2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——聲學(xué)聲波傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分）1.在聲學(xué)聲波傳感器中，用于測(cè)量聲壓變化的傳感器類型主要是（）。A.電容式傳感器B.壓電式傳感器C.振膜式傳感器D.激光干涉式傳感器2.以下哪個(gè)指標(biāo)不是評(píng)價(jià)聲學(xué)傳感器動(dòng)態(tài)范圍的主要參數(shù)？（）A.靈敏度B.最大聲壓級(jí)響應(yīng)C.信噪比D.響應(yīng)時(shí)間3.在環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中，A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的主要作用是（）。A.改變傳感器的頻率響應(yīng)特性B.模擬人耳對(duì)低頻聲音的不敏感特性C.增大傳感器的信噪比D.濾除高頻噪聲4.被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)（PAM）在野生動(dòng)物研究中的主要優(yōu)勢(shì)在于（）。A.可以主動(dòng)發(fā)出聲音引誘動(dòng)物B.可以長(zhǎng)期自動(dòng)記錄動(dòng)物產(chǎn)生的聲音C.成本非常低廉D.只能記錄特定種類的動(dòng)物聲音5.聲發(fā)射技術(shù)主要應(yīng)用于（）。A.環(huán)境噪聲水平評(píng)估B.野生動(dòng)物聲紋識(shí)別C.材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的監(jiān)測(cè)D.大氣污染物濃度檢測(cè)6.在聲學(xué)傳感器的信號(hào)處理中，傅里葉變換的主要功能是（）。A.對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行放大B.對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行濾波C.將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)D.降低聲信號(hào)的信噪比7.影響聲波在空氣中傳播速度的主要因素是（）。A.聲波頻率B.空氣濕度C.傳感器靈敏度D.聲源強(qiáng)度8.用于探測(cè)地震產(chǎn)生的低頻聲學(xué)信號(hào)的傳感器，通常需要具備的特點(diǎn)是（）。A.極寬的頻率響應(yīng)范圍B.極低的靈敏度C.很大的動(dòng)態(tài)范圍D.很高的信噪比9.在構(gòu)建用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，波束形成技術(shù)的主要目的是（）。A.增大傳感器的探測(cè)距離B.提高遠(yuǎn)距離聲源定位的精度C.提取特定方向上的聲學(xué)信號(hào)D.降低傳感器陣列的成本10.下列哪種環(huán)境因素對(duì)聲學(xué)傳感器的測(cè)量結(jié)果影響最大？（）A.空氣溫度B.傳感器供電電壓C.傳感器放置高度D.傳感器生產(chǎn)批次二、填空題（每空2分，共20分）1.聲壓級(jí)用符號(hào)________表示，其單位是分貝（dB）。2.聲波傳感器將聲學(xué)量轉(zhuǎn)換為________量的器件。3.被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)（PAM）系統(tǒng)通常由______、水聽器（或麥克風(fēng)）和記錄/處理單元組成。4.聲發(fā)射（AE）技術(shù)利用材料內(nèi)部損傷發(fā)生時(shí)釋放的________信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。5.在環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中，常用的頻譜分析方法有________和________。6.為了減少風(fēng)噪聲對(duì)室外聲學(xué)傳感器的干擾，可以采用________麥克風(fēng)或陣列處理技術(shù)。7.評(píng)價(jià)聲學(xué)傳感器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一是________，它表示傳感器輸出信號(hào)強(qiáng)度與輸入聲強(qiáng)之比。8.利用聲學(xué)原理探測(cè)大氣中雷電活動(dòng)的方法通常被稱為________。9.聲景（Soundscape）是指特定區(qū)域內(nèi)所有________和非生物聲音的綜合。10.