2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——聲音信號(hào)處理技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號(hào)內(nèi)。）1.在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，聲波在空氣中的傳播速度約為（）。A.300m/sB.340m/sC.1530m/sD.299792458m/s2.功率相同時(shí)，兩個(gè)聲源的聲強(qiáng)級(jí)（以分貝為單位）相差3dB，則它們的聲強(qiáng)之比是（）。A.1B.2C.3D.log10(2)3.傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到（）。A.時(shí)域B.頻域C.復(fù)頻域D.空間域4.對(duì)于一個(gè)N點(diǎn)實(shí)數(shù)序列進(jìn)行FFT變換，其輸出有N個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)，則其中（）個(gè)是實(shí)數(shù)。A.NB.N/2C.N/2+1D.N/2-15.在聲信號(hào)處理中，低通濾波器的作用是（）。A.通過(guò)高頻信號(hào)，阻止低頻信號(hào)B.通過(guò)低頻信號(hào)，阻止高頻信號(hào)C.通過(guò)直流信號(hào)，阻止交流信號(hào)D.阻止所有信號(hào)6.變壓器內(nèi)部絕緣擊穿時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生（）類型的聲信號(hào)。A.低頻連續(xù)聲B.高頻脈沖聲C.諧波豐富的寬帶噪聲D.低頻諧波脈沖聲7.小波變換相比傅里葉變換的主要優(yōu)勢(shì)之一是（）。A.計(jì)算速度更快B.能同時(shí)提供時(shí)域和頻域信息C.對(duì)所有信號(hào)都更有效D.無(wú)需復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式8.在電力系統(tǒng)中，利用聲學(xué)傳感器進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其主要優(yōu)點(diǎn)之一是（）。A.可以直接測(cè)量設(shè)備的功率B.可以實(shí)現(xiàn)非接觸式監(jiān)測(cè)C.對(duì)環(huán)境噪聲不敏感D.成本非常低廉9.對(duì)于齒輪箱的故障診斷，通常更關(guān)注其聲信號(hào)頻譜中的（）。A.基頻成分B.諧波成分C.間諧波成分D.閃頻成分10.聲強(qiáng)是指（）。A.聲壓隨時(shí)間的變化率B.聲能量的傳播率C.聲功率D.聲壓的平方二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將正確答案填在題中的橫線上。）1.聲壓是描述聲波________的物理量，通常用p表示。2.聲強(qiáng)級(jí)的單位是________，符號(hào)是________。3.一維離散信號(hào)x[n]的N點(diǎn)DFT定義為X[k]=Σ[n=0toN-1]x[n]*exp(-j*2π*k*n/N)，其中k=0,1,...,N-1。4.數(shù)字濾波器根據(jù)單位脈沖響應(yīng)是否有限，可分為________濾波器和________濾波器。5.提取聲信號(hào)特征時(shí)，常用的時(shí)域特征包括________、峰值、均方根等。6.在電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷中，局部放電聲信號(hào)的頻率通常位于________范圍。7.聲音信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)________、________等功能。8.頻譜分析是聲信號(hào)處理中的基本方法，常用的工具有________和________。9.為了抑制電力線產(chǎn)生的50Hz工頻干擾噪聲，通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)________濾波器。10.聲音的響度感知與聲壓級(jí)和________都有關(guān)。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共15分。）1.簡(jiǎn)述聲波在空氣中傳播時(shí)衰減的主要原因。2.簡(jiǎn)要說(shuō)明為什么在分析電力設(shè)備故障聲信號(hào)時(shí)，頻域分析通常比時(shí)域分析更有用。3.簡(jiǎn)述使用數(shù)字濾波器對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行濾波的基本原理。四、計(jì)算題（每題10分，共20分。）1.