2025年大學《物理學》專業(yè)題庫——聲波在通訊領(lǐng)域的應(yīng)用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請將正確選項的代表字母填在答題紙上。）1.在聲波通訊系統(tǒng)中，水下環(huán)境對聲波的傳播主要產(chǎn)生影響，下列描述錯誤的是：A.聲速隨水深和溫度變化B.聲波能量在水體中傳播衰減較小C.多徑效應(yīng)和水聲散射是主要干擾因素D.聲波傳播存在顯著的頻率色散現(xiàn)象2.超聲通信利用的是頻率高于人類聽覺上限的聲波。其主要優(yōu)勢在于：A.能夠在真空中傳播B.在空氣介質(zhì)中傳播損耗極小C.擁有極高的傳播距離潛力D.具有較好的方向性和抗干擾能力3.對于水聲通信系統(tǒng)，為了克服水下環(huán)境的噪聲干擾和信號衰減，常用的技術(shù)手段包括：A.提高聲波頻率以增加帶寬B.采用低功率發(fā)射和放大接收信號C.運用聲波調(diào)制技術(shù)（如FSK）和信道編碼D.忽略多徑效應(yīng)，直接進行點對點直線傳輸4.聲表面波（SAW）器件在通訊領(lǐng)域中有重要應(yīng)用，例如用作濾波器。其工作原理基于：A.聲波在介質(zhì)界面上的全反射B.聲波在固體表面?zhèn)鞑サ纳⑻匦訡.聲波在空氣中衍射的相干疊加D.聲波在液體中的共振效應(yīng)5.聲波通訊中，信噪比（SNR）是衡量通信質(zhì)量的重要指標。提高信噪比的方法可能包括：A.增加發(fā)射聲波的功率B.提高接收換能器的靈敏度C.優(yōu)化信號調(diào)制方式以抵抗噪聲D.以上所有方法6.某聲波通訊系統(tǒng)設(shè)計工作頻率為1kHz，在水下傳播時，假設(shè)聲速為1500m/s。該聲波的波長約為：A.0.15mB.1.5mC.15mD.150m7.與電通信相比，聲波通信（尤其是在水下）面臨的主要挑戰(zhàn)之一是：A.傳輸速率相對較低B.信號傳輸距離受限于聲速C.易受電磁干擾D.需要復雜的抗干擾電路8.聲波調(diào)制技術(shù)（如幅度調(diào)制AM、頻率調(diào)制FM）在聲波通信中的作用主要是：A.提高聲波在介質(zhì)中的傳播速度B.增強聲波的穿透能力C.將信息信號加載到載波聲波上，便于傳輸和接收D.消除噪聲對信號的影響9.聲納（Sonar）系統(tǒng)利用聲波探測水下物體，其基本原理通常涉及：A.接收目標反射的光波信號B.發(fā)射聲波并接收由目標反射回來的回波C.測量電磁波在水中的傳播時間D.通過聲波與水分子碰撞產(chǎn)生信號10.聲表面波濾波器在移動通信設(shè)備中常被用作帶通濾波器，這主要是利用了其：A.體積小、重量輕的特點B.對特定頻率聲波的選擇性透射/反射特性C.高頻信號處理能力D.與電信號的直接轉(zhuǎn)換能力二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.聲波在均勻介質(zhì)中傳播時，其頻率、波長和聲速之間的關(guān)系為________。2.水聲通信中，由于水的吸收損耗隨聲波頻率的升高而________，因此通常不使用極高頻率進行遠距離通信。3.超聲波在介質(zhì)中傳播時，會發(fā)生明顯的________現(xiàn)象，這限制了其在復雜環(huán)境中的直線傳播距離。4.聲波通訊系統(tǒng)中，用于將電信號轉(zhuǎn)換為聲波（或其逆過程）的關(guān)鍵部件稱為________。5.為了提高水聲通信系統(tǒng)的抗干擾能力，常采用________技術(shù)和________技術(shù)相結(jié)合的方法。6.聲表面波器件是基于聲波在固-固界面上傳播的________效應(yīng)而工作的。7.聲波在傳播過程中，如果遇到兩種不同介質(zhì)的界面，會發(fā)生________和________現(xiàn)象。8.衡量聲波通訊系統(tǒng)傳輸效果的關(guān)鍵參數(shù)之一是________，它表示信號功率與噪聲功率的比值。9.超聲通信的一個潛在應(yīng)用領(lǐng)域是利用________產(chǎn)生電能，為便攜式設(shè)備供電。10.聲波隱身技術(shù)旨在通過特殊材料或結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少目標對________的散射和反射。三、簡答題（每小題5分，共15分。請將答案填在答題紙上。）1.簡述水聲通信與超聲通信在傳播介質(zhì)和環(huán)境方面的主要區(qū)別。2.解釋聲波通訊中多徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因及其可能帶來的問題。3.簡述聲表面波濾波器相較于傳統(tǒng)電子濾波器（如LC濾波器）的主要優(yōu)點。四、計算題（每小題10分，共20分。請將答案填在答題紙上。）1.假設(shè)一個水聲通信系統(tǒng)的工作頻率為10kHz，聲波在水下傳播的速度為1500m/s。如果信號需要傳輸500米距離，計算直射路徑上的聲波傳播時延。