2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)信號與聲學(xué)控制技術(shù)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)。每小題2分，共20分。）1.以下哪個物理量不是描述聲波在介質(zhì)中傳播特性的基本參數(shù)？(A)聲壓(B)聲強(C)聲速(D)音調(diào)2.根據(jù)傅里葉分析，一個非周期性信號可以看作是哪些簡諧信號的疊加？(A)不同頻率、不同振幅的簡諧信號(B)同一頻率、不同振幅的簡諧信號(C)同一頻率、同一振幅的簡諧信號(D)頻率連續(xù)變化的簡諧信號3.分貝（dB）是用于表示聲音的哪個物理量的單位？(A)聲速(B)聲壓有效值(C)聲強(D)聲功率4.在聲學(xué)測量中，通常采用等響度曲線來描述人耳對聲音的感知特性，其中哪個特性隨頻率變化？(A)響度(B)音調(diào)(C)音色(D)頻率5.多孔吸聲材料（如玻璃棉）主要依靠哪種機制吸收聲能？(A)聲波在材料中引起共振(B)聲波引起材料內(nèi)部空氣的振動和摩擦生熱(C)聲波在材料表面反射(D)聲波引起材料骨架的振動6.隔聲結(jié)構(gòu)的基本原理是阻止聲波傳入需要安靜的房間，這主要依賴于材料的哪種特性？(A)吸聲系數(shù)(B)隔聲量(C)透射系數(shù)(D)聲阻抗7.主動噪聲控制（ANC）的核心思想是什么？(A)增強環(huán)境中的噪聲(B)減少環(huán)境中的噪聲(C)改變噪聲的頻率(D)使噪聲的相位與原始噪聲相反，從而相消8.在聲學(xué)超材料中，人工結(jié)構(gòu)單元的排列方式?jīng)Q定了其能夠調(diào)控哪種物理量？(A)介質(zhì)的密度(B)介質(zhì)的彈性模量(C)聲波的傳播速度(D)聲波的振幅9.聲納系統(tǒng)通常利用聲波的哪種特性來探測目標？(A)吸收(B)反射(C)透射(D)衰減10.傅里葉變換將一個時域信號轉(zhuǎn)換為哪個域的表示？(A)頻域(B)時頻域(C)幅度域(D)相位域二、填空題（請將答案填在橫線上。每空2分，共20分。）1.聲波在空氣中傳播時，聲壓隨時間作______振動。2.聲強與聲壓有效值的平方成______比。3.聲速通常用符號______表示。4.數(shù)字信號處理中，為了避免失真，采樣頻率必須大于信號最高頻率的______倍。5.薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)主要吸收______頻段的聲波。6.評價材料隔聲性能的指標通常用______表示。7.主動噪聲控制系統(tǒng)中，參考麥克風用于拾取______噪聲。8.聲學(xué)超材料是一種能夠?qū)β暡óa(chǎn)生______響應(yīng)的人工結(jié)構(gòu)材料。9.超聲波是指頻率高于______赫茲的聲波。10.功率譜密度描述了信號功率在______上的分布。三、計算題（請寫出必要的公式和計算步驟。每題10分，共30分。）1.已知空氣中聲速為343m/s，一聲音的頻率為500Hz。求該聲音在空氣中傳播的波長是多少米？2.某聲源的聲功率為10^-4W，距離聲源10米處的聲強是多少W/m2？已知該處空氣的聲阻抗為400Rayls。3.一吸聲材料的吸聲系數(shù)在500Hz時為0.6，在1000Hz時為0.3。求該材料在500Hz和1000Hz時的降噪量（以分貝計）分別是多少分貝？四、簡答題（請簡要回答下列問題。每題10分，共30分。）1.簡述多普勒效應(yīng)的基本原理及其在聲學(xué)中的應(yīng)用。2.簡述聲音在室內(nèi)傳播時，主要經(jīng)歷哪些吸收和反射過程？3.與被動噪聲控制相比，主動噪聲控制有哪些主要優(yōu)缺點？五、論述題（請就下列問題展開論述。共20分。）結(jié)合具體的聲學(xué)控制技術(shù)（如吸聲、隔聲、減振、主動噪聲控制等），論述如何設(shè)計一個有效的低噪聲環(huán)境（例如，一個隔音音樂室或一個需要安靜的工作空間），需要考慮哪些關(guān)鍵因素，并說明各種技術(shù)如何協(xié)同工作以達到降噪目的。試卷答案一、選擇題1.(D)音調(diào)解析：音調(diào)是人對聲音的主觀感受，與聲壓、聲強、聲速等客觀物理量不同。聲壓、聲強、聲速是描述聲波在介質(zhì)中傳播特性的基本物理參數(shù)。2.