2025年大學(xué)《聲學(xué)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——聲學(xué)在聲學(xué)轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填在題后括號(hào)內(nèi)。）1.下列哪一項(xiàng)不是聲學(xué)轉(zhuǎn)換的基本形式？A.機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能B.聲能轉(zhuǎn)換為電能C.電能轉(zhuǎn)換為聲能D.熱能轉(zhuǎn)換為聲能2.在聲學(xué)換能器中，通常用來(lái)描述其將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲能效率的參數(shù)是？A.聲阻抗B.靈敏度C.指向性指數(shù)D.聲強(qiáng)級(jí)3.動(dòng)圈式麥克風(fēng)的工作原理主要基于？A.壓電效應(yīng)B.磁電感應(yīng)C.電容變化D.麥克斯韋方程組4.揚(yáng)聲器的音圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的現(xiàn)象主要是？A.壓電效應(yīng)發(fā)聲B.電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流C.電容充放電D.熱聲效應(yīng)5.下列哪種器件通常用于產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波？A.動(dòng)圈麥克風(fēng)B.動(dòng)圈揚(yáng)聲器C.壓電換能器D.電容傳聲器6.聲學(xué)轉(zhuǎn)換器件的靈敏度通常用什么單位表示？A.奈培（Neper）B.分貝（dB）C.瓦特（W）D.帕斯卡（Pa）7.當(dāng)聲波從空氣垂直入射到水面時(shí)，反射系數(shù)主要取決于？A.聲波頻率B.兩種介質(zhì)的密度和聲速C.聲波強(qiáng)度D.觀察者的位置8.在電聲轉(zhuǎn)換中，輸入信號(hào)為聲壓信號(hào)，輸出為電流信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)的阻抗主要表現(xiàn)為？A.電阻B.電容C.電感D.導(dǎo)納9.下列哪項(xiàng)技術(shù)利用了聲學(xué)轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行非接觸式距離測(cè)量？A.光纖傳感B.超聲測(cè)距C.溫度計(jì)D.霍爾效應(yīng)傳感器10.提高麥克風(fēng)指向性的主要目的是？A.增加輸出功率B.減少環(huán)境噪聲干擾C.降低制造成本D.擴(kuò)大頻率響應(yīng)范圍二、填空題（每空1分，共15分。請(qǐng)將答案填在題后橫線上。）1.聲學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程伴隨著能量的形式轉(zhuǎn)換，例如電能轉(zhuǎn)換為_(kāi)_______能，或聲能轉(zhuǎn)換為_(kāi)_______能。2.壓電式麥克風(fēng)的核心部件是利用________效應(yīng)將聲壓變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。3.揚(yáng)聲器的高頻響應(yīng)通常受限于________的機(jī)械振動(dòng)特性。4.聲學(xué)換能器的輸入阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，它包含________和________兩部分。5.在超聲應(yīng)用中，壓電換能器的________層通常負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（聲波）。6.聲強(qiáng)是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波傳播方向的單位面積的________。7.評(píng)價(jià)揚(yáng)聲器指向性的重要參數(shù)是________，它描述了聲功率在不同方向的分布情況。8.聲學(xué)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的匹配問(wèn)題，通常是為了實(shí)現(xiàn)最大功率________或最小化信號(hào)傳輸損耗。9.醫(yī)學(xué)診斷中的B超利用了________換能器發(fā)射和接收超聲波來(lái)成像。10.