已知實(shí)數(shù)信號(hào)x[n]={1,2,3,4}(n=0,1,2,3)。請(qǐng)計(jì)算其N=4點(diǎn)的DFTX[k]，并給出X[0]、X[1]、X[2]、X[3]的值（可以保留復(fù)數(shù)形式）。2.假設(shè)要設(shè)計(jì)一個(gè)低通FIR濾波器，其截止頻率為1000Hz，采樣頻率為8000Hz。請(qǐng)簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)該濾波器的步驟，并說(shuō)明需要確定的關(guān)鍵參數(shù)。五、分析題（每題10分，共20分。）1.某電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，某變壓器近期聲強(qiáng)在夜間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常增大，頻譜分析顯示主要能量集中在100-500Hz范圍內(nèi)。請(qǐng)分析可能的原因，并說(shuō)明可以采用哪些聲學(xué)信號(hào)處理技術(shù)來(lái)進(jìn)一步診斷。2.簡(jiǎn)述將聲音信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)安防監(jiān)控的基本原理，并列舉至少兩種可能的聲學(xué)事件檢測(cè)場(chǎng)景及其對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理方法。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.B4.B5.B6.D7.B8.B9.B10.B解析：1.聲波在空氣中的傳播速度受溫度、濕度、氣壓影響，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下約為340m/s。2.聲強(qiáng)級(jí)差3dB，即10*log10(I2/I1)=3，解得I2/I1=2。3.傅里葉變換的核心作用是將信號(hào)在頻域上展開。4.N點(diǎn)DFT輸出為N個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)，其中第0項(xiàng)和第N/2項(xiàng)（若N為偶數(shù)）是實(shí)數(shù)，其余N/2-1項(xiàng)是成對(duì)共軛復(fù)數(shù)。5.低通濾波器允許低頻信號(hào)通過(guò)，阻止高頻信號(hào)通過(guò)。6.變壓器放電故障通常伴隨電弧和氣體振動(dòng)，產(chǎn)生低頻諧波脈沖聲。7.小波變換具有時(shí)頻局部化特性，能同時(shí)提供信號(hào)在時(shí)間和頻率上的信息。8.聲學(xué)傳感器非接觸式測(cè)量，可避免對(duì)設(shè)備本體干擾。9.齒輪箱故障（如齒面點(diǎn)蝕）產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲主要能量集中在故障特征的頻率及其諧波處。10.聲強(qiáng)定義為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的平均聲能量，是聲功率的傳播率。二、填空題1.振動(dòng)程度2.分貝(dB),dB3.轉(zhuǎn)換4.有限長(zhǎng)(FiniteImpulseResponse,FIR),無(wú)限長(zhǎng)(InfiniteImpulseResponse,IIR)5.均值(Mean)6.超聲波(通常>20kHz)7.故障診斷,狀態(tài)監(jiān)測(cè)8.頻譜分析儀,信號(hào)處理軟件(如MATLAB,Python)9.帶阻(Notch)10.距離解析：1.聲壓反映聲波引起介質(zhì)壓強(qiáng)的變化幅度。2.聲強(qiáng)級(jí)的單位是分貝，符號(hào)也是dB。3.DFT是離散傅里葉變換的英文縮寫，是時(shí)域信號(hào)到頻域信號(hào)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換。4.濾波器按單位脈沖響應(yīng)長(zhǎng)度分為FIR和IIR兩大類。5.常用的時(shí)域特征包括均值（反映能量水平）、峰值（反映最大幅值）、RMS（反映有效值）等。6.電力系統(tǒng)工頻干擾為50Hz或100Hz，其倍頻和組合頻可能干擾超聲波范圍的信號(hào)，但典型放電聲源頻率更高。7.聲學(xué)技術(shù)可用于檢測(cè)設(shè)備異常（診斷）和評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)（監(jiān)測(cè)）。8.頻譜分析需要硬件設(shè)備（如分析儀）或軟件工具（如MATLAB）。9.50Hz工頻干擾是常見問題，需用帶阻濾波器消除。10.響度是人對(duì)聲音的主觀感受，與聲壓級(jí)（物理量）及聽者與聲源的遠(yuǎn)近（影響聲壓）有關(guān)。三、簡(jiǎn)答題1.