水声学理论习题答案Word格式.docx
《水声学理论习题答案Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水声学理论习题答案Word格式.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
以用解析式表达。
C
CC
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。
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2
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：
TL=nlgR+αR，前一项为几何
衰减，后一项为物理衰减。
TL=20lgR+αR开阔水域适用
TL=10lgR+αR表面声道和深海声道中适用
TL=15lgR+αR计及海底吸收时浅海均匀声道适用
TL=40lgR+αR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。
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。
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=10lgR+αR表面波道和深海声道中适用
TL=15lgR+αR适用计及海底吸收时的浅海均匀声道
TL=40lgR+αR适用偶极声源远场
10略
11略
第三章海洋中的声传播理论
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。
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3
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。
（1）波动方程：
?
2p+k2p=0
声压解的形式：
p（x,y,z）=A（x,y,z）e-ik0?
（x,y,z）
其中，k=k0n（x,y,z）
程函：
在?
2A&
&
1条件下，可得
程函方程：
（?
?
（x,y,z））=n2（x,y,z）2强度方程：
（A?
）=?
2?
+?
A?
=0A
（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2
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α（z）与该点的声速c（z）由关系：
cosα（zc（z）＝常数。
（4）典型声线轨迹图
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）4
上述声线到达100m深处时的角度。
dc1500-1450==-0.5s-1解：
1）声
速绝对梯度g=dz-100
2）恒定声速梯度时，声线轨迹是一段圆弧，圆的曲率半径
1c1500===3kmcosdcgcosθ0.5
cdzR=
如右图示，水平传播距离
x=R2-（R-0.1）2=0.768km
3）由Snell定律知，到达100m
深度时的掠射角为
1450θ=arccos=14.841500
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）。
如右图示，由声源处水平出射的声线，
声线曲率半径R=c0，所以水平传播距离g
x=R2-（R-d）2=2Rd-d2
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
x≈2Rd=（2c0d/g）1/2
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
，当换能器的俯角为
4.5o时，发5
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&
gt;
1
的场合。
I（x,z）解：
聚集因子F=，其中I是非均匀介质中的声强，I0是按球面波
衰减的I0声强，若F&
1，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。
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，应用射线理论解说明声波在表面波道中远
距离传播
的原因。
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。
zCxH
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。
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。
6
C球面扩展＋海水吸收
声强度
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？
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。
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。
Cx
10试推导出以θ0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αH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）
z2
x
7xCz
x=x1+x2
C（H）=CS（1+a1H）C（z1）=Cs（1+a1z1）cosαH=
1+a1H1+coαsH
z2=H+
1+a1z1a2coαsH
x2=
2（z2-H）tg
x1=
2（H-z1）tg
2
H
x=
2（z2-z1）tg
zz2
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（ωt+φ0），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。
接收点的声场是直达声和海面反射声之和。
直达声P1=
P0P
（ωt+φ0）；
海面反射声P2=0sin（ωt+φ0+ωτ）sinR1R2
22
ω=2πfR1=x2+d2-d1R2=x2+d1+d2
φ0是初始相位τ=（R2-R1）/C
C一介质中的声速接收点声场P=P1+P2
13声速分布下左图，声源位于z1处，以α1出射的声线在深度z0处
翻转。
已知
cs,a,z0,z1和z
2，求水平距离x。
x=x1+x2x1=
2（z1-z0）tg
α1
z2-z1
α1+α2tg
C（z0）=Cs（1+az0）C（z1）=Cs（1+az1）C（z2）=Cs（1+az2）
cosα1cosα21+az11+az21
coαcoα
==s1=s2=
Cz0Cz1Cz21+az01+az0
zzz
14声速分布如下左图所示，已知H，z0，cs，
a1，a2和α0求x。
zC
z0-HH
H+S0+H
tgtg
9
CH=CS（1+a1H）C0=CH[1+a2（z0-H）]
