水声学理论习题答案.docx

1、水声学理论习题答案哈尔滨工程大学水声工程学院编水声学 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<rn， 所以混响是主要干扰。声信号级噪声掩蔽级R6 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

2、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哈尔滨工程大学水声工程学院编解： 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 2 倍， 即 R1 2R

3、。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。CCC2 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

4、） 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哈尔滨工程大学水声工程学院编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TL=

5、10lgR+ R 表面声道和深海声道中适用 TL=15lgR+ R 计及海底吸收时浅海均匀声道适用TL=40lgR+ R 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

6、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哈尔滨工程大学水声工程学院编声线垂直于球面。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：

7、 （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： ?(x,y,z)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?=0 A（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 (z)与该点的声速 c(z)由关系： cos

8、(zc(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哈尔滨工程大学水声工程学院编上述声线到达 100m 深处时的角度。 dc1500-1450=-0.5s-1 解： 1） 声速绝对梯度 g=dz-1002） 恒定声速梯度时， 声线轨迹是一段圆弧， 圆的曲率半径1c1500=3km cosdcgcos0.5cdzR=如右图示， 水平传播距离x=R2-(R-0.1)2=0.768km3） 由 Snell 定律知，

9、 到达 100m深度时的掠射角为1450=arccos=14.84 15007 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)。 解： 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 gx=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x2Rd=(2c0d/g)1/28 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

10、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哈尔滨工程大学水声工程学院编现水平距离 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

11、 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>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

12、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。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。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。6哈尔滨工程大学水声工程学院编C 球面扩展海水吸收声强度Hzz8 天气晴好， 同一台声呐在早晨的作

13、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。 Cxz10 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 z1,

14、z2深度上翻转， 已知 cs,a1,a2,z1， 求水平距离 x。（a1<0,a2>0）z2x7 xCz哈尔滨工程大学水声工程学院编解： x=x1+x2C(H)=CS(1+a1H) C(z1)=Cs(1+a1z1) cosH=1+a1H1+cosHz2=H+1+a1z1a2cosHx2=2(z2-H)tgx1=2(H-z1)tgH2 H2x=2(z2-z1)tgH2Czz212 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( t+ 0)， 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 P1=P0P( t+ 0)； 海面反射声 P2=0sin( t+ 0+ ) sinR1R222=2f R1=x2+d2-d1 R2=x2+d1+d2 0 是初始相位 =(R2-R1)/CC 一介质中的声速 接收点声场 P=P1+P2哈尔滨工程大学水声工程学院编13 声速分布下左图， 声源位于 z1 处， 以 1 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。解： x=x1+x2 x1=2(z1-z0)tg12x2=z2-z11+2tg