2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)聲學(xué)聲吶防護(hù)：聲吶信號保護(hù)與防護(hù)措施考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題1.主動(dòng)聲吶系統(tǒng)通過發(fā)射聲波并接收______來探測目標(biāo)，而被動(dòng)聲吶系統(tǒng)則通過______來探測目標(biāo)。2.為了降低聲吶信號的截獲概率，可以采用______技術(shù)和______技術(shù)。3.在水聲通信中，高斯脈沖因其______的特性，在信號保護(hù)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。4.聲吶隱身技術(shù)的目的是通過改變目標(biāo)的______或______，使其難以被聲吶系統(tǒng)探測到。5.某些海洋生物能夠通過改變體態(tài)或發(fā)出______來干擾聲吶探測，這是一種生物層面的聲吶防護(hù)機(jī)制。6.自適應(yīng)濾波技術(shù)在聲吶信號處理中主要用于______，以提高信號接收質(zhì)量。7.擴(kuò)頻通信通過將信號擴(kuò)展到更寬的帶寬，從而在噪聲環(huán)境中提高_(dá)_____，降低______。8.雜波是聲吶系統(tǒng)接收到的______信號，通常由______產(chǎn)生，對信號保護(hù)構(gòu)成主要威脅。二、簡答題1.簡述低截獲概率（LPI）聲吶信號的主要特點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)的基本原理。2.解釋什么是信號加密，它在聲吶信號保護(hù)中有何作用？簡述一種常見的加密/解密方法。3.闡述聲吶系統(tǒng)面臨的主要物理威脅（如噪聲干擾、混響、多徑效應(yīng)），并說明這些威脅如何影響信號的可靠傳輸和保護(hù)。4.描述一種用于材料聲學(xué)隱身的原理，并說明該原理在減少聲吶反射方面是如何工作的。5.分析生物聲吶防御策略的多樣性，舉例說明至少兩種不同生物所采用的聲吶規(guī)避或干擾方法。三、計(jì)算題1.假設(shè)一個(gè)聲吶系統(tǒng)發(fā)射信號功率為1KW，在距離目標(biāo)1000米處，忽略大氣和海水吸收，只考慮目標(biāo)反射和均勻噪聲。已知目標(biāo)雷達(dá)散射截面（RCS）為0.1平方米，環(huán)境噪聲級為50dB（參考聲壓級）。求接收端接收到的目標(biāo)信號強(qiáng)度（以dB表示）和噪聲強(qiáng)度（以dB表示），并估算信噪比（SNR）。若要使SNR提高10dB，發(fā)射功率需增加多少？2.一個(gè)采用線性調(diào)頻（LFM）信號的聲吶系統(tǒng)，信號帶寬為1000Hz，中心頻率為10000Hz。若目標(biāo)距離為2000米，海水聲速為1500m/s，求信號到達(dá)接收端的時(shí)延以及信號的調(diào)頻斜率。四、綜合分析題1.假設(shè)你需要為一種執(zhí)行秘密水下任務(wù)的潛艇設(shè)計(jì)一套綜合聲吶防護(hù)方案。請分析該潛艇可能面臨的主要聲吶探測威脅（來自主動(dòng)聲吶和被動(dòng)聲吶），并針對這些威脅，分別提出至少兩種信號保護(hù)和目標(biāo)防護(hù)的具體技術(shù)措施。簡述每種措施的基本原理及其預(yù)期效果，并討論實(shí)施這些措施時(shí)可能遇到的挑戰(zhàn)或權(quán)衡。2.隨著水下無人潛航器（UUV）的廣泛應(yīng)用，如何保護(hù)UUV免受敵方聲吶探測成為一個(gè)重要問題。請討論UUV可以采用哪些聲學(xué)隱身或聲學(xué)干擾技術(shù)。分析這些技術(shù)的有效性受哪些因素影響？并思考在追求隱身性能的同時(shí)，這些技術(shù)可能對UUV的其他功能（如導(dǎo)航、通信、傳感器使用）產(chǎn)生哪些影響或限制。試卷答案一、填空題1.反射回波；接收到的噪聲2.低截獲概率（LPI）；低截獲功率（LPP）3.