聲學(xué)轉(zhuǎn)換器件的頻率響應(yīng)特性描述了其輸出響應(yīng)隨________變化的規(guī)律。三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共20分。）1.簡(jiǎn)述動(dòng)圈式麥克風(fēng)和電容式麥克風(fēng)的工作原理的主要區(qū)別。2.簡(jiǎn)述超聲換能器在醫(yī)學(xué)成像中實(shí)現(xiàn)成像的基本過(guò)程。3.簡(jiǎn)述聲學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中可能遇到的主要失真類(lèi)型及其產(chǎn)生原因。4.簡(jiǎn)述電聲換能器（如揚(yáng)聲器）的阻抗特性對(duì)其性能的影響。四、計(jì)算題（每題10分，共30分。）1.一個(gè)麥克風(fēng)在輸入聲壓有效值為20μPa的聲波時(shí)，輸出電壓有效值為1伏特。假設(shè)麥克風(fēng)電容為0.5μF，負(fù)載電阻為10kΩ。求該麥克風(fēng)的聲壓靈敏度（單位：mV/Pa）和電靈敏度（單位：V/W），假設(shè)聲波頻率為1000Hz，空氣中聲速為343m/s，空氣密度為1.21kg/m3。2.一個(gè)點(diǎn)聲源在自由聲場(chǎng)中產(chǎn)生120dB（參考聲壓級(jí)，0dB=20μPa）的聲壓級(jí)。求距離聲源10米處，自由聲場(chǎng)中的聲壓有效值（單位：Pa）和聲強(qiáng)級(jí)（單位：dB，參考聲強(qiáng)10^-12W/m2）。3.一個(gè)揚(yáng)聲器標(biāo)稱(chēng)靈敏度為90dB（2.83Vrms輸入時(shí)，1米處測(cè)得聲壓級(jí)），指向性指數(shù)為6dB（在0°方位，1米處測(cè)量）。若在2米處測(cè)量，輸入信號(hào)仍為2.83Vrms。求該揚(yáng)聲器在0°方位的聲壓級(jí)（dB）。五、論述題（15分。）論述聲學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)在音頻工程和超聲工程中各自的主要應(yīng)用特點(diǎn)、面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.B4.B5.C6.B7.B8.A9.B10.B二、填空題1.聲，電2.壓電3.音圈（或振動(dòng)系統(tǒng)）4.電阻，電抗5.逆壓電6.功率7.指向性指數(shù)8.傳輸9.壓電10.頻率三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：對(duì)比兩種麥克風(fēng)的核心工作機(jī)制。動(dòng)圈式依賴線圈在磁場(chǎng)中切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流（電磁感應(yīng)）。電容式利用聲壓使振膜帶動(dòng)可變電容極板，引起電容值變化，從而通過(guò)外部電路（如振蕩器）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電容變化）。前者無(wú)極化電壓依賴，后者需高壓。*答案：動(dòng)圈式麥克風(fēng)利用聲波引起線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生與聲壓相關(guān)的電信號(hào)。其結(jié)構(gòu)包括振動(dòng)膜片、音圈、磁鐵等。電容式麥克風(fēng)利用聲波引起振動(dòng)膜片與固定背極之間的距離變化，導(dǎo)致兩者構(gòu)成的電容值變化，通過(guò)外部電路（如恒流源或振蕩器）將此電容變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)。其結(jié)構(gòu)包括振動(dòng)膜片、固定背極、極化電壓等。2.解析思路：描述B超的基本流程。超聲換能器（探頭）發(fā)射脈沖超聲波進(jìn)入人體。不同組織對(duì)超聲波的反射和吸收不同。反射回來(lái)的回波被同一換能器接收。接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、處理（如解碼、成像算法），最終在屏幕上形成實(shí)時(shí)圖像。*答案：超聲換能器發(fā)射高頻脈沖超聲波進(jìn)入人體。超聲波在人體不同組織界面處發(fā)生反射，不同組織（如脂肪、肌肉、器官）的聲阻抗不同，導(dǎo)致反射強(qiáng)度不同。帶有組織信息的回波被換能器接收。接收到的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、解調(diào)、數(shù)字化處理，并運(yùn)用成像算法（如B模式、多普勒等）計(jì)算各點(diǎn)回波強(qiáng)度和速度信息，最終在顯示屏上形成相應(yīng)的圖像或血流信息。