2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)在海洋氣象監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡述聲波在海水介質(zhì)中傳播時(shí)，溫度、鹽度、深度變化對(duì)其聲速的主要影響機(jī)制。2.解釋什么是聲波的吸收，并列舉至少三種導(dǎo)致海水吸收聲波的主要物理因素。3.聲強(qiáng)級(jí)與聲強(qiáng)之間有何關(guān)系？使用分貝（dB）單位衡量聲強(qiáng)級(jí)有何優(yōu)勢(shì)？二、4.瑞利方程適用于何種聲波傳播場(chǎng)景？簡述其基本思想。5.射線理論在海洋聲學(xué)中常被用于近似描述聲線傳播路徑，其基本假設(shè)是什么？該理論在哪些海洋環(huán)境下適用性較差？6.在使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）測(cè)量海流時(shí)，多普勒頻移的大小與哪些因素直接相關(guān)？請(qǐng)說明其測(cè)量原理的簡要過程。三、7.聲學(xué)層析成像技術(shù)（AcousticTomography）在海洋氣象監(jiān)測(cè)中可用于什么目的？簡述其基本工作原理。8.簡要說明使用水聽器陣列進(jìn)行海洋環(huán)境參數(shù)反演（如溫度場(chǎng)、流速場(chǎng)）的基本步驟。9.噪聲分析在聲學(xué)海洋氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中扮演什么角色？如何區(qū)分由環(huán)境因素引起的背景噪聲和由海洋氣象現(xiàn)象產(chǎn)生的有效聲信號(hào)？四、10.闡述利用聲學(xué)方法估算海面風(fēng)場(chǎng)的基本原理。這種方法相較于傳統(tǒng)氣象測(cè)量手段有何潛在優(yōu)勢(shì)？11.聲學(xué)反演大氣邊界層高度（PBL）通常依賴于哪些聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)和原理？簡述其物理依據(jù)。12.聲學(xué)監(jiān)測(cè)在研究海洋層結(jié)變化與風(fēng)暴（如颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)）形成和發(fā)展的過程中，可以提供哪些關(guān)鍵信息？分析聲學(xué)監(jiān)測(cè)在此類研究中所面臨的主要挑戰(zhàn)。五、13.設(shè)計(jì)一個(gè)利用聲學(xué)技術(shù)監(jiān)測(cè)特定海域短期海浪變化的方案。請(qǐng)說明將采用哪些具體的聲學(xué)設(shè)備或技術(shù)，并簡述數(shù)據(jù)獲取與處理分析的主要流程。14.對(duì)比聲學(xué)遙感技術(shù)與光學(xué)遙感技術(shù)在海洋氣象參數(shù)測(cè)量方面的主要差異和各自的優(yōu)勢(shì)。15.討論在當(dāng)前技術(shù)條件下，實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍、持續(xù)性的聲學(xué)海洋氣象監(jiān)測(cè)所面臨的主要技術(shù)瓶頸和未來的發(fā)展方向。試卷答案一、1.聲速受海水溫度、鹽度和壓力（深度）的影響。溫度升高，水分子運(yùn)動(dòng)加劇，分子間距增大減小，聲波傳播速度加快；鹽度增加，水中離子數(shù)增多，對(duì)聲波傳播的彈性作用增強(qiáng)，聲速也相應(yīng)增大；深度增加，壓力增大，水分子的可壓縮性減小，聲速隨之增大。2.聲波吸收是指聲波能量在傳播過程中因介質(zhì)阻力而逐漸轉(zhuǎn)化為其他形式（如熱能）的現(xiàn)象。主要物理因素包括：海水粘滯性（內(nèi)摩擦），將聲波能量轉(zhuǎn)化為熱能；海水中的氣體（如溶解氧、空氣泡），與聲波相互作用導(dǎo)致能量損失；海水中的雜質(zhì)和懸浮顆粒，與聲波散射和吸收。3.聲強(qiáng)級(jí)（L）以分貝（dB）為單位表示時(shí)，L=10*log10(I/I?)，其中I是聲強(qiáng)，I?是參考聲強(qiáng)。使用分貝單位的好處是：能夠表示跨越極寬范圍的聲強(qiáng)，因?yàn)槁晱?qiáng)變化范圍很大（可達(dá)10^-12至1W/m2），對(duì)數(shù)標(biāo)度能有效壓縮動(dòng)態(tài)范圍；更符合人耳對(duì)聲音響度的感知特性，人耳感知響度與聲強(qiáng)級(jí)近似呈對(duì)數(shù)關(guān)系。二、4.瑞利方程適用于描述在均勻、無限、各向同性介質(zhì)中，點(diǎn)聲源產(chǎn)生的球面聲波的傳播。其基本思想是基于波動(dòng)方程的積分形式，通過求解格林函數(shù)，計(jì)算距離聲源任意距離處的聲壓或聲強(qiáng)分布。