2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.簡(jiǎn)述聲波在均勻介質(zhì)中傳播的基本特性。請(qǐng)至少列舉三個(gè)關(guān)鍵特性并解釋其物理意義。2.定義聲壓級(jí)（SPL）和聲強(qiáng)級(jí)（SIL）。它們之間有何關(guān)系？說明分貝（dB）作為單位的使用原因及其優(yōu)勢(shì)。3.解釋多普勒效應(yīng)的原理，并說明它在聲納測(cè)速和機(jī)器人避障中如何應(yīng)用。二、4.什么是聲納（Sonar）？主動(dòng)聲納和被動(dòng)聲納的主要區(qū)別是什么？各舉一個(gè)在機(jī)器人應(yīng)用中的具體實(shí)例。5.簡(jiǎn)述超聲波麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源定位的基本原理。影響定位精度的因素有哪些？6.麥克風(fēng)陣列中的波束形成技術(shù)有什么作用？請(qǐng)簡(jiǎn)述其基本思想，并說明它在抑制噪聲和提取目標(biāo)聲源信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì)。三、7.什么是AmbientAcousticSceneAnalysis(AASA)？它在機(jī)器人自主導(dǎo)航中扮演什么角色？面臨哪些主要挑戰(zhàn)？8.語音識(shí)別技術(shù)如何應(yīng)用于機(jī)器人？在機(jī)器人遠(yuǎn)距離語音交互中，聲學(xué)建模和語言建模分別需要解決什么問題？9.基于聲學(xué)特征的機(jī)器人定位系統(tǒng)與傳統(tǒng)的視覺定位系統(tǒng)相比，有哪些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和局限性？四、10.簡(jiǎn)述超聲波傳感器在機(jī)器人近距離探測(cè)和避障中的應(yīng)用原理及其工作特點(diǎn)。11.解釋“聲致動(dòng)”（Sonoactuation）的基本概念，并探討其在軟體機(jī)器人或微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方面的潛在應(yīng)用前景。12.闡述將聲學(xué)感知（如麥克風(fēng)陣列）與其他傳感器（如激光雷達(dá)、攝像頭）進(jìn)行融合在機(jī)器人感知系統(tǒng)中可能帶來的益處，并簡(jiǎn)述一種可能的融合策略。五、13.試述聲學(xué)隱身技術(shù)的基本原理。這種技術(shù)在開發(fā)具有隱蔽能力的特種機(jī)器人（如偵察機(jī)器人）方面有何重要意義？14.結(jié)合當(dāng)前研究趨勢(shì)，論述聲學(xué)技術(shù)在人機(jī)交互領(lǐng)域可能出現(xiàn)的新的發(fā)展方向，并舉例說明。試卷答案一、1.聲波在均勻介質(zhì)中傳播的基本特性包括：*波動(dòng)性：聲波是機(jī)械波，具有振動(dòng)的傳播形式，表現(xiàn)為粒子位移的周期性變化，伴隨著能量的傳遞。*傳播依賴介質(zhì)：聲波不能在真空中傳播，需要依靠介質(zhì)（固體、液體、氣體）中的分子振動(dòng)來傳遞。*線性傳播（在小振幅下）：在理想或近似理想的無耗散介質(zhì)中，聲波傳播遵循線性聲學(xué)原理，波的疊加原理成立。解析思路：考察對(duì)聲波基本物理屬性的理解，需要從波動(dòng)的基本特征和聲波的特殊性質(zhì)（依賴介質(zhì)）兩方面進(jìn)行闡述。2.聲壓級(jí)（SPL）是描述聲波壓強(qiáng)相對(duì)大小的一個(gè)量，定義為參考聲壓\(p_r\)與實(shí)際聲壓\(p\)的比值的對(duì)數(shù)乘以20，單位為分貝（dB）：\(SPL=20\log_{10}\left(\frac{p}{p_r}\right)\)。聲強(qiáng)級(jí)（SIL）是描述聲波能量流密度相對(duì)大小的一個(gè)量，定義為參考聲強(qiáng)\(I_r\)與實(shí)際聲強(qiáng)\(I\)的比值的對(duì)數(shù)乘以10，單位為分貝（dB）：\(SIL=10\log_{10}\left(\frac{I}{I_r}\right)\)。