聲學(xué)傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何在________環(huán)境下保證其測(cè)量精度。三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）1.簡(jiǎn)述壓電式聲波傳感器的基本工作原理及其主要優(yōu)缺點(diǎn)。2.簡(jiǎn)述利用聲學(xué)傳感器進(jìn)行交通噪聲監(jiān)測(cè)的主要流程和需要考慮的關(guān)鍵因素。3.簡(jiǎn)述聲學(xué)傳感器在野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)，并列舉至少兩種應(yīng)對(duì)策略。四、計(jì)算題（共14分）假設(shè)一個(gè)環(huán)境噪聲監(jiān)測(cè)中使用的聲學(xué)傳感器靈敏度為-60dBre1V/Pa，其頻響在1kHz時(shí)為-3dB。當(dāng)該傳感器在距離聲源10米處接收到一個(gè)頻率為1kHz、聲壓有效值為20μPa的聲波時(shí)：（1）計(jì)算該傳感器在1kHz時(shí)的輸出電壓有效值。（5分）（2）判斷該傳感器能否在該聲壓條件下正常工作？（提示：考慮動(dòng)態(tài)范圍和頻響）。（4分）（3）若要測(cè)量聲壓有效值為100μPa的聲波，傳感器距離聲源應(yīng)放置多遠(yuǎn)？（假設(shè)聲波在空氣中以343m/s速度傳播，且隨距離衰減服從平方反比定律）。（5分）五、論述題（16分）論述聲學(xué)聲波傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用于野生動(dòng)物種群密度估算的可能方法、關(guān)鍵步驟、面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的應(yīng)用前景。試卷答案一、選擇題1.B2.A3.B4.B5.C6.C7.B8.A9.C10.A二、填空題1.L2.電3.水聽器（或麥克風(fēng)）4.應(yīng)變（或應(yīng)力）5.快速傅里葉變換（FFT），短時(shí)傅里葉變換6.防風(fēng)（或風(fēng)罩）7.靈敏度8.聲學(xué)雷電監(jiān)測(cè)（或聲學(xué)定位）9.生物10.惡劣（或復(fù)雜）三、簡(jiǎn)答題1.原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)，即某些材料（如石英、壓電陶瓷）在受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與應(yīng)力成正比。當(dāng)聲波作用于傳感器時(shí)，引起壓電元件振動(dòng)產(chǎn)生交變應(yīng)力，從而在電極表面產(chǎn)生相應(yīng)的交變電荷或電壓信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)范圍較寬（尤其高頻），靈敏度高，自生聲（輸出信號(hào)）小，堅(jiān)固耐用，可在惡劣環(huán)境下工作。缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)不均勻，需要信號(hào)調(diào)理電路（放大器），存在機(jī)電耦合系數(shù)限制，低頻響應(yīng)受限于機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。2.流程：布置聲學(xué)傳感器（麥克風(fēng)陣列或單個(gè)麥克風(fēng)），進(jìn)行校準(zhǔn)，長(zhǎng)期連續(xù)或定期采集環(huán)境聲學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理（如濾波、去噪），進(jìn)行特征提?。ㄈ珙l譜分析、時(shí)頻分析、機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別），識(shí)別聲源類型（如交通、施工、工業(yè)噪聲），計(jì)算聲學(xué)指標(biāo)（如A聲級(jí)、頻譜、聲功率），生成監(jiān)測(cè)報(bào)告或噪聲地圖。關(guān)鍵因素：傳感器選型與布設(shè)（位置、數(shù)量、方向）、環(huán)境條件（溫度、濕度、風(fēng)）、校準(zhǔn)精度、數(shù)據(jù)處理算法的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)、監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的符合性。3.挑戰(zhàn)：聲景復(fù)雜多變（背景噪聲干擾）、動(dòng)物發(fā)聲信號(hào)微弱且易受環(huán)境噪聲影響、難以區(qū)分目標(biāo)聲音與非目標(biāo)聲音、動(dòng)物發(fā)聲頻率范圍廣（傳感器頻響需匹配）、需要大量數(shù)據(jù)積累進(jìn)行物種識(shí)別模型訓(xùn)練、野外設(shè)備部署與維護(hù)困難、數(shù)據(jù)解釋與分析難度大。