、0m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？ 解：由声纳方程可知，回声信号强度为EL=SL-2TL+TS 又 TL= rlg20 TS= 4 lg10 2 a 所以 EL=120-2+1000lg20 4 40 lg10 2 =46dB 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 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 13 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 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。

9、TS0 Ii Ir0 收发合置换能器 TS Ii Ir 解：在非消声水池中测量目标回声信号，应保证：测量在远场、自由场中进行， 并应是稳态信号。 0 0 lg10 Ir Ir TSTS+= 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； （R2d2/；d：被测物体最大线度；：声波波长） 。接收器接 收的点声源辐射声压幅值为Pi，接

10、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） 解： “直接测量法”测量水下目标强度（其它略） ：布置如下图。 R1R2 发射换能器 接收水听器 待测目标 （1） 辐射声压幅值：rPP 0 = 接收器接收的声压幅值： 10 RPPi= 待测目标的入射声压为：()() 2112102 RRRPRRPP i +=+= 接收器接收目标散射声压幅值： 2 1 RPP mr rs = = 目标强度计算公式：()()()() isr PRRRRPPPTS 12212 lg20lg20+= 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 14

11、 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 （2） 实验注意事项： a. 接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区； b. 接收水听器置于待测努表散射声场的远场区； c. .发射声信号的脉冲长度：cL2，L为目标长度。 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？ 解：目标回声信号级EL=SL-2TL+TS 目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上不 规则处的散射波，目标的再辐射波等组成， 回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号相 比，有多

12、卜勒频偏；回声信号波形一般有较大的畸变等。 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。 解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等。回声信号的不同 点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标的 某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们和镜 反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干迭加是 和频率有关的，因而回声信号随频率而变。 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

13、，收得海底回声信号的频率为fr，求该船的航行速度v。 V f0 fr 水面 海底 解：考虑多卜勒效应，回声信号频率 += c V ffr cos2 1 0 () cos2 0 0 f Cff V r = 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 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 15 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 强度。 解：已知圆柱物体的目标强度公式为TS= )2/lg(10 2 aL 在10

14、kHz时，TS=dB 2)15. 02/()25 . 0lg(10 2 = 在100kHz时，TS=dB 8)015. 02/()25 . 0lg(10 2 = 已知球形目标的目标强度公式为TS=，对于大球，其目标强度不 随频率变化，所以两个频率下，TS=-12dB )4/lg(10 2 a )4/5 . 0lg(10 2 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 16 哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案哈尔滨工程大学国家级精品课程水声学习题集参考答案 第第 6 章章 海洋中的混响海洋中的混响 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

15、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。 解： 0 lg10 I I RL =式中I0是参考声强，I是平面波声强。 将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器输 出开路电压V，再将声强为I的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开路输 出电压也等于V， 则就用平面波声强度量混响强度， 称RL为等效平面波混响级。 混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平稳随机量，随时间衰减，它的瞬时值 服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在空间 中不是均匀的。 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是如何形成的？ 解：海洋体积混响主要来自