2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)原理在無線通信中的應(yīng)用研究考試時(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)的代表字母填寫在答題紙上。）1.在聲波傳播過程中，下列哪個(gè)現(xiàn)象主要導(dǎo)致聲波能量在空間中擴(kuò)散，引起聲強(qiáng)級(jí)隨距離增加而降低？A.聲波的反射B.聲波的衍射C.聲波的吸收D.聲波的散射2.多普勒效應(yīng)在聲學(xué)無線通信中主要應(yīng)用于？A.提高信號(hào)傳輸帶寬B.增強(qiáng)信號(hào)抗干擾能力C.測量聲源或接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度D.降低信號(hào)傳播的衰減3.與傳統(tǒng)無線電波相比，超聲波通信在水下環(huán)境中主要優(yōu)勢在于？A.頻率更高，帶寬更寬B.傳播速度更快C.幾乎不受水中雜質(zhì)和鹽度影響D.能量損耗更小4.聲納通信系統(tǒng)中，為了克服水下環(huán)境中的多徑效應(yīng)，常采用的技術(shù)手段包括？A.提高發(fā)射聲波的功率B.采用窄波束定向發(fā)射和接收C.減小信號(hào)的傳輸速率D.增加信噪比5.聲波衍射現(xiàn)象對(duì)于聲學(xué)無線通信的影響，主要體現(xiàn)在？A.導(dǎo)致信號(hào)在接收端產(chǎn)生顯著的相位失真B.使信號(hào)能夠繞過障礙物到達(dá)難以直接到達(dá)的區(qū)域C.增加信號(hào)在傳播路徑上的能量損耗D.降低通信系統(tǒng)的容量6.在基于超聲波的短距離無線通信中，信號(hào)衰減的主要原因是？A.電磁干擾B.聲波在介質(zhì)中的散射和吸收C.多普勒頻移過大D.發(fā)射功率不足7.以下哪種聲學(xué)環(huán)境因素對(duì)超聲波通信系統(tǒng)的可靠性影響最為顯著？A.空氣溫度變化B.水中鹽度濃度C.水下大型物體的反射D.信號(hào)編碼方式8.聲學(xué)原理在無線通信中，一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是？A.聲波的頻率范圍極寬B.聲波難以在自由空間中有效傳播C.聲學(xué)噪聲源多樣且難以預(yù)測和消除D.聲學(xué)器件成本過高9.利用聲學(xué)衍射效應(yīng)進(jìn)行信息傳輸，其基本原理是？A.利用聲波在介質(zhì)界面處的全反射B.利用聲波繞過障礙物傳播的特性C.利用聲波在特定孔徑或結(jié)構(gòu)后的干涉D.利用聲波的多普勒頻移10.對(duì)于聲學(xué)無線通信技術(shù)的研究，以下哪個(gè)方向具有較大的發(fā)展?jié)摿?？A.僅限于水下通信應(yīng)用B.完全替代所有無線電通信C.與人工智能技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)智能聲學(xué)調(diào)制與解調(diào)D.保持現(xiàn)有技術(shù)不變，僅提高傳輸速率二、填空題（每空2分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其聲強(qiáng)級(jí)隨著距離的增加而______，這主要?dú)w因于聲波能量的______。2.多普勒效應(yīng)是指由于聲源與接收器之間相對(duì)______，導(dǎo)致接收器接收到的聲波頻率發(fā)生______的現(xiàn)象。3.在水聲通信中，聲波的傳播速度主要取決于______和______。4.超聲波通信通常指頻率高于______赫茲的聲波在空氣或其他介質(zhì)中進(jìn)行的通信。5.聲波的衍射現(xiàn)象顯著與否，與其波長及障礙物尺寸的相對(duì)關(guān)系有關(guān)，通常滿足______條件時(shí)衍射較為明顯。6.聲學(xué)噪聲對(duì)無線通信系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在降低了接收端的______。7.聲納系統(tǒng)利用聲波的______特性來探測水下目標(biāo)并確定其位置。8.基于聲學(xué)衍射的通信方案，其性能很大程度上依賴于衍射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和______。9.聲學(xué)原理在無線通信中的應(yīng)用，需要克服聲波傳播的固有缺點(diǎn)，如______和______。10.隨著通信技術(shù)的發(fā)展，聲學(xué)原理在______等新興領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。三、簡答題（每小題5分，共20分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）1.簡述聲波的反射和衍射現(xiàn)象，并說明它們各自對(duì)無線信號(hào)傳播可能產(chǎn)生的影響。2.