聲強(qiáng)\(I\)與聲壓\(p\)的關(guān)系為\(I=\frac{p^2}{\rhoc}\)（其中\(zhòng)(\rho\)為介質(zhì)密度，\(c\)為聲速），因此\(SIL\)與\(SPL\)之間存在\(SIL=10\log_{10}\left(\frac{p^2}{p_r^2\rhoc/\rho_rc_r}\right)=10\log_{10}\left(\left(\frac{p}{p_r}\right)^2\left(\frac{\rho_rc_r}{\rhoc}\right)\right)=10\log_{10}\left(\left(\frac{p}{p_r}\right)^2\right)+10\log_{10}\left(\frac{\rho_rc_r}{\rhoc}\right)=2SPL+10\log_{10}\left(\frac{\rho_rc_r}{\rhoc}\right)\)。分貝（dB）是logarithmic（對(duì)數(shù)）單位，用于表示相對(duì)變化，能夠壓縮大范圍數(shù)值的范圍，方便表示聲學(xué)中常見的巨大動(dòng)態(tài)范圍（從聽閾到痛閾），且更符合人耳對(duì)聲音響度的感知特性（對(duì)數(shù)感知）。解析思路：考察對(duì)聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)的定義、單位、計(jì)算公式以及兩者關(guān)系的掌握。需要明確公式、單位，并解釋對(duì)數(shù)單位的使用原因。3.多普勒效應(yīng)是指波源與觀察者相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象。當(dāng)兩者相互靠近時(shí)，接收頻率增大；當(dāng)兩者相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收頻率減小。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為\(f'=f\left(\frac{c+v_o}{c+v_s}\right)\)（其中\(zhòng)(f'\)為接收頻率，\(f\)為發(fā)射頻率，\(c\)為聲速，\(v_o\)為觀察者相對(duì)于介質(zhì)的速度（向波源方向?yàn)檎?，\(v_s\)為波源相對(duì)于介質(zhì)的速度（向觀察者方向?yàn)檎Ｔ诼暭{測(cè)速中，利用發(fā)射信號(hào)與接收到的回波之間的多普勒頻移來計(jì)算目標(biāo)的徑向速度。在機(jī)器人避障中，移動(dòng)機(jī)器人自身或使用移動(dòng)的聲源，通過測(cè)量反射回來的聲波的多普勒頻移，可以判斷障礙物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度，輔助進(jìn)行避障決策。解析思路：考察對(duì)多普勒效應(yīng)原理的理解及其在兩個(gè)具體機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景（測(cè)速、避障）中的原理性應(yīng)用說明。二、4.聲納（Sonar）是利用聲波在水中（或空氣中）傳播和反射的原理來探測(cè)、定位、跟蹤水下（或空中）目標(biāo)或測(cè)量水下（或空中）距離、聲速等的電子設(shè)備系統(tǒng)。主動(dòng)聲納是向目標(biāo)發(fā)射聲波，并接收由目標(biāo)反射回來的回波，通過分析回波來獲取目標(biāo)信息。被動(dòng)聲納則不發(fā)射聲波，只接收目標(biāo)自身發(fā)出的或因環(huán)境相互作用產(chǎn)生的聲波來獲取信息。主動(dòng)聲納應(yīng)用實(shí)例：機(jī)器人利用聲納進(jìn)行地形測(cè)繪或障礙物探測(cè)（如發(fā)射聲波，接收反射波計(jì)算距離和方位）。被動(dòng)聲納應(yīng)用實(shí)例：機(jī)器人利用水聽器陣列監(jiān)聽周圍環(huán)境中的聲音信號(hào)（如其他潛水器發(fā)出的聲納信號(hào)或生物發(fā)聲）以進(jìn)行探測(cè)或?qū)Ш?。解析思路：考察?duì)聲納基本概念、分類及其工作方式的掌握，要求區(qū)分主動(dòng)與被動(dòng)，并能結(jié)合機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景舉例。