2025年大學《聲學》專業(yè)題庫——聲學與聲波天文學的研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的代表字母填在題后的括號內(nèi)。每小題2分，共20分）1.在聲波天文學中，探測到的來自中子星自轉(zhuǎn)的“glitches”（glitches）現(xiàn)象，通常被認為與星體內(nèi)部發(fā)生的何種物理過程有關？A.質(zhì)量轉(zhuǎn)移B.內(nèi)部超流體相變C.表面磁場變化D.外部輻射壓力2.瑞利公式描述了聲波在哪個邊界條件下的反射系數(shù)？A.完全吸收邊界B.半空間自由表面C.無限大介質(zhì)內(nèi)部D.兩種理想介質(zhì)平界面3.相對于電磁波，聲波（特別是引力波）在探測天體時最大的優(yōu)勢在于？A.能穿透所有類型的介質(zhì)B.能提供關于天體化學成分的直接信息C.對宇宙學參數(shù)（如哈勃常數(shù)）的測量具有更高精度D.不受相對論效應的影響4.LIGO（激光干涉引力波天文臺）探測引力波主要利用了光波的什么性質(zhì)？A.波長B.衍射C.干涉D.偏振5.在聲波天文學中，“天體聲學”（AstrophysicalAcoustics）這一術語主要指什么？A.星際介質(zhì)中的背景噪聲B.恒星、行星等天體內(nèi)部由能量流動引起的聲波振蕩C.宇宙早期殘留的次聲波輻射D.基于聲音的行星探測技術6.海底電纜陣列（如OceanBottomSeismographArrays）主要用于探測哪種類型的聲波或引力波？A.地面地震波B.低頻引力波C.地幔內(nèi)部聲學波D.次聲波（來自海洋生物或火山活動）7.聲波背景輻射（AcousticBackgroundRadiation）與宇宙微波背景輻射（CMB）的主要區(qū)別在于？A.發(fā)射源不同B.頻率不同C.等效溫度不同D.以上都是8.聲波在介質(zhì)中傳播時，聲強與距離成什么關系（在擴散和吸收可忽略的情況下）？A.成正比B.成反比C.成反比平方D.不確定，取決于介質(zhì)9.利用聲波進行地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測時，通常采用什么方法？A.發(fā)射電磁波并接收反射信號B.分析天然地震波或人工激發(fā)地震波的傳播路徑和速度C.探測地磁場變化引起的聲學效應D.直接測量地核的溫度10.在聲波干涉測量中，相干波束組合可以提高信噪比，其基本原理是？A.增加總聲強B.濾除特定頻率的噪聲C.利用波的疊加原理使信號在特定點相長干涉D.改變聲波的傳播方向二、名詞解釋（請為下列名詞提供簡潔、準確的定義或解釋。每小題3分，共15分）1.多普勒效應（DopplerEffect）2.短程坐標（Short-RangeCoordinates）3.聲波成像（AcousticImaging）4.背景引力波輻射（StochasticGravitationalWaveBackground）5.全相位檢波法（Full-PhaseDetection）三、簡答題（請簡要回答下列問題。每小題5分，共20分）1.簡述引力波與電磁波在產(chǎn)生機制、傳播速度和探測方式上的主要區(qū)別。2.解釋為何聲波脈動觀測對于理解恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。3.簡要說明聲波在生物聲學研究中可能的應用方向。4.闡述利用海底電纜陣列探測低頻引力波的潛在優(yōu)勢和面臨的主要挑戰(zhàn)。四、計算題（請按步驟解答下列問題。每小題7分，共14分）1.假設一遙遠超新星爆發(fā)產(chǎn)生的引力波到達地球時，其頻率為150Hz，對應偏振角為45度。已知引力波在真空中的傳播速度為c。請估算該引力波源距離地球的大致距離（光年）。假設引力波傳播過程中頻率變化可忽略，且引力波速近似等于光速c≈3x10^8m/s，1光年≈9.46x10^15m。2.在聲波干涉實驗中，兩相干聲源S1和S2相距d=1.0米，發(fā)射頻率f=500Hz的聲波，聲速v=343m/s。接收器從S1沿垂直于S1S2連線方向移動，距離S1為r1。在接收器移動過程中，第一次聽到聲音最響的位置距離S1為r1=3.0米。求該聲波的波長λ以及兩聲源S1和S2之間的相位差。五、論述題（請就下列問題進行深入論述。共11分）結(jié)合聲波在不同介質(zhì)中傳播的特性以及當前聲波天文觀測的技術手段，探討聲波天文學在未來可能的發(fā)展方向和面臨的關鍵挑戰(zhàn)。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.A4.C5.B6.B7.D8.C9.B10.C二、名詞解釋1.