5.射線理論的基本假設(shè)是：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)如同光線一樣沿直線（聲線）傳播；介質(zhì)是均勻或分層但分界面是平直的；忽略聲波的衍射效應(yīng)。該理論在聲速隨距離變化緩慢、聲線彎曲不大、無顯著多徑效應(yīng)的海洋環(huán)境下適用性較好，但在存在劇烈聲速梯度、海底地形復(fù)雜、存在顯著多徑干擾的區(qū)域，其適用性會(huì)降低。6.多普勒頻移的大小與聲源（ADCP）與散射體（水體或顆粒）之間的相對(duì)速度（即流速）成正比，也與聲波頻率和聲速有關(guān)。其測(cè)量原理簡要過程為：ADCP向水體發(fā)射已知頻率的聲波，接收由水體中散射體（如氣泡、水生生物、懸浮砂粒）反射回來的聲波；通過測(cè)量接收到的回波信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的頻移量，根據(jù)聲波頻率和聲速，計(jì)算出散射體（即水體）相對(duì)于ADCP的速度，從而得到流速信息。三、7.聲學(xué)層析成像技術(shù)可用于繪制海洋溫度剖面、監(jiān)測(cè)溫躍層變化、估算海流等，進(jìn)而服務(wù)于海洋氣象監(jiān)測(cè)。其基本工作原理類似于醫(yī)學(xué)CT成像，通過在海洋中布設(shè)多個(gè)水聽器組成陣列，向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射聲波，接收從目標(biāo)區(qū)域反射或透射回來的聲波信號(hào)；根據(jù)聲波在不同路徑上傳播的時(shí)間、強(qiáng)度等變化，反演出目標(biāo)區(qū)域的聲學(xué)屬性（如聲速分布），進(jìn)而推算出相關(guān)的海洋水文參數(shù)（如溫度場(chǎng)）。8.使用水聽器陣列進(jìn)行海洋環(huán)境參數(shù)反演的基本步驟通常包括：在目標(biāo)海域布設(shè)水聽器陣列；向陣列發(fā)射聲源信號(hào)或接收環(huán)境自然聲信號(hào)；同步記錄每個(gè)水聽器接收到的信號(hào)；進(jìn)行信號(hào)處理，如去除噪聲、進(jìn)行時(shí)空濾波等；利用已知的陣列幾何構(gòu)型和聲學(xué)模型，結(jié)合接收到的信號(hào)特征（如到達(dá)時(shí)間差、相位差、強(qiáng)度等），反演出目標(biāo)區(qū)域的聲學(xué)屬性或相關(guān)海洋環(huán)境參數(shù)。9.噪聲分析在聲學(xué)海洋氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中用于識(shí)別、分離和量化背景噪聲，是提取有效聲信號(hào)的前提。通過分析噪聲的頻譜特征、時(shí)空分布等，可以區(qū)分由環(huán)境因素（如風(fēng)浪、海流、生物活動(dòng)）引起的背景噪聲和由特定海洋氣象現(xiàn)象（如風(fēng)暴產(chǎn)生的次聲波、溫躍層活動(dòng)等）產(chǎn)生的目標(biāo)聲信號(hào)，從而提高有效信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別能力。四、10.利用聲學(xué)方法估算海面風(fēng)場(chǎng)的基本原理主要是基于風(fēng)對(duì)海面的作用會(huì)改變海面狀況，進(jìn)而影響海面附近的聲波傳播特性。例如，風(fēng)引起海面波浪和起伏，導(dǎo)致聲波在傳播到接收器前發(fā)生多次反射、散射和干涉，改變接收信號(hào)的強(qiáng)度譜、頻率譜或到達(dá)時(shí)間等特征。通過分析這些聲學(xué)信號(hào)特征與風(fēng)速之間的相關(guān)性，建立聲學(xué)測(cè)量參數(shù)與風(fēng)速之間的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，從而反演海面風(fēng)場(chǎng)信息。潛在優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離、全天候的風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，尤其是在難以部署傳統(tǒng)氣象站的高海況或偏遠(yuǎn)海域。11.聲學(xué)反演大氣邊界層高度（PBL）通常依賴于對(duì)近地表聲學(xué)參數(shù)（如聲速剖面、溫度脈動(dòng)、風(fēng)速脈動(dòng)等）的測(cè)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合相應(yīng)的聲學(xué)反演模型或理論。