聲波在空氣中傳播時(shí)，能量會(huì)因空氣分子的碰撞、黏性阻力以及熱傳導(dǎo)而逐漸耗散，導(dǎo)致聲強(qiáng)隨距離增加而衰減。頻率越高，衰減越快。2.時(shí)域分析主要觀察信號(hào)隨時(shí)間的變化形態(tài)。而電力設(shè)備故障往往發(fā)生在特定頻率或頻率成分上，頻域分析能直觀顯示信號(hào)包含哪些頻率成分及其強(qiáng)度，便于識(shí)別與故障頻率相關(guān)的特征信號(hào)，從而提高診斷的準(zhǔn)確性和效率。3.數(shù)字濾波器通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波功能。其基本原理是利用濾波器的系統(tǒng)函數(shù)（差分方程或傳遞函數(shù)）對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和。對(duì)于FIR濾波器，是當(dāng)前及過(guò)去若干個(gè)輸入樣本的加權(quán)線性組合；對(duì)于IIR濾波器，除了當(dāng)前和過(guò)去輸入樣本，還涉及過(guò)去輸出樣本的加權(quán)組合。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的加權(quán)系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通等不同濾波效果。四、計(jì)算題1.X[0]=Σ[n=0to3]x[n]*exp(0)=1+2+3+4=10X[1]=Σ[n=0to3]x[n]*exp(-j*2π*1*n/4)=1+2*exp(-jπ/2)+3*exp(-jπ)+4*exp(-j3π/2)=1+j2-3-j4+4j=-2+j6=2√10*exp(j1.249)X[2]=Σ[n=0to3]x[n]*exp(-j*2π*2*n/4)=1+2*exp(-jπ)+3*exp(-j2π)+4*exp(-j3π)=1-2+3-4=-2X[3]=Σ[n=0to3]x[n]*exp(-j*2π*3*n/4)=1+2*exp(-j3π/2)+3*exp(-j3π)+4*exp(-j9π/2)=1-j2-3+j4+4=2-j2=2√2*exp(-jπ/4)答案：X[0]=10,X[1]=2√10*exp(j1.249),X[2]=-2,X[3]=2√2*exp(-jπ/4)2.設(shè)計(jì)步驟：a.確定濾波器類型（FIR或IIR），根據(jù)需求選擇。低通濾波器常選用FIR。b.定義濾波器性能指標(biāo)：截止頻率（fc=1000Hz）、采樣頻率（fs=8000Hz）、過(guò)渡帶寬度、阻帶衰減等。c.計(jì)算歸一化截止頻率：ωc=2πfc/fs=2π*1000/8000=π/4。d.選擇濾波器設(shè)計(jì)方法：如窗函數(shù)法（適用于FIR）、頻率采樣法、脈沖響應(yīng)不變法/雙線性變換法（適用于IIR）。e.（若用窗函數(shù)法）選擇窗函數(shù)類型（如漢明窗、漢寧窗）并確定濾波器階數(shù)N，以滿足過(guò)渡帶和阻帶衰減要求。計(jì)算濾波器系數(shù)h[n]。f.（若用IIR）根據(jù)選定的變換方法（如雙線性變換）和模擬濾波器原型（如巴特沃斯、切比雪夫），計(jì)算數(shù)字濾波器系數(shù)b[n]和a[n]。g.驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果：計(jì)算實(shí)際濾波器的頻率響應(yīng)，檢查是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。需要確定的關(guān)鍵參數(shù)：濾波器類型（FIR/IIR）、截止頻率（fc）、采樣頻率（fs）、濾波器階數(shù)（N，主要FIR）、窗函數(shù)類型（若為FIR）、或模擬原型類型及轉(zhuǎn)換方法（若為IIR）。五、分析題1.可能原因：夜間低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，變壓器內(nèi)部可能發(fā)生輕微局部放電、絕緣材料緩慢老化和裂解、或鐵芯接縫處輕微振動(dòng)等，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的聲信號(hào)能量增加并集中在100-500Hz范圍。100-500Hz也包含一些設(shè)備正常運(yùn)行產(chǎn)生的機(jī)械噪聲?？刹捎玫募夹g(shù)：a)頻譜分析：細(xì)化分析該頻段內(nèi)能量分布和頻譜特征，看是否與已知故障模式（如放電、振動(dòng)）的頻譜圖匹配。b)包絡(luò)分析：提取信號(hào)包絡(luò)，可能揭示低頻脈動(dòng)信息。c)時(shí)頻分析（如短時(shí)傅里葉變換、小波分析）：觀察異常聲信號(hào)在時(shí)間和頻率上的變化特性。d)機(jī)器學(xué)習(xí)：如果積累足夠數(shù)據(jù)，可訓(xùn)練模型進(jìn)行模式識(shí)別和故障分類。2.原理：利用聲音傳感