5.超聲波麥克風(fēng)陣列進(jìn)行聲源定位的基本原理是基于波前到達(dá)時(shí)間差（TimeDifferenceofArrival,TDOA）或相位差。當(dāng)聲源位于陣列前方時(shí)，距離陣列中心近的麥克風(fēng)先接收到聲波，距離遠(yuǎn)的后接收到，形成時(shí)間差或相位差。通過測(cè)量陣列中多個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)之間的時(shí)間差或相位差，利用幾何原理（如三角測(cè)量法或多邊形法）可以反演出聲源在空間中的位置（方位角和距離）。影響定位精度的因素包括：麥克風(fēng)間距、陣列孔徑大小、信號(hào)頻率、聲速測(cè)量精度、環(huán)境噪聲水平、聲源信號(hào)特性（強(qiáng)度、頻譜）、麥克風(fēng)響應(yīng)一致性等。解析思路：考察對(duì)麥克風(fēng)陣列聲源定位基本原理（基于到達(dá)時(shí)間差或相位差）的理解，并列舉影響精度的關(guān)鍵因素。6.波束形成（Beamforming）技術(shù)是指利用麥克風(fēng)陣列處理多個(gè)麥克風(fēng)接收到的信號(hào)，以增強(qiáng)來自特定方向（期望方向）的信號(hào)，同時(shí)抑制來自其他方向（非期望方向）的信號(hào)或噪聲的技術(shù)。其基本思想是通過調(diào)整陣列中各麥克風(fēng)信號(hào)的加權(quán)系數(shù)和/或延遲，使得在期望方向上合成信號(hào)的能量最大化，而在其他方向上合成信號(hào)的能量最小化或被抑制。優(yōu)勢(shì)在于：可以顯著提高目標(biāo)信號(hào)的信噪比（SNR），使得在嘈雜環(huán)境下也能清晰地捕捉到目標(biāo)聲源；可以實(shí)現(xiàn)聲源定位；可以將來自特定方向的聲音聚焦起來，用于定向通信或監(jiān)聽。解析思路：考察對(duì)波束形成技術(shù)作用、基本思想及其優(yōu)勢(shì)的理解，需要說明其通過信號(hào)處理增強(qiáng)特定方向信號(hào)、抑制其他方向信號(hào)的功能。三、7.AmbientAcousticSceneAnalysis(AASA)是指通過分析環(huán)境中的背景聲音信號(hào)，自動(dòng)識(shí)別出當(dāng)前聲學(xué)場(chǎng)景（如房間類型、是否有人活動(dòng)、是否有特定設(shè)備運(yùn)行等）的技術(shù)。在機(jī)器人自主導(dǎo)航中，AASA可以幫助機(jī)器人感知其周圍環(huán)境，識(shí)別出房間、走廊、門口等空間結(jié)構(gòu)特征，檢測(cè)到人的存在、移動(dòng)方向，識(shí)別出重要的聲音事件（如門開關(guān)聲、警報(bào)聲），從而輔助機(jī)器人進(jìn)行定位（聲源定位、聲紋定位）、路徑規(guī)劃（避開噪聲源、跟隨聲音引導(dǎo)）、建圖（聲學(xué)地圖構(gòu)建）和交互（語音識(shí)別的聲學(xué)環(huán)境補(bǔ)償）。面臨的挑戰(zhàn)主要包括：環(huán)境聲學(xué)特征的時(shí)變性（環(huán)境噪聲、聲源變化）、聲學(xué)特征的魯棒性和唯一性（不同環(huán)境可能具有相似特征，同一特征在不同環(huán)境可能不同）、計(jì)算復(fù)雜度（實(shí)時(shí)處理大量聲學(xué)數(shù)據(jù)）、多傳感器融合的難度（如何有效融合聲學(xué)信息與其他傳感器信息）。解析思路：考察對(duì)AASA概念、在機(jī)器人導(dǎo)航中的作用以及面臨挑戰(zhàn)的理解，需要結(jié)合導(dǎo)航任務(wù)說明其應(yīng)用價(jià)值，并列舉主要的技術(shù)難點(diǎn)。8.語音識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人，是指讓機(jī)器人能夠理解人類用自然語言發(fā)出的指令或進(jìn)行對(duì)話。