(A)不同頻率、不同振幅的簡諧信號解析：根據(jù)傅里葉定理，任何復(fù)雜的非周期性信號都可以分解為一系列頻率不同、振幅也不同（可能包含相位）的簡諧正弦信號的無限疊加。3.(B)聲壓有效值解析：分貝（dB）是聲壓級、聲強級、聲功率級的單位，它們都是基于聲壓有效值、聲強、聲功率的對數(shù)來定義的。雖然常用來描述響度，但其物理基礎(chǔ)是聲壓。4.(A)響度解析：等響度曲線描述了不同頻率的聲音需要達到多大的聲壓級才能被人耳感知到具有相同的響度，因此響度隨頻率變化。5.(B)聲波引起材料內(nèi)部空氣的振動和摩擦生熱解析：多孔吸聲材料依靠其內(nèi)部大量的微小孔隙，聲波傳入后，引起孔隙中空氣的振動、流動和摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。6.(B)隔聲量解析：隔聲量是衡量材料或結(jié)構(gòu)隔絕聲波傳入其后方空間能力的指標，直接反映了材料的隔聲性能。7.(D)使噪聲的相位與原始噪聲相反，從而相消解析：主動噪聲控制的核心原理是利用電子設(shè)備產(chǎn)生一個與原始噪聲（或目標噪聲）具有相同頻率但相位相反的“反相噪聲”，兩者疊加時發(fā)生相消干涉。8.(C)聲波的傳播速度解析：聲學(xué)超材料是由亞波長尺寸的人工結(jié)構(gòu)單元周期性或非周期性排列構(gòu)成的材料，其宏觀特性（如折射率、聲速）可以與基體材料不同，甚至可以實現(xiàn)負折射等奇異現(xiàn)象。9.(B)反射解析：聲納（聲波導(dǎo)航與測距）系統(tǒng)通過發(fā)射聲波，并接收目標反射回來的回波，根據(jù)回波的特征（強度、時間延遲、頻率變化等）來探測、定位和識別目標。10.(A)頻域解析：傅里葉變換是將一個信號從時間域轉(zhuǎn)換到頻域的過程，它揭示了信號包含哪些頻率成分以及各頻率成分的強度（振幅）和相位。二、填空題1.簡解析：聲波本質(zhì)上是一種機械波，是介質(zhì)中質(zhì)點振動引起的擾動傳播，這種擾動表現(xiàn)為壓力（聲壓）隨時間的變化。2.正解析：根據(jù)聲強級的定義I=P2/(ρc)，聲強I與聲壓有效值P的平方成正比。3.c解析：c是聲速（SpeedofSound）的常用符號。4.2解析：根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了無失真地恢復(fù)連續(xù)時間信號，采樣頻率fs必須大于信號中所含最高頻率fmax的兩倍。5.低解析：薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)對聲波頻率比較敏感，其共振頻率通常在低頻段，因此主要用于吸收低頻聲波。6.Rw解析：隔聲量（SoundReductionIndex）的符號通常用Rw表示，單位是分貝（dB）。7.目標解析：主動噪聲控制系統(tǒng)通常包括麥克風、控制器和揚聲器。參考麥克風用于拾取需要消除的噪聲（目標噪聲）的信號。8.特殊解析：聲學(xué)超材料與普通材料不同，它對聲波表現(xiàn)出特殊的調(diào)控能力，如負折射、聲隱身、完美吸聲等。9.20000解析：人耳能聽到的聲音頻率范圍通常認為是20Hz到20000Hz，其中高于20000Hz的聲波稱為超聲波。10.頻率解析：功率譜密度（PowerSpectralDensity）描述了信號的平均功率在頻率軸上的分布情況。三、計算題1.解：波長λ=v/f其中，v=343m/s是聲速，f=500Hz是頻率。λ=343m/s/500Hz=0.686m答：該聲音在空氣中傳播的波長是0.686米。解析：波長、聲速和頻率之間的關(guān)系為λ=v/f。直接代入數(shù)值計算即可。2.解：聲強I=PWA/4πr2其中，PWA=10^-4W是聲功率，r=10m是距離。I=(10^-4W)/(4π(10m)2)=(10^-4)/(400π)W/m2≈7.96×10^-7W/m2聲壓有效值P=√(Iρc)其中，ρ=1.21kg/m3是空氣密度（通常取值），c=343m/s是聲速，I是剛計算的聲強。P=√((7.96×10^-7W/m2)×(1.21kg/m3)×(343m/s))≈√(3.29×10^-4)Pa≈0.0181Pa聲壓級Lp=20log(P/P?)其中，P?=2×10^-5Pa是參考聲壓（通常取值）。Lp=20log(0.0181Pa/2×10^-5Pa)=20log(900)≈20×3.95≈79dB（注意：題目給的是聲阻抗，但計算聲強通常只需要聲功率和距離。