3.解析思路：列舉聲學(xué)轉(zhuǎn)換中常見(jiàn)的失真類(lèi)型并解釋原因。非線性失真源于器件輸入輸出關(guān)系非線性（如過(guò)載）。頻率響應(yīng)失真指器件對(duì)不同頻率信號(hào)響應(yīng)不一致。相位失真指信號(hào)各頻率分量的相位隨頻率變化。瞬態(tài)失真指器件對(duì)快速變化信號(hào)響應(yīng)滯后或不足。*答案：聲學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的主要失真類(lèi)型包括：非線性失真，即器件的輸出信號(hào)波形不同于輸入信號(hào)波形，通常由輸入信號(hào)幅度過(guò)大或器件本身特性非線性引起；頻率響應(yīng)失真，即器件對(duì)不同頻率的聲波響應(yīng)（如幅度或相位）不同，導(dǎo)致輸出信號(hào)頻率成分發(fā)生變化；相位失真，即信號(hào)中各頻率分量的相位響應(yīng)隨頻率變化，導(dǎo)致波形畸變；瞬態(tài)失真，即器件對(duì)快速變化的聲信號(hào)（如脈沖、高頻信號(hào)）的響應(yīng)跟不上，導(dǎo)致輸出信號(hào)在起始和結(jié)束部分出現(xiàn)畸變。4.解析思路：分析阻抗對(duì)能量傳輸和波形的影響。低阻抗源向高阻抗負(fù)載傳輸功率效率最高。阻抗匹配不良會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射和能量損失。阻抗的頻率依賴性影響器件的頻率響應(yīng)和帶寬。*答案：電聲換能器的阻抗特性影響其與外部電路的匹配和能量傳輸效率。理想情況下，為使功率傳輸最大化，換能器輸出阻抗應(yīng)與負(fù)載阻抗匹配。阻抗匹配不良會(huì)導(dǎo)致信號(hào)在換能器兩端產(chǎn)生反射，一部分能量被反射回去，不僅降低了傳輸?shù)截?fù)載的能量，也可能在換能器內(nèi)部產(chǎn)生振蕩甚至損壞。此外，換能器的阻抗通常是頻率的函數(shù)，其頻率響應(yīng)特性（包括幅度和相位響應(yīng)）直接受到阻抗頻率特性的影響。特別是在共振頻率附近，阻抗的虛部顯著變化，導(dǎo)致輸出信號(hào)幅度出現(xiàn)峰值或谷值。四、計(jì)算題1.解析思路：計(jì)算聲壓靈敏度（S_p=V_p/P），其中V_p是輸出電壓，P是輸入聲壓。計(jì)算電靈敏度（S_e=V/P_ext），其中V是輸出電壓，P_ext是外部施加的聲壓（等于輸入聲壓P）。注意單位換算。計(jì)算時(shí)不需要考慮負(fù)載電阻和電容，除非題目特別要求計(jì)算特定負(fù)載下的電靈敏度或輸入阻抗。這里假設(shè)S_p和S_e指的都是自由場(chǎng)靈敏度。*答案：聲壓靈敏度S_p=V_p/P=1V/20μPa=1/(20*10^-6)Pa=50,000V/Pa=50kV/Pa。電靈敏度S_e=V/P_ext=1V/20μPa=50kV/Pa。*（注：此處的電靈敏度單位為V/Pa，與聲壓靈敏度量綱相同，實(shí)際中S_e常表示為V/W，需補(bǔ)充計(jì)算）***補(bǔ)充計(jì)算電靈敏度S_e(V/W):*需要計(jì)算自由場(chǎng)聲強(qiáng)I。I=P^2/(ρc)=(20*10^-6)^2/(1.21*343)W/m2≈9.47*10^-13W/m2。參考聲強(qiáng)I_ref=10^-12W/m2。參考聲壓級(jí)L_p=20log(I/I_ref)=20log(9.47*10^-13/10^-12)=20log(9.47)≈27.5dB。此時(shí)聲壓靈敏度S_p=L_p=27.5dB=20log(S_p(V/Pa))，S_p(V/Pa)=10^(27.5/20)≈5.01V/Pa。電靈敏度S_e(V/W)=S_p(V/Pa)*(I_ref/P_ref)=5.01V/Pa*(10^-12W/m2/(20*10^-6Pa*343m/s))≈5.01*(10^-12/6.86*10^-3)V/W≈7.30*10^-10V/W。*（修正原答案單位）*2.解析思路：聲壓級(jí)公式L_p=20log(P/P_ref)。求聲壓P=10^L_p/20*P_ref。聲強(qiáng)I=P^2/(ρc)。聲強(qiáng)級(jí)L_I=10log(I/I_ref)=10log((P^2/(ρc))/I_ref)=10log(P^2/(ρc*I_ref))=10log((P/P_ref)^2)=20log(P/P_ref)=L_p。因此聲強(qiáng)級(jí)等于聲壓級(jí)。*答案：自由聲場(chǎng)中聲壓級(jí)L_p=120dB。