這通常包括聲學(xué)建模（將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為音素或聲學(xué)特征）、語言建模（預(yù)測(cè)音素或詞組的序列概率）和聲文對(duì)齊（將輸入語音信號(hào)與模型輸出進(jìn)行匹配）等步驟。在機(jī)器人遠(yuǎn)距離語音交互中，聲學(xué)建模需要處理更廣動(dòng)態(tài)范圍、更復(fù)雜的噪聲環(huán)境（如遠(yuǎn)場(chǎng)環(huán)境下的混響、背景噪聲、多人說話等），需要更強(qiáng)大的模型來區(qū)分相似的發(fā)音。語言建模需要考慮遠(yuǎn)場(chǎng)對(duì)話中可能出現(xiàn)的更長(zhǎng)的上下文依賴和更自然的語言表達(dá)方式。此外，遠(yuǎn)場(chǎng)語音識(shí)別還需要解決麥克風(fēng)陣列信號(hào)處理（如波束形成、噪聲抑制）和遠(yuǎn)場(chǎng)聲源定位（區(qū)分說話人位置）等問題。解析思路：考察對(duì)語音識(shí)別技術(shù)在機(jī)器人應(yīng)用中的流程理解，特別關(guān)注其在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的聲學(xué)建模和語言建模所面臨的特殊問題和挑戰(zhàn)。9.基于聲學(xué)特征的機(jī)器人定位系統(tǒng)利用環(huán)境中的固有聲學(xué)特性（如反射、混響特性、特定聲源信號(hào)）進(jìn)行定位。其優(yōu)勢(shì)在于：可以在視覺信息不足或無效的環(huán)境（如黑暗、煙霧、粉塵）中使用；某些聲學(xué)特征（如特定頻率的共振）對(duì)環(huán)境變化不敏感，具有一定的魯棒性；聲波能夠穿透某些障礙物，實(shí)現(xiàn)非視距探測(cè)或定位；聲源定位技術(shù)本身可以提供高精度的角度信息。局限性在于：聲波傳播速度受介質(zhì)影響顯著，且易受多徑效應(yīng)、混響干擾；聲學(xué)特征可能隨時(shí)間變化（環(huán)境改變、聲源移動(dòng)）；定位精度可能受環(huán)境聲學(xué)特性不均勻性影響；聲納系統(tǒng)成本可能較高，功耗較大；對(duì)于小型機(jī)器人，自身發(fā)聲或環(huán)境噪聲可能干擾定位；難以提供絕對(duì)位置（通常需要與其他系統(tǒng)配合或預(yù)先建聲學(xué)地圖）。解析思路：考察對(duì)聲學(xué)定位系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析能力，需要從環(huán)境適應(yīng)性、魯棒性、穿透性、成本功耗等多個(gè)方面進(jìn)行闡述。四、10.超聲波傳感器利用超聲波在介質(zhì)中傳播和反射的原理進(jìn)行探測(cè)。其基本工作原理是：傳感器發(fā)射超聲波脈沖，當(dāng)脈沖遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，傳感器接收反射回來的回波。通過測(cè)量從發(fā)射脈沖到接收到回波的時(shí)間差（TimeofFlight,ToF），并根據(jù)聲速，可以計(jì)算出障礙物與傳感器之間的距離。同時(shí)，通過分析回波信號(hào)的強(qiáng)度變化，可以判斷障礙物的遠(yuǎn)近。超聲波傳感器通常具有體積小、成本低、功耗低、探測(cè)距離適中（幾厘米到幾十米）、對(duì)顏色和透明度不敏感、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此常被用于機(jī)器人進(jìn)行近距離障礙物探測(cè)、避障、高度測(cè)量、物體檢測(cè)等應(yīng)用。工作特點(diǎn)包括：方向性相對(duì)較差（通常需要配合多個(gè)傳感器或機(jī)械掃描）、易受強(qiáng)氣流、灰塵等環(huán)境因素干擾、探測(cè)距離有限、無法提供豐富的環(huán)境信息（如顏色、材質(zhì)）。解析思路：考察對(duì)超聲波傳感器工作原理、探測(cè)距離計(jì)算方法及其在機(jī)器人近距離探測(cè)和避障中應(yīng)用的理解，需要說明其原理、優(yōu)缺點(diǎn)和工作特點(diǎn)。11.聲致動(dòng)（Sonoactuation）是指利用聲波（特別是超聲波）的能量來驅(qū)動(dòng)或控制物體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象或技術(shù)。