多普勒效應：波源與觀察者相對運動時，觀察者接收到的波頻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。當相對靠近時頻率升高，相對遠離時頻率降低。2.短程坐標：在聲學中，特別是在研究天體聲學或地球內(nèi)部聲學時，為了簡化波動方程，將空間坐標相對于聲源或擾動源進行局部展開，得到的局部坐標稱為短程坐標。3.聲波成像：利用聲波在介質(zhì)中傳播和反射的原理，通過接收反射回來的聲波信號，重建物體內(nèi)部或表面結(jié)構(gòu)的技術。4.背景引力波輻射：指宇宙早期（如大爆炸的早期階段）產(chǎn)生的、彌散在整個宇宙中、強度極低的引力波噪聲背景。5.全相位檢波法：一種引力波探測器信號處理技術，旨在精確測量接收信號與本地參考信號之間的相位差，以最大化對特定引力波頻率成分的敏感度。三、簡答題1.產(chǎn)生機制：引力波由加速運動的質(zhì)量（如黑洞合并、中子星碰撞）產(chǎn)生；電磁波由加速運動的電荷產(chǎn)生。傳播速度：引力波在真空中以光速c傳播；電磁波在真空中也以光速c傳播。探測方式：引力波需要通過極其靈敏的干涉儀等設備探測時空擾動；電磁波可以通過各類天線和探測器（如望遠鏡）在電磁波譜的不同波段接收。2.恒星內(nèi)部的能量運輸（輻射或?qū)α鳎┮约昂朔磻环€(wěn)定性會產(chǎn)生聲波振蕩。這些內(nèi)部聲波會傳播到恒星表面，調(diào)制恒星的光度和半徑，形成周期性的變化。通過精確測量這些周期性變化，可以反推恒星內(nèi)部的密度、壓力、溫度、化學成分等關鍵信息，從而深入了解恒星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化狀態(tài)。3.聲波可用于水下探測，研究海洋生物的通信、行為和分布；利用聲納技術探測海底地形、海底沉積物和埋藏物；聲學方法也可用于監(jiān)測水下環(huán)境噪聲，評估人類活動的影響；在某些情況下，聲波甚至被探索用于水下無線通信或能量傳輸。4.優(yōu)勢：海底電纜陣列可以布設在大洋深處，遠離陸地噪聲干擾，環(huán)境相對穩(wěn)定，適合接收非常低頻（毫赫茲級）的引力波信號；電纜本身具有一定的質(zhì)量，可能對引力波產(chǎn)生更直接的響應；陣列可以提供空間信息，有助于定位引力波源。挑戰(zhàn)：低頻引力波信號極其微弱，探測難度極大；海底環(huán)境復雜，電纜可能受到地質(zhì)活動、海洋生物等因素影響；信號處理和數(shù)據(jù)分析極為復雜；建設和維護成本高昂。四、計算題1.解：*引力波速度v≈c=3x10^8m/s*觀測頻率f=150Hz*光年距離L(光年)=?(1光年≈9.46x10^15m)*波速關系：v=f*λ_gw(引力波波長λ_gw)*λ_gw=v/f=(3x10^8m/s)/(150Hz)=2x10^6m*引力波傳播距離L(米)=c*T，其中T為信號傳播時間。*T=L/c=λ_gw/f=(2x10^6m)/(150Hz)=1.33x10^4s*L(光年)=(1.33x10^4s)*(3x10^8m/s)/(9.46x10^15m/光年)*L(光年)≈4.3x10^8/9.46x10^15≈4.5x10^(-7)光年**注：此計算結(jié)果與預期規(guī)模（通常引力波源距離遠超此值）可能有顯著差異，需檢查物理模型或數(shù)值設置是否合理。若按引力波源功率/距離關系估算，距離通常為百億光年以上。此處按λ=fT直接計算，結(jié)果數(shù)值上由f和c決定，與源功率無關，物理上需重新審視。但按題目要求完成計算過程。*2.解：*已知：d=1.0m,f=500Hz,v=343m/s*r1=3.0m(第一次最響位置距S1)*求λ和Δφ*兩聲源到接收器的距離差Δr=√(r1^2+(r1+d/2)^2)-√(r1^2+(r1-d/2)^2)*Δr=√(3^2+(3+0.5)^2)-√(3^2+(3-0.5)^2)*Δr=√(9+3.5^2)-√(9+2.5^2)=√(9+12.25)-√(9+6.25)*Δr=√21.25-√15.25≈4.61-3.90=0.71m*波長λ=v/f=343m/s/500Hz=0.686m*相位差Δφ=(2π/λ)*Δr=(2π/0.686m)*0.71m*Δφ≈(9.19/0.686)*0.71≈13.4*0.71≈9.55rad五、論述題聲波天文學未來發(fā)展可能的方向包括：更高靈敏度的探測器（如空間引力波探測器、地面干涉儀的升級、水下干涉儀等）以探測更弱信號、更寬頻率范圍的事件；更先進的數(shù)據(jù)處理和分析技術，以從海量數(shù)據(jù)中提取有價值信息，區(qū)分引力波信號與噪聲；與其他波段的觀測（電磁波、中微子、宇宙射線）進行聯(lián)合觀測，實現(xiàn)多信使天文學，提供更全面的天體物理圖景；發(fā)展新的聲波探測技術，如利用