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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
2、院水声工程学院 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 rR rn 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r rR rn 6 工作中的
3、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
4、况下 作用距离 变为原距离的 4 2倍 即RR 4 1 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 1 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 1 章章 声学基础声学基础 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 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组
5、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 第第 2 章章 海洋声学特性海洋声学特性 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 C z 深海声道 C z 2 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
6、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
7、距离远 说明原因 B 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 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 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 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
8、浅海均匀声道 TL 40lgR R 适用偶极声源远场 10 略 11 略 水声工程学院水声工程学院 水声学课程组水声学课程组 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 3 章章 海洋中的声传播理论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
9、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 0 22 pkp 声压解的形式 zyxik ezyxAzyxp 0 其中 zyxnkk 0 程函 zyx 在1 2 1 的场合 解 聚集因子 0 I zxI F 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 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F 1 1 F 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
10、 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
11、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
12、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 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
13、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
14、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40m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
15、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 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
16、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 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 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