簡要解釋聲學(xué)多普勒效應(yīng)，并列舉其在無線通信中的一種應(yīng)用實(shí)例。3.為什么超聲波通信在水下環(huán)境中比高頻無線電通信更具優(yōu)勢？4.簡述聲學(xué)無線通信系統(tǒng)中，噪聲的主要來源及其對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成的典型損害。四、計(jì)算題（每小題7分，共14分。請(qǐng)將計(jì)算過程和結(jié)果填寫在答題紙上。）1.假設(shè)一平面聲波在空氣中以340m/s的速度傳播，頻率為1000Hz。在距離聲源5米處，測得聲強(qiáng)級(jí)為60dB。求該距離處的聲壓有效值（設(shè)空氣密度為1.21kg/m3）。2.一聲納系統(tǒng)發(fā)射頻率為1000Hz的超聲波，聲波在水中的速度為1500m/s。如果從目標(biāo)反射回來的信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲為0.01秒，忽略海面和目標(biāo)之間的多次反射，求目標(biāo)距離聲納系統(tǒng)的距離。五、論述題（10分。請(qǐng)將答案填寫在答題紙上。）結(jié)合聲學(xué)原理，論述聲學(xué)無線通信技術(shù)在未來物聯(lián)網(wǎng)或智能城市環(huán)境中的潛在應(yīng)用場景、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。試卷答案一、選擇題1.C2.C3.C4.B5.B6.B7.C8.C9.C10.C二、填空題1.降低；擴(kuò)散2.運(yùn)動(dòng)；改變（或頻移）3.水的密度；溫度4.200005.波長與障礙物尺寸相當(dāng)（或可比擬）6.信噪比7.反射8.條件（或環(huán)境）9.衰減；多徑干擾10.水下通信；隱身通信（或其他合理答案，如可穿透材料通信等）三、簡答題1.解析思路：首先分別定義反射和衍射。反射是聲波到達(dá)界面時(shí)部分能量返回原介質(zhì)的現(xiàn)象，導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)回波，可能干擾主信號(hào)。衍射是聲波繞過障礙物或孔隙傳播的現(xiàn)象，使得聲波能夠進(jìn)入障礙物后方區(qū)域，影響信號(hào)的定向性和覆蓋范圍。結(jié)合無線通信場景，反射可能導(dǎo)致多徑效應(yīng)，衍射則可能使信號(hào)在預(yù)期外區(qū)域被接收到或丟失。答案：聲波反射是指聲波到達(dá)不同介質(zhì)界面時(shí)，部分能量返回原介質(zhì)的現(xiàn)象。反射會(huì)形成回波，可能對(duì)主信號(hào)產(chǎn)生干擾。聲波衍射是指聲波遇到障礙物邊緣或孔隙時(shí)，能夠繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。衍射使得聲波能夠進(jìn)入幾何陰影區(qū)，影響信號(hào)的定向性和覆蓋范圍。在無線通信中，反射導(dǎo)致多徑效應(yīng)，衍射則影響信號(hào)的空間分布。2.解析思路：首先解釋多普勒效應(yīng)的物理原理：當(dāng)聲源和接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器測得的聲波頻率會(huì)因相對(duì)速度而偏離聲源發(fā)出的頻率，靠近時(shí)變高，遠(yuǎn)離時(shí)變低。然后說明其在無線通信中的應(yīng)用，最典型的就是測速，例如聲納測速或利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)跟蹤通信。答案：聲學(xué)多普勒效應(yīng)是指由于聲源與接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接收器接收到的聲波頻率偏離聲源原始發(fā)射頻率的現(xiàn)象。當(dāng)兩者相互靠近時(shí)，接收頻率高于發(fā)射頻率；當(dāng)兩者相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收頻率低于發(fā)射頻率。在無線通信中，多普勒效應(yīng)可用于測速，例如在聲納系統(tǒng)中通過分析回波頻率的變化來測量目標(biāo)的相對(duì)速度，或用于移動(dòng)聲學(xué)通信系統(tǒng)的信號(hào)處理。3.解析思路：對(duì)比超聲波與高頻無線電波在水中的傳播特性。超聲波頻率高，波長短，在水中傳播時(shí)衰減較大，但方向性好，易于聚焦。關(guān)鍵在于，高頻無線電波在水中的衰減極為嚴(yán)重，頻率越高衰減越大，幾乎無法有效傳播。因此，超聲波成為水下無線通信的主要手段。答案：超聲波通信頻率通常遠(yuǎn)高于無線電波，在水下傳播時(shí)雖然也有衰減，但相比于高頻無線電波，其衰減相對(duì)較?。ㄓ绕湓谥械皖l段），且方向性更好，不易受水中溶解物質(zhì)的影響。而高頻無線電波在水中的傳播損耗極大，頻率越高，能量衰減越快，信號(hào)很快就會(huì)變得非常微弱，難以被有效接收。