假設(shè)存在一個距離接收器300米、深度差為50米的水平反射面，計算經(jīng)過一次反射到達接收器的聲波傳播時延。2.某超聲通信系統(tǒng)發(fā)射一個頻率為5MHz的超聲波，超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s。計算該超聲波的波長。如果接收換能器在該頻率下的信噪比為20dB（信噪比用功率表示），即接收到的信號功率P_s與噪聲功率P_n之比為100，試求信號功率P_s與噪聲功率P_n的比值（用功率表示）。五、論述題（10分。請將答案填在答題紙上。）結(jié)合聲波在介質(zhì)中傳播的基本物理特性，論述聲波通訊（特別是水聲通信）面臨的主要挑戰(zhàn)，并探討克服這些挑戰(zhàn)可能的技術(shù)途徑。試卷答案一、選擇題1.B2.D3.C4.B5.D6.C7.A8.C9.B10.B二、填空題1.v=fλ2.增加3.衍射4.換能器5.信道編碼；調(diào)制（或相干解調(diào)）6.彎曲（或表面波）7.反射；折射8.信噪比9.聲能收集（或能量收集）10.聲波三、簡答題1.解析思路：水聲通信在海水這一復雜、非均勻、吸音強的介質(zhì)中傳播，受溫度、鹽度、壓力（深度）影響大，聲速變化顯著，多徑效應(yīng)嚴重，噪聲干擾復雜（生物、船舶、自然等）。超聲通信通常在空氣或特定固體介質(zhì)中傳播，介質(zhì)相對均勻，環(huán)境干擾主要來自空氣噪聲和固體內(nèi)部缺陷，傳播距離相對較短。答案：水聲通信主要在水下進行，傳播介質(zhì)是海水，具有非均勻、吸音損耗大、聲速隨環(huán)境參數(shù)變化顯著等特點。超聲通信通常在空氣或固體中傳播，介質(zhì)相對均勻，傳播距離較短。2.解析思路：聲波在傳播到界面時，會同時發(fā)生反射和折射。當聲源、接收者和反射面形成一定角度，或者聲波遇到不連續(xù)的介質(zhì)分布時，就會形成多條到達接收點的傳播路徑，這些路徑時延不同，導致接收信號是直接波和多次反射波的疊加，造成信號失真、強度變化等現(xiàn)象。答案：多徑效應(yīng)產(chǎn)生的原因是聲波在傳播過程中遇到界面發(fā)生反射，形成多條到達接收點的不同路徑。這些路徑具有不同的傳播時延和強度，導致接收信號是各路徑信號的疊加，可能引起信號失真、衰落或干擾。3.解析思路：聲表面波濾波器利用聲波在固體表面?zhèn)鞑サ奶匦?，具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、易于集成、成本相對較低等優(yōu)點。與傳統(tǒng)LC濾波器相比，它避免了復雜的無源元件和寄生參數(shù)，性能更穩(wěn)定，且可以通過改變電極結(jié)構(gòu)精確調(diào)整濾波特性。答案：聲表面波濾波器的主要優(yōu)點包括體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、易于與集成電路集成、成本相對較低，并且可以提供非常陡峭的濾波特性。四、計算題1.解析思路：計算直射路徑時延，用距離除以聲速。計算反射路徑時延，需要先計算總路徑長度（去程+回程），然后除以聲速?？偮窂介L度可以通過幾何關(guān)系計算，或視為在更長的直線距離上傳播。答案：*直射路徑時延t?=距離/聲速=500m/1500m/s=1/3s。*反射路徑總距離≈√(5002+502)m≈502.50m（近似處理，或視為500m的有效直射距離，時延略增加）。*反射路徑時延t?≈總距離/聲速≈502.50m/1500m/s≈1/2.97s≈0.334s。2.解析思路：波長λ=聲速/頻率。信噪比已知為20dB，即10log??(P_s/P_n)=20，可得P_s/P_n=100。直接計算功率比值即可。答案：*波長λ=v/f=340m/s/(5×10?Hz)=0.068m。*信噪比P_s/P_n=100(因為10log??(100)=20dB)。*所以信號功率P_s與噪聲功率P_n的比值是100。五、論述題解析思路：從聲波物理特性出發(fā)，分析其在通訊應(yīng)用中遇到的主要障礙。海水對低頻聲波衰減小但帶寬窄，高頻帶寬大但衰減快，且環(huán)境復雜導致多徑干擾嚴重、時延不確定性大。空氣中的超聲波受空氣吸收、濕度、溫度影響，且傳播距離有限。此外，聲源功率受限、信號處理難度大（帶寬、信噪比）、換能器效率等也是挑戰(zhàn)?？朔緩叫杞Y(jié)合這些挑戰(zhàn)，如水聲通信采用低頻、寬帶、編碼、自適應(yīng)處理、多波束技術(shù)；超聲通信優(yōu)化換能器、利用固體介質(zhì)、聲能量收集等。答案：聲波通訊，特別是水聲通信，面臨的主要挑戰(zhàn)源于聲波自身的物理特性和傳播環(huán)境的復雜性。首先，聲波在介質(zhì)中傳播存在顯著的衰減，頻率越高衰減通常越大（海水對低頻衰減小，高頻衰減快；空氣中超聲波衰減也受頻率和介質(zhì)影響）。這限制了通信距離和帶寬。其次，聲波容易發(fā)生衍射和反射，形成多徑傳播，特別是在水聲復雜環(huán)境中，導致信號失真和干擾，使得信號時延和強度不穩(wěn)定。此外，水聲環(huán)境噪聲源多樣（生物、船舶、自然現(xiàn)象），信噪比低；空氣中的超聲受空氣介質(zhì)特性影響。聲源功率有限，且聲波信號