其基本原理通常涉及利用聚焦的高強(qiáng)度聲波在液體介質(zhì)中產(chǎn)生空化效應(yīng)（Cavitation），空化泡的快速膨脹和坍塌可以產(chǎn)生沖擊力或微流，驅(qū)動(dòng)物體；或者利用聲波與特定材料（如壓電材料、形狀記憶合金）的相互作用（如聲波驅(qū)動(dòng)壓電材料變形）來直接驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人或軟體結(jié)構(gòu)。在軟體機(jī)器人或微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方面，聲致動(dòng)具有潛在的應(yīng)用前景，例如：可以實(shí)現(xiàn)無接觸、無束縛的驅(qū)動(dòng)，避免傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的摩擦和磨損；驅(qū)動(dòng)方式靈活，可以通過聲波的強(qiáng)度、頻率、方向和模式來精確控制微機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；適用于在微流控芯片、生物醫(yī)學(xué)環(huán)境等難以進(jìn)行物理接觸操作的場(chǎng)景中驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。解析思路：考察對(duì)聲致動(dòng)概念、基本原理（空化、材料響應(yīng)）及其在軟體/微型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)中潛在應(yīng)用的理解和前景展望。12.將聲學(xué)感知（如麥克風(fēng)陣列）與其他傳感器（如激光雷達(dá)、攝像頭）進(jìn)行融合在機(jī)器人感知系統(tǒng)中可能帶來的益處包括：提高環(huán)境感知的冗余度和可靠性，單一傳感器可能失效或被欺騙時(shí)，融合系統(tǒng)仍能提供較準(zhǔn)確的信息；增強(qiáng)對(duì)環(huán)境特征的描述能力，例如融合視覺的幾何信息和聲學(xué)的距離/速度信息，可以更全面地理解環(huán)境；改善在特定環(huán)境下的感知性能，如利用聲學(xué)感知在低光照或能見度低的環(huán)境下探測(cè)目標(biāo)，利用視覺感知在需要精確幾何信息時(shí)進(jìn)行定位；實(shí)現(xiàn)多模態(tài)信息互補(bǔ)，利用不同傳感器的優(yōu)勢(shì)，抑制各自的缺點(diǎn)（如視覺的短距離、聲學(xué)的易受噪聲干擾），從而獲得更魯棒、更精確的感知結(jié)果。一種可能的融合策略是特征級(jí)融合，即分別從聲學(xué)傳感器和視覺傳感器提取環(huán)境特征（如聲源位置、視覺中的邊緣、角點(diǎn)、物體輪廓），然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如決策級(jí)融合或基于模型的方法）將這些特征進(jìn)行融合，以得到更準(zhǔn)確的環(huán)境描述或決策。解析思路：考察對(duì)多傳感器融合概念及其在機(jī)器人感知中優(yōu)勢(shì)的理解，需要說明融合帶來的性能提升，并舉例說明一種融合策略（特征級(jí)融合）。五、13.聲學(xué)隱身技術(shù)的基本原理主要是通過吸收、反射、散射或衰減聲波，減少目標(biāo)向周圍環(huán)境輻射的聲能，或者改變目標(biāo)自身發(fā)出的聲波特性，使其難以被聲學(xué)探測(cè)系統(tǒng)（如聲納、麥克風(fēng)陣列）發(fā)現(xiàn)、定位或識(shí)別。具體方法包括：在目標(biāo)表面覆蓋吸聲材料以吸收入射聲波和自身輻射聲波；設(shè)計(jì)特殊的外形結(jié)構(gòu)以使聲波發(fā)生有利的反射和散射，偏離探測(cè)器的方向；使用隔聲、減振結(jié)構(gòu)減少目標(biāo)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲；主動(dòng)聲學(xué)偽裝，如模擬環(huán)境背景噪聲或發(fā)射干擾信號(hào)。這種技術(shù)