水声学原理
《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，rR 声信号级回声信号级混响掩蔽级噪声掩蔽级rRrn距离r 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。 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） 1 水声学原理 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R1?42R。 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。 C 表面声道 深海声道浅海负梯度CCzzz 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 2 水声学原理 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??R，前一项为几何衰减，后一项为物理衰减。 TL?20lgR??R 开阔水域适用 表面声道和深海声道中适用 计及海底吸收时浅海均匀声道适用 偶极子声源远场适用 TL?10lgR??R TL?15lgR??RTL?40lgR??R7 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 3 水声学原理 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：?2p?k2p?0 声压解的形式：p?x,y,z??A?x,y,z?e?ik其中，k?k0n?x,y,z? 程函：??x,y,z? 在?2AA??1条件下，可得 程函方程：????x,y,z??2?n2?x,y,z? 强度方程：???A?????2??2A?A????00??x,y,z? （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c?z?由关系：cos??z?c?z?＝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） 4
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