2025年大學《聲學》專業(yè)題庫——聲波在地震預警中的應用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請將正確選項的字母填在題后括號內(nèi)）1.地震發(fā)生時，縱波（P波）和橫波（S波）中，傳播速度更快的是？A.S波B.P波C.兩者速度相同D.取決于介質(zhì)具體性質(zhì)，可能S波更快2.地聲（Infrasound/Infrasonic）通常指頻率低于多少赫茲的聲音？A.20B.200C.2kHzD.20kHz3.在地震預警系統(tǒng)中，利用P波和S波到達時間差進行震中定位，主要依據(jù)的原理是？A.多普勒效應B.波的干涉C.基于波速差異的時差定位（TDOA）D.幾何光學成像4.聲波地震預警系統(tǒng)相比傳統(tǒng)地震波預警，其主要潛在優(yōu)勢之一是？A.P波到達時間更早B.能提供更精確的震源深度信息C.對震中距的估算可能更直接D.接收器成本通常更低5.以下哪種現(xiàn)象產(chǎn)生的低頻聲音可能被聲波地震預警系統(tǒng)誤判為地震信號？A.火山噴發(fā)B.大型工業(yè)爆破C.雷電活動D.以上都是二、填空題（請將答案填在橫線上）6.地震預警系統(tǒng)的主要目的是在破壞性地震波到達前，向______提供足夠的預警時間。7.聲波在空氣中傳播的速度受______和______等因素影響。8.地震產(chǎn)生的聲波信號在傳播過程中會逐漸______，這使得遠距離預警變得困難。9.利用空氣聲信號進行地震定位時，通常需要至少部署______個接收站。10.除了空氣聲，水聽器可以用于探測水下或近海地震事件產(chǎn)生的______信號。三、簡答題（請簡潔明了地回答下列問題）11.簡述地震發(fā)生時，從震源產(chǎn)生到地震波到達距離較遠的接收站，大致經(jīng)歷了哪些主要的波（包括聲波相關(guān)成分）？12.解釋什么是TimeDifferenceofArrival(TDOA)原理，并說明它在聲波地震定位中的應用。13.列舉至少三種影響聲波地震預警系統(tǒng)精度的因素。14.簡述聲波地震預警接收站網(wǎng)絡相比于傳統(tǒng)地震臺網(wǎng)可能需要考慮的不同設計要點。四、計算題（請列出必要的公式和計算步驟）15.假設空氣中聲速為340m/s。某地震事件在A站產(chǎn)生的空氣聲信號到達時間為t_A=10s，在距離A站10km的B站到達時間為t_B=10.2s。請估算震源相對于AB中點的水平距離。（注意：結(jié)果需單位換算）五、論述題（請圍繞題目要求，結(jié)合所學知識進行深入分析和闡述）16.論述聲波地震預警技術(shù)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，并就如何克服這些挑戰(zhàn)提出你的見解。17.比較分析聲波地震預警系統(tǒng)與傳統(tǒng)基于P波和S波的地震預警系統(tǒng)在原理、速度、精度、覆蓋范圍和潛在應用方面的異同。試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.C5.D二、填空題6.目標區(qū)域/受保護區(qū)域7.溫度，濕度8.衰減9.兩10.水聲三、簡答題11.解析思路：地震發(fā)生時，震源首先產(chǎn)生P波（Primarywave，壓縮波，傳播最快，包含部分聲學成分）。隨后產(chǎn)生S波（Secondarywave，剪切波）。對于體波，還有Love波（面波的一種，在地面?zhèn)鞑ィ┖蚏ayleigh波（面波的一種，質(zhì)點運動軌跡呈橢圓，傳播最慢）。空氣中的低頻振動屬于聲波（或廣義地震波中的聲學分量）的范疇，通常伴隨P波和S波一起傳播，或作為次生效應產(chǎn)生。從震源到接收站，信號主要是P波（最先到達，用于快速初步定位和預警）、S波（隨后到達，用于精確定位）以及空氣中的聲波信號（可能相對較晚到達）。答案要點：P波（縱波），S波（橫波），Love波，Rayleigh波，空氣聲波。12.解析思路：TDOA原理是基于“距離=速度×時間”以及多個接收站同時接收同一信號時，距離震源越近的站先接收到信號。通過精確測量信號到達不同接收站的時間差（TDOA），并結(jié)合已知或測定的接收站之間的距離和波的傳播速度，可以反演出震源的位置。在聲波預警中，利用空氣聲波到達不同站的時間差進行定位是核心方法之一。答案要點：基于距離=速度×時間；多個接收站測量信號到達時間差；結(jié)合站點距離和波速反演震源位置。13.解析思路：影響聲波地震預警精度的因素包括：①波速不確定性：空氣聲速受溫度、濕度、氣壓、風速等氣象因素影響，難以精確恒定。②接收器性能：靈敏度和方向性影響信號檢測和定位能力。③信號質(zhì)量：信號強度（衰減）、信噪比（背景噪聲干擾）直接影響識別和提取的準確性。④地形影響：地表起伏會反射、折射聲波，改變到達時間。