因此，超聲波通信在水下環(huán)境中比高頻無線電通信更具優(yōu)勢。4.解析思路：列舉聲學(xué)無線通信中常見的噪聲來源，如環(huán)境噪聲（風(fēng)聲、雨聲、水流聲、機(jī)器噪聲等）、生物噪聲（鯨魚叫聲、船舶聲納等）、系統(tǒng)自身噪聲（發(fā)射器和接收器電子噪聲、自激振蕩等）。然后說明這些噪聲會(huì)降低信號(hào)強(qiáng)度，與信號(hào)疊加，導(dǎo)致接收端難以區(qū)分有用信號(hào)，從而降低通信系統(tǒng)的信噪比和可靠性。答案：聲學(xué)無線通信系統(tǒng)中的噪聲主要來源于環(huán)境噪聲（如風(fēng)聲、雨聲、水流聲、船鳴等）、生物噪聲（如鯨魚叫聲、海洋生物活動(dòng)聲等）以及系統(tǒng)自身產(chǎn)生的噪聲（如發(fā)射器和接收器的電子設(shè)備噪聲、自激振蕩等）。這些噪聲會(huì)疊加在有用信號(hào)上，降低信號(hào)的強(qiáng)度，使得接收端難以有效提取信息，從而降低了系統(tǒng)的信噪比和通信質(zhì)量。四、計(jì)算題1.解析思路：使用聲強(qiáng)級(jí)公式I=(p_rms^2)/(ρc)和I=I_0*10^(L/I_0)聯(lián)立求解。先根據(jù)給定的聲強(qiáng)級(jí)L=60dB和參考聲強(qiáng)I_0=1*10^-12W/m2，計(jì)算出距離聲源5米處的聲強(qiáng)I。然后利用計(jì)算出的I和公式I=(p_rms^2)/(ρc)求解聲壓有效值p_rms。注意單位換算。答案：L=10*log(I/I_0)=>60=10*log(I/1*10^-12)=>I=1*10^-12*10^6=1*10^-6W/m2I=p_rms^2/(ρc)=>p_rms^2=I*ρc=>p_rms^2=(1*10^-6)*(1.21kg/m3)*(340m/s)p_rms^2=4.114*10^-6Pa2=>p_rms=sqrt(4.114*10^-6)Pa≈2.03*10^-3Pa2.解析思路：利用聲波傳播的速度公式v=s/t，其中s是總路程（去程+回程），t是時(shí)間延遲。已知速度v=1500m/s，時(shí)間延遲t=0.01s?？偮烦蘳=v*t=1500*0.01=15m。這是聲波從聲納到目標(biāo)再返回的總距離。因此，目標(biāo)距離聲納系統(tǒng)的距離為總路程的一半，即s/2。答案：總路程s=v*t=1500m/s*0.01s=15m目標(biāo)距離聲納系統(tǒng)的距離=s/2=15m/2=7.5m五、論述題解析思路：首先闡述潛在應(yīng)用場景，例如在建筑物內(nèi)部或地下結(jié)構(gòu)（如地鐵、管道）中，傳統(tǒng)無線信號(hào)可能覆蓋不佳或被屏蔽，而聲波（如超聲波）可以穿透這些障礙物，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器）的通信。在智能城市中，聲學(xué)傳感器可用于環(huán)境監(jiān)測（噪音污染、人流密度），并通過聲學(xué)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。接著分析面臨的主要挑戰(zhàn)，包括聲波傳播的衰減、多徑效應(yīng)、易受環(huán)境噪聲干擾、帶寬和速率限制、方向性控制等。最后針對(duì)挑戰(zhàn)提出可能的解決方案，如采用定向聲波發(fā)射技術(shù)減少干擾、利用多徑分集或信道編碼提高可靠性、研究更高頻率或不同調(diào)制方式的聲波通信、結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行噪聲抑制和信號(hào)處理等。答案：聲學(xué)無線通信技術(shù)在未來物聯(lián)網(wǎng)或智能城市環(huán)境中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。例如，在建筑物內(nèi)部、地下管道、地鐵隧道等傳統(tǒng)無線信號(hào)難以有效覆蓋或存在屏蔽的區(qū)域，利用超聲波等聲波進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的短距離或中距離數(shù)據(jù)傳輸，構(gòu)建可靠的內(nèi)部感知網(wǎng)絡(luò)。在智能城市中，聲學(xué)傳感器陣列可用于監(jiān)測環(huán)境噪音水平、人流密度、異常聲音事件等，采集到的數(shù)據(jù)可通過聲學(xué)通信鏈路傳輸?shù)街行奶幚硐到y(tǒng)，為城市管理提供信息支持。該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)包括：聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)存在顯著的衰減，導(dǎo)致傳輸距離受限；聲波容易發(fā)生反射、衍射和多徑傳播，導(dǎo)致信號(hào)失真和干擾；環(huán)境中的各種噪聲（如風(fēng)聲、雨聲、機(jī)器聲、人聲）會(huì)嚴(yán)重干擾聲學(xué)信號(hào)；與電磁波