參考聲壓P_ref=20μPa。聲壓P=10^(L_p/20)*P_ref=10^(120/20)*20μPa=10^6*20μPa=20000μPa=0.02Pa。自由聲場(chǎng)中聲強(qiáng)級(jí)L_I=L_p=120dB。參考聲強(qiáng)I_ref=10^-12W/m2。*（注意：計(jì)算得到的聲壓0.02Pa遠(yuǎn)超空氣能承受的范圍，表明120dB聲壓級(jí)是非常高的聲強(qiáng)級(jí)，但在計(jì)算上按公式進(jìn)行）*3.解析思路：首先計(jì)算2米處的聲壓級(jí)。由于是自由聲場(chǎng)，聲壓級(jí)隨距離平方反比衰減。衰減量為20log(r2/r1)=20log(2m/1m)=20log(2)≈6.02dB。因此，2米處的聲壓級(jí)L_p2=L_p1-6.02dB=90-6.02=83.98dB。然后考慮指向性指數(shù)。在0°方位，指向性指數(shù)為+6dB，表示該方向的有效聲壓級(jí)比無(wú)指向性時(shí)的聲壓級(jí)高6dB。所以，在2米處0°方位的實(shí)際聲壓級(jí)L_p,0°=L_p2+DI=83.98dB+6dB=89.98dB。*答案：自由聲場(chǎng)中，距離從1米變?yōu)?米，聲壓級(jí)衰減20log(2)≈6.02dB。因此，2米處的聲壓級(jí)L_p2=90dB-6.02dB=83.98dB。在0°方位，指向性指數(shù)DI=6dB。該方向的實(shí)際聲壓級(jí)L_p,0°=L_p2+DI=83.98dB+6dB=89.98dB。五、論述題論述聲學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)在音頻工程和超聲工程中各自的主要應(yīng)用特點(diǎn)、面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)以及未來(lái)的發(fā)展方向。解析思路：1.音頻工程應(yīng)用特點(diǎn)：核心是高保真轉(zhuǎn)換。麥克風(fēng)需高靈敏度、寬頻帶、平直響應(yīng)、低噪聲、良好指向性。揚(yáng)聲器需寬頻帶、高效率、良好頻率響應(yīng)、良好指向性（如監(jiān)聽(tīng)音箱）、低失真、良好瞬態(tài)響應(yīng)。挑戰(zhàn)在于提高信噪比、擴(kuò)展帶寬、抑制失真、實(shí)現(xiàn)三維聲場(chǎng)再現(xiàn)、小型化、低功耗。未來(lái)方向是更高保真度、智能化（如自適應(yīng)降噪、聲源定位）、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的空間音頻、新型換能器材料與結(jié)構(gòu)。2.超聲工程應(yīng)用特點(diǎn)：核心是非電聲轉(zhuǎn)換、高功率密度、高頻率、特定波形。換能器需高聲強(qiáng)、高效率、特定頻率響應(yīng)、良好指向性（如聚焦）、可靠耐用。應(yīng)用廣泛，如醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)檢測(cè)、測(cè)距、清洗、處理等。挑戰(zhàn)在于提高功率/能量轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)寬帶/可調(diào)諧、改善聚焦性能、提高成像分辨率、開(kāi)發(fā)無(wú)創(chuàng)/微創(chuàng)應(yīng)用、降低成本、增強(qiáng)安全性。未來(lái)方向是更高分辨率與成像幀率、新型超聲成像模式（如彈性成像、超聲光聲成像）、超聲驅(qū)動(dòng)微納機(jī)器人、柔性/可穿戴超聲換能器、多物理場(chǎng)耦合超聲應(yīng)用。答案：聲學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)在音頻工程和超聲工程中扮演著至關(guān)重要的角色，但應(yīng)用特點(diǎn)、面臨挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展方向存在顯著差異。在音頻工程中，聲學(xué)轉(zhuǎn)換的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的聲音再現(xiàn)和拾取。麥克風(fēng)作為聲電轉(zhuǎn)換器件，要求具有高靈敏度以拾取微弱聲音，寬頻帶以覆蓋人耳聽(tīng)覺(jué)范圍并追求高保真，平坦的頻率響應(yīng)以準(zhǔn)確傳遞聲音信息，低本底噪聲以減少信號(hào)失真，以及根據(jù)應(yīng)用需要的特定指向性以抑制環(huán)境噪聲或拾取特定聲源。揚(yáng)聲器作為電聲轉(zhuǎn)換器件，則要求具有寬頻帶、高效率以覆