若需考慮聲阻抗，則I=PWA/(4πr2Z)或I=P2/(ρcZ)，但題目未給聲壓，無法直接計算聲強。此處按標準聲強公式計算。）若題目意圖是計算聲壓級：Lp=10log(P2/(ρcP?2))=10log((0.0181Pa)2/((1.21kg/m3)×(343m/s)×(2×10^-5Pa)2))Lp=10log(3.29×10^-4/(8.29×10^-9))=10log(3.97×10^4)≈10×4.60≈46dB（此解法需假設(shè)題目意在計算聲壓級，但未明確聲壓）按標準聲強公式計算結(jié)果I≈7.96×10^-7W/m2。解析：計算聲強使用公式I=PWA/(4πr2)。計算聲壓需要聲強I和聲阻抗Z，公式為P=√(IρcZ)。題目未給聲壓，無法直接求聲壓。若題目意在求聲壓級，則需先求聲壓。此處提供了兩種可能的計算路徑及結(jié)果。3.解：降噪量LNR=10log(1/τ)其中，吸聲系數(shù)α=1-τ。降噪量LNR與吸聲系數(shù)α的關(guān)系為LNR=10log(1/(1-α))。在500Hz時：α?=0.6=>τ?=1-0.6=0.4LNR?=10log(1/0.4)=10log(2.5)≈10×0.398≈4.0dB在1000Hz時：α?=0.3=>τ?=1-0.3=0.7LNR?=10log(1/0.7)=10log(1.429)≈10×0.155≈1.6dB答：該材料在500Hz時的降噪量約為4.0分貝，在1000Hz時的降噪量約為1.6分貝。解析：降噪量（NoiseReduction,NR）或吸聲降噪量（SoundAbsorptionNoiseReduction,SANNR）與吸聲系數(shù)α的關(guān)系為LNR=10log(1/(1-α))。分別代入不同頻率下的吸聲系數(shù)計算即可。四、簡答題1.簡述多普勒效應(yīng)的基本原理及其在聲學(xué)中的應(yīng)用。解析：多普勒效應(yīng)是指波源與觀察者相對介質(zhì)運動時，觀察者接收到的波的頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。當波源接近觀察者時，觀察者接收到的頻率高于波源頻率；當波源遠離觀察者時，觀察者接收到的頻率低于波源頻率。在聲學(xué)中，多普勒效應(yīng)可用于雷達、聲納的測速，醫(yī)學(xué)超聲診斷（測量血流速度），交通警察測速等。2.簡述聲音在室內(nèi)傳播時，主要經(jīng)歷哪些吸收和反射過程？解析：聲音在室內(nèi)傳播時，會遇到墻壁、地面、天花板、家具、人體等界面。這些界面一方面會反射聲波，改變聲波的傳播方向和強度；另一方面會吸收聲能，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而減弱聲波的強度。不同材料的吸聲特性不同，導(dǎo)致室內(nèi)聲場分布復(fù)雜，產(chǎn)生混響等現(xiàn)象。3.與被動噪聲控制相比，主動噪聲控制有哪些主要優(yōu)缺點？解析：優(yōu)點：理論上可以完全消除特定頻率的噪聲；不依賴于吸聲或隔聲材料，可以用于一些對材料要求高的場合；可以根據(jù)噪聲特性自適應(yīng)調(diào)整；可以針對性地消除特定頻段噪聲，不影響其他頻段。缺點：系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高；需要實時處理噪聲信號；對噪聲源特性有較高要求（如穩(wěn)定、單一頻率）；可能引入新的噪聲（如系統(tǒng)自激振蕩）；對環(huán)境變化敏感。五、論述題結(jié)合具體的聲學(xué)控制技術(shù)（如吸聲、隔聲、減振、主動噪聲控制等），論述如何設(shè)計一個有效的低噪聲環(huán)境（例如，一個隔音音樂室或一個需要安靜的工作空間），需要考慮哪些關(guān)鍵因素，并說明各種技術(shù)如何協(xié)同工作以達到降噪目的。解析：設(shè)計有效的低噪聲環(huán)境需要綜合考慮噪聲源特性、傳播途徑以及受聲點要求。通常采用多層次的聲學(xué)控制策略。首先，分析噪聲源的類型（穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)、高頻、低頻）和強度，以及噪聲傳播的主要途徑（空氣傳播、結(jié)構(gòu)傳播）。對于空氣傳播噪聲，可以通過以下方式控制：1.吸聲處理：在室內(nèi)墻壁、天花板、地面使用吸