⑤系統(tǒng)延遲：數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的時間延遲會影響最終定位結(jié)果。⑥震源復雜性：震源破裂過程復雜，產(chǎn)生的聲波信號特性多樣。答案要點：空氣聲速變化，接收器精度，信號衰減與信噪比，地形效應，系統(tǒng)延遲，震源特性等。14.解析思路：聲波預警接收站網(wǎng)絡設計需特別關(guān)注聲波的傳播特性。①接收器類型選擇：需選用對特定頻率范圍（如低頻空氣聲）敏感的麥克風或水聽器。②部署密度與間距：為有效利用TDOA定位，站點需有一定距離間隔，密度需滿足覆蓋要求。③避免噪聲干擾：選址應盡量遠離大型噪聲源，或采用抗干擾算法。④數(shù)據(jù)傳輸：實時傳輸微弱聲學信號，要求低延遲、高可靠性的網(wǎng)絡。⑤校準與標定：由于聲速易變，各站需精確校準，并實時或定期進行標定。⑥站點環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測溫度、濕度等影響聲速的氣象參數(shù)。答案要點：聲學接收器選型，站點布局密度，抗噪聲設計，實時數(shù)據(jù)傳輸，精確校準與標定，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。四、計算題15.解析思路：利用TDOA原理計算距離差，再結(jié)合站點間距求震源位置。已知v=340m/s,t_A=10s,t_B=10.2s,AB距離d=10km=10000m。時間差Δt=t_B-t_A=0.2s。根據(jù)距離差=速度×時間差，震源到A、B兩站的距離差Δd=v×Δt=340m/s×0.2s=68m。因為AB距離為10000m，遠大于68m的距離差，可以近似認為震源位于AB線段上。利用基線長度和距離差，可以估算震源偏離中點的位置。更精確的定位需要站點坐標。此處簡化計算，可估算震源大致位于AB線段上，且距離A站更近（因為A站先收到信號）。具體水平距離偏離中點量=(AB距離-Δd)/2=(10000m-68m)/2≈4966m。注意：此為簡化和近似計算。答案要點（過程）：求時間差Δt=0.2s；求距離差Δd=v×Δt=68m；利用AB基線長度和距離差判斷震源位置大致在AB線上靠近A站；估算偏離中點距離（約4966m）。（注：實際定位更復雜，需站點坐標）五、論述題16.解析思路：論述題需全面分析挑戰(zhàn)并提供建議。主要挑戰(zhàn)可從信號、系統(tǒng)、環(huán)境、應用等角度出發(fā)。①信號層面：低頻聲波信號微弱，易被強背景噪聲（風、雨、雷、工業(yè)、交通）淹沒，信噪比低；信號衰減快，有效作用距離有限；震源產(chǎn)生的聲波信號復雜，難以精確識別和定位。②系統(tǒng)層面：聲速變化大且難以實時精確測量，嚴重影響定位精度；TDOA定位精度受站點間距和測量時間精度限制；網(wǎng)絡覆蓋和密度要求高，建設成本和維護難度大；數(shù)據(jù)傳輸實時性要求高，延遲不可接受。③環(huán)境層面：地形復雜導致聲波傳播路徑不規(guī)則，出現(xiàn)反射、折射、繞射，干擾定位；大氣層不穩(wěn)定導致聲速變化。④應用層面：如何區(qū)分地震聲波與人工或自然噪聲，提高可靠性；如何將預警信息有效傳遞給用戶并用于行動；如何與其他地震監(jiān)測手段（P波）融合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補和系統(tǒng)冗余。建議可圍繞：研發(fā)更靈敏、方向性更好、抗干擾能力強的聲波傳感器；研究更精確的聲速模型和實時估計算法；改進信號處理和模式識別技術(shù)，提高噪聲環(huán)境下的信號檢測與識別能力；發(fā)展智能融合算法，結(jié)合聲波、P波等多源信息；優(yōu)化網(wǎng)絡布局和數(shù)據(jù)處理流程，縮短預警時間；加強站點長期穩(wěn)定運行和校準技術(shù)；開展更廣泛的試驗和用戶應用研究。答案要點：需涵蓋信號質(zhì)量、系統(tǒng)精度與成本、環(huán)境因素、應用可靠性等多個方面，并針對挑戰(zhàn)提出具體的技術(shù)或策略性建議。17.解析思路：對比分析需突出兩者主要異同點。相同點：目標都是實現(xiàn)地震快速預警，提供減災時間。不同點：①原理基礎：聲波預警主要依賴空氣聲或水聲信號，利用TDOA或特定模式識別；傳統(tǒng)預警主要依賴P波（最快到達）和S波（稍后到達）的速度差異進行定位和計時。②速度與預警時間：P波速度遠快于聲波，傳統(tǒng)P波預警通常能提供更短的（但可能稍晚于破壞波到達）預警時間，尤其對于近源事件。聲波預警速度相對較慢，但可能對某些特定事件（如破裂擴展）更早響應。③精度：傳統(tǒng)P波定位精度通常高于聲波定位。傳統(tǒng)預警系統(tǒng)成熟度高。④覆蓋范圍與介質(zhì)：傳統(tǒng)系統(tǒng)主要覆蓋陸地；聲波預警（空