策略：使用高靈敏度、寬頻帶或特定頻段傳感器；采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)（如譜減法、小波分析、機(jī)器學(xué)習(xí)）進(jìn)行噪聲抑制和目標(biāo)識(shí)別；結(jié)合地理信息進(jìn)行聲源定位；建立物種聲音庫(kù)和識(shí)別模型；利用麥克風(fēng)陣列進(jìn)行波束形成；長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)積累數(shù)據(jù)。四、計(jì)算題（1）解：靈敏度S=-60dBre1V/Pa=-60+20=-40dB=10^(-4)V/Pa聲壓有效值P=20μPa=20×10^(-6)Pa輸出電壓有效值V=P×S=20×10^(-6)Pa×10^(-4)V/Pa=2×10^(-9)V=2nV（2）解：傳感器在1kHz時(shí)頻響為-3dB，表示其輸出在此頻率處衰減3dB。假設(shè)理想情況下（無(wú)其他損耗），此時(shí)仍能正常工作。但需注意，-60dB的靈敏度本身較低，對(duì)信號(hào)微弱的情況可能不夠敏感。若考慮動(dòng)態(tài)范圍，需比較最大可測(cè)聲壓與最小可測(cè)聲壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓，看是否超出傳感器線性范圍。此題主要依據(jù)頻響判斷，在1kHz處-3dB應(yīng)仍能工作。（3）解：初始聲壓P1=20μPa，距離r1=10m目標(biāo)聲壓P2=100μPa，距離r2=?聲波衰減服從平方反比定律：P2/P1=(r1/r2)^2100μPa/20μPa=(10m/r2)^25=(10/r2)^2√5=10/r2r2=10/√5=10√5/5=2√5m≈4.47m五、論述題聲學(xué)聲波傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中估算野生動(dòng)物種群密度有多種可能方法。核心原理是利用動(dòng)物自身的聲音信號(hào)（鳴叫、吼叫等）或人類活動(dòng)誘發(fā)的聲音信號(hào)來(lái)推斷其存在數(shù)量和活動(dòng)模式。關(guān)鍵步驟通常包括：首先，選擇合適的聲學(xué)傳感器（如高靈敏度麥克風(fēng)、水聽器），考慮其頻率響應(yīng)、指向性、耐用性及目標(biāo)動(dòng)物的發(fā)聲頻率范圍；其次，在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行合理布設(shè)，形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)或采用移動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)；接著，長(zhǎng)期連續(xù)采集環(huán)境聲學(xué)數(shù)據(jù)，覆蓋動(dòng)物的活躍季節(jié)和時(shí)間段；然后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如去除風(fēng)噪聲、鳥鳴、降雨等非生物干擾信號(hào)；隨后，利用信號(hào)處理技術(shù)（如FFT、小波變換）分析聲學(xué)信號(hào)的特征，如頻率、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度等，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如支持向量機(jī)、深度學(xué)習(xí)）建立聲音特征與物種身份的識(shí)別模型；進(jìn)而，通過(guò)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間、單位面積內(nèi)的聲源活動(dòng)次數(shù)（聲音事件計(jì)數(shù)）來(lái)估算聲源密度；最后，結(jié)合對(duì)聲源個(gè)體識(shí)別的準(zhǔn)確率、動(dòng)物發(fā)聲行為（如繁殖期、活動(dòng)時(shí)間）的規(guī)律性、監(jiān)測(cè)區(qū)域與實(shí)際種群的覆蓋關(guān)系等因素進(jìn)行校正，得到種群密度的估計(jì)值。面臨的主要挑戰(zhàn)包括：環(huán)境噪聲復(fù)雜且強(qiáng)烈，可能完全淹沒動(dòng)物微弱的聲音；不同物種或同種不同個(gè)體聲音信號(hào)差異大，識(shí)別難度高；動(dòng)物發(fā)聲頻率可能與背景噪聲重疊；難以區(qū)分信號(hào)是來(lái)自單個(gè)個(gè)體還是群體；個(gè)體識(shí)別準(zhǔn)確率受算