cosα0/C0=cosαH/CH=cosαs/Cs
cosαs=cosα0coαs0coα
sH=1+a1H1+a2z0-H1+a2z0-HH
zCx
15比较表面声道与深海声道声传播特性之异同。
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。
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（ka&
1）目标强度的表达
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。
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，TS10
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的刚性球目标强度
TS值表达式。
入射到球面上的声功率：
Wi=πa2I0
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：
Ws=4πr2Is（r）
根据能量守恒，有：
Wi=Ws，πa2I0=4πr2Is（r）
根据定义：
TS=10lg（Is（r=1mI0）=10lga24=20lg
（2）
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？
由声纳方程可知，回声信号强度为EL=SL-2TL+TS
又TL=20lgr
a2
TS=10lg4
402
所以EL=120-2×
20lg1000+10lg=46dB4（）
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。
11
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。
TS=TS0+10lgIrIr0
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）解：
“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：
布置如下图。
（1）辐射声压幅值：
P=P0r
接收器接收的声压幅值：
Pi=P0R1
待测目标的入射声压为：
P2=P0（R1+R2）=PiR1R1+R2）
接收器接收目标散射声压幅值：
Ps=Pr
（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：
τ&
2c，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？
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12R1R2发射换能器接收水听器
待测目标目标强度计算公式：
TS=20lg（PrP2）=20lg（Ps（R1+R2）R2（R1Pi））
r=1mR2
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。
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。
水面
（f-f0）?
C?
2Vcosθ?
考虑多卜勒效应，回声信号频率fr=f01+?
V=r
c2fcoθs?
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。
已知圆柱物体的目标强度公式为TS=10lg（aL2/2λ）
在10kHz时，TS=10lg[（0.5?
22）/（2?
0.15）]=-2dB
在100kHz时，TS=10lg[（0.5?
0.015）]=8dB
已知球形目标的目标强度公式为TS=10lg（a2/4），对于大球，其目标强
度不随频率变化，所以两个频率下，TS=10lg（0.52/4）=-12dB
13
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。
RL=10lgI式中I0是参考声强，I是平面波声强。
I0
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，它是一个非平衡随机
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？
海洋体积混响主要来自深水散射层。
深水散射层具
有昼夜迁徒规律，早晚较浅，接近海面，白昼较深；
该层具有一定厚度；
且有选频特性，据此可以判定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混
响的散射源。
海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散
射形成的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。
6海洋混响是如何形成的？
它的强弱与哪些因素有关？
海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平
整，海面附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波
在接收点的迭加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还
与换能器等效联合指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。
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（θ,?
）和R2（θ,?
）；
发射声源级SL；
信号脉冲宽度τ。
（1）简
述计14
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。
（1）计算混响的简单模型：
声线直线传播；
不计海水声吸收；
散
射体（面）
单元均匀连续分布；
每一散射体（面）单元散射声波的发生和结束与
入
射到此单元上的入射声波同时发生和结束；
不计二次散射。
（2）t时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为ct/2和c（t+τ）
/2的球壳
间散射体的散射，此区域记作V0。
入射到体元dV的入射声波声强为：
I0R1（θ,φ）/r2
#39;
dV/r2体元dV产生的散射波声强为：
I0R1（θ,φ）/r2SV
dVdV产生的散射波声强等效平面波声强为：
I0R1（θ,φ）R2（θ,
φ）/r4SV
dV区域V0散射的总等效平面波声强为：
I=?
I0R1（θ,φ）R2（θ,
φ）/r4SVV0
如果ct/2&
cτ/2，则积分结果可近似为：
&
/r2cτ/2?
R1（θ,φ）R2（θ,φ）dθdφI=I0SV
定义：
收发合置换能器的等效束宽为：
ψ=?
R1（θ,φ）R2（θ,φ）dθdφ
/r2ψcτ/2=I0SV&
/r4ψr2cτ/2则：
I=I0SV
等效平面波混响级为：
RL=10lg（I/Iref）=SL-2TL+SV+10lg（V）
其
升级会员 