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《水声学习题集参考答案》水声工程学院水声学课程组编哈尔滨工程大学目录绪论………………………………………………………………………1第1章声学基础………………………………………………………...2第2章海洋声学特性…………………………………………………...2第3章海洋中的声传播理论……...........................................................3第4章典型传播条件下的声场………………………………………...6第5章声波在目标上的反射和散射………………………………….10第6章海洋中的混响………….............................................................14第7章水下噪声………………….........................................................17第8章声传播起伏…………………………………………………….20第9章声纳方程的应用……………………………………………….20水声工程学院水声学课程组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》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，rRrn，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rrRrn6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）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RR412=。水声工程学院水声学课程组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》第1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略水声工程学院水声学课程组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》第2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。z浅海负梯度C表面声道Cz深海声道Cz2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：RRnTLα+=lg，前一项为几何衰减，后一项为物理衰减。RRTLα+=lg20开阔水域适用RRTLα+=lg10表面声道和深海声道中适用RRTLα+=lg15计及海底吸收时浅海均匀声道适用RRTLα+=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》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+αR开阔水域适用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略水声工程学院水声学课程组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》第3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：022=+∇pkp声压解的形式：()()()zyxikezyxAzyxp,,0,,,,ϕ−=其中，()zyxnkk,,0=程函：()zyx,,ϕ在12∇AA条件下，可得程函方程：()()()zyxnzyx,,,,22=∇ϕ强度方程：()022=∇⋅∇+∇=∇⋅∇ϕϕϕAAA（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()zα与该点的声速()zc由关系：()()zczαcos＝常数。（4）典型声线轨迹图水声工程学院水声学课程组5哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》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）上述声线到达100m深处时的角度。解：1）声速绝对梯度15.010014501500−−=−−==sdzdcg2）恒定声速梯度时，声线轨迹是一段圆弧，圆的曲率半径35.01500coscos1====θθgcdzdccRkm如右图示，水平传播距离768.0)1.0(22=−−=RRxkm3）由Snell定律知，到达100m深度时的掠射角为o84.1415001450arccos==θ7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。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0c()2102gdcr=。解：如右图示，由声源处水平出射的声线，声线曲率半径gcR0=，所以水平传播距离2222)(dRddRRx−=−−=水声工程学院水声学课程组6哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》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2/10)/2(2gdcRdx=≈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，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）？0c9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F1的场合。解：聚集因子()0,IzxIF=，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F1。1F水声工程学院水声学课程组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》第4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。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。CsCHza1a2Hzx7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。Hzz0声强随深度变化曲线球面扩展＋海水吸收声强度CHz8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》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。zxCz声道轴10试推导出以0θ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Hα出射的声线在深度上翻转，已知，求水平距离x。（21,zz121,,,zaacs0,021aa）xHzz1xHαz2CsCHza1a2解：21xxx+=()HaCHCS11)(+=()()1111zaCzCs+=11111coszaHaH++=αHHaHzααcoscos122++=()2211HtgzHxα−=()2222HtgHzxα−=()2212Htgzzxα−=水声工程学院水声学课程组9哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》x1Hz1x2Hαz2CsCHza1a212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()00sinφω+tP，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(0101sinφω+=tRPP)；海面反射声()ωτφω++=0202sintRPPfπω2=()21221ddxR−+=()22122ddxR++=0φ是初始相位xzd2xd1p1p2()CRR/12−=τC一介质中的声速接收点声场21PPP+=13声速分布如下左图，声源位于处，以1z1α出射的声线在深度处反转。已知和，求水平距离x。0z10,,,zzacs2z解：21xxx+=()221011αtgzzx−=221122αα+−=tgzzx水声工程学院水声学课程组10哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》()()001azCzCs+=()()111azCzCs+=()()221azCzCs+=()()()22110coscos