其物理依據(jù)在于：大氣邊界層內(nèi)湍流活動(dòng)強(qiáng)烈，聲波在邊界層內(nèi)傳播會(huì)發(fā)生顯著的散射和折射，導(dǎo)致聲波路徑彎曲、到達(dá)時(shí)間延遲、信號(hào)衰減等變化，這些聲學(xué)現(xiàn)象對(duì)邊界層高度敏感。通過分析聲學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)中反映湍流特征的信號(hào)（如相干性、譜特性等），可以反演出大氣邊界層的高度。12.聲學(xué)監(jiān)測(cè)可以提供風(fēng)暴發(fā)展過程中的關(guān)鍵信息，如：通過分析次聲波信號(hào)探測(cè)風(fēng)暴中心的位置和強(qiáng)度變化；通過聲學(xué)多普勒測(cè)風(fēng)技術(shù)獲取風(fēng)暴內(nèi)部的垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)；通過監(jiān)測(cè)溫鹽聲學(xué)剖面變化間接反映海氣相互作用和海洋層結(jié)對(duì)風(fēng)暴發(fā)展的影響；通過分析海浪噪聲特征估算海浪高度和譜信息。主要挑戰(zhàn)包括：風(fēng)暴環(huán)境噪聲強(qiáng)烈，有效信號(hào)提取困難；強(qiáng)風(fēng)和海浪導(dǎo)致聲學(xué)設(shè)備損壞或信號(hào)失真；聲波在復(fù)雜大氣和海洋環(huán)境中的傳播路徑難以精確預(yù)測(cè)，影響反演精度。五、13.監(jiān)測(cè)短期海浪變化的聲學(xué)方案設(shè)計(jì)：采用岸基或浮標(biāo)部署的聲學(xué)層析成像系統(tǒng)或長基線干涉儀（VLBI）技術(shù)。方案流程：首先在監(jiān)測(cè)海域布設(shè)足夠密度的水聽器陣列或利用固定平臺(tái)進(jìn)行聲波發(fā)射與接收；選擇合適的聲源信號(hào)（如低頻連續(xù)波或短脈沖）并發(fā)射；同步記錄陣列中各水聽器接收到的聲波信號(hào)；對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理（去噪、濾波）；利用信號(hào)的時(shí)間延遲、相位差等信息，計(jì)算海面起伏引起的聲波路徑變化；根據(jù)聲學(xué)模型反演得到海面位移場(chǎng)或波浪譜信息；進(jìn)行實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與分析，繪制海浪變化圖或提取海浪要素（如波高、周期）；最后，將分析結(jié)果傳輸至監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行顯示和評(píng)估。14.聲學(xué)遙感技術(shù)與光學(xué)遙感技術(shù)在海洋氣象參數(shù)測(cè)量方面的主要差異：探測(cè)原理不同，聲學(xué)利用聲波在介質(zhì)中傳播和反射/散射的原理，光學(xué)利用電磁波（可見光、紅外、紫外等）的反射、散射或輻射原理；工作介質(zhì)不同，聲學(xué)主要適用于水介質(zhì)，光學(xué)適用于透明或半透明水介質(zhì)以及大氣；穿透能力不同，聲波在水中穿透能力遠(yuǎn)強(qiáng)于光波，光學(xué)遙感受水體渾濁度、透明度、光照條件限制較大；信息獲取內(nèi)容不同，聲學(xué)擅長探測(cè)水下參數(shù)（如溫度、鹽度、流速、聲速結(jié)構(gòu)）和次聲波信號(hào)（如臺(tái)風(fēng)），光學(xué)更擅長探測(cè)海表參數(shù)（如溫度、色素、波高、浪向）和大氣參數(shù)；對(duì)環(huán)境依賴性不同，聲學(xué)受水體噪聲、聲速分布影響大，光學(xué)受水色、濁度、光照影響大。15.實(shí)現(xiàn)高精度、大范圍、持續(xù)性的聲學(xué)海洋氣象監(jiān)測(cè)面臨的主要技術(shù)瓶頸和未來發(fā)展方向：主要瓶頸包括：①海洋環(huán)境復(fù)雜多變，聲速剖面、海底地形、海面狀況等劇烈變化導(dǎo)致聲波傳播路徑高度不確定，嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)精度和模型可靠性；②海洋背景噪聲強(qiáng)烈且時(shí)空變化復(fù)雜，有效信號(hào)提取困難，尤其是在高噪聲環(huán)境（如風(fēng)浪大、生物活動(dòng)頻繁）下；③聲學(xué)設(shè)備在惡劣海洋環(huán)境（高鹽霧、海生物附著、海流沖擊）下的長期穩(wěn)定運(yùn)行和可靠維護(hù)是巨大挑戰(zhàn)；④聲學(xué)反演算法的精度和適用性有待提高，尤其是在非均質(zhì)、非定常海洋環(huán)境下的參數(shù)反演；⑤大范圍、高密度的聲學(xué)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高昂。未來發(fā)展方向：①開發(fā)更先進(jìn)的聲學(xué)傳感器