良好的時(shí)聚焦性和抗干擾性4.背向散射特性；聲學(xué)散射特性5.聲納信號；反聲吶行為6.抑制噪聲和干擾7.抗干擾能力；截獲概率8.目標(biāo)自身；環(huán)境（如海底、海面、水體自身）二、簡答題1.答案：LPI聲吶信號的主要特點(diǎn)是信號功率譜密度低、信號特征不易被檢測、在噪聲背景中不易被發(fā)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的基本原理通常包括：使用寬頻帶信號（如LFM）以降低單位頻率內(nèi)的功率密度；采用相干處理技術(shù)精確地處理目標(biāo)回波，抑制寬帶的噪聲和干擾；通過優(yōu)化波束形成，提高信號方向性，同時(shí)降低旁瓣和后瓣功率，使信號在目標(biāo)方向上能量集中，在其他方向上能量分散。解析思路：首先回答LPI的定義和核心特點(diǎn)（低可檢測性）。然后重點(diǎn)闡述實(shí)現(xiàn)LPI的技術(shù)手段，結(jié)合信號處理的基本概念，如寬帶化（降低譜密度）、相干處理（提高信干噪比）、波束形成（能量集中）。需要提及關(guān)鍵技術(shù)的名稱（LFM、相干處理、波束形成）及其作用機(jī)制。2.答案：信號加密是指通過特定算法將原始聲吶信號轉(zhuǎn)換為不可讀或難以識別的形式，防止未授權(quán)方竊聽或理解信號內(nèi)容。在聲吶信號保護(hù)中，它用于保障通信或指令傳輸?shù)臋C(jī)密性，防止信息泄露。常見的加密/解密方法包括使用對稱密鑰（如AES）或非對稱密鑰（如RSA）進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，接收方需使用相應(yīng)的密鑰進(jìn)行解密以恢復(fù)原始信號。密鑰管理是加密系統(tǒng)安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。解析思路：首先解釋信號加密的概念及其在聲吶領(lǐng)域的應(yīng)用目的（保障機(jī)密性）。然后列舉常見的加密方法類別（對稱、非對稱），并簡述其工作方式（使用密鑰轉(zhuǎn)換信號）。強(qiáng)調(diào)密鑰管理的重要性。3.答案：聲吶系統(tǒng)面臨的主要物理威脅包括：環(huán)境噪聲（如風(fēng)浪、船舶、生物產(chǎn)生的噪聲）會淹沒微弱的目標(biāo)信號；混響（目標(biāo)或環(huán)境界面反射聲波）會干擾目標(biāo)回波，尤其在近場和淺水區(qū)；多徑效應(yīng)（聲波經(jīng)過水面、水底多次反射到達(dá)接收器）會引入信號失真和干擾。這些威脅降低了信號的信噪比和清晰度，使得目標(biāo)難以被準(zhǔn)確檢測、識別和跟蹤，從而威脅到聲吶信號的可靠傳輸和安全。解析思路：列舉主要的物理威脅種類（環(huán)境噪聲、混響、多徑）。對每種威脅進(jìn)行簡要說明。最后總結(jié)這些威脅對聲吶系統(tǒng)性能（信噪比、檢測精度）和信號保護(hù)（易受干擾、易被截獲）造成的負(fù)面影響。4.答案：材料聲學(xué)隱身的原理主要是通過在目標(biāo)表面或內(nèi)部應(yīng)用特殊的聲學(xué)材料或結(jié)構(gòu)，改變目標(biāo)的聲學(xué)特性。例如，使用吸聲材料吸收入射聲波，減少反射；使用減振材料或結(jié)構(gòu)抑制目標(biāo)的振動(dòng)，降低輻射噪聲；設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)（如穿孔板、蜂窩結(jié)構(gòu)）來控制聲波的反射方向和強(qiáng)度，降低背向散射強(qiáng)度。這些措施旨在降低目標(biāo)的整體聲學(xué)散射特性，使其難以被聲吶系統(tǒng)探測或定位。解析思路：闡述聲學(xué)隱身的基本原理（改變散射特性）。然后結(jié)合具體技術(shù)手段進(jìn)行解釋，如吸聲（減少反射）、減振（降低噪聲源）、特殊結(jié)構(gòu)（控制反射方向/強(qiáng)度），并點(diǎn)明最終目的（降低散射/噪聲）。5.答案：生物聲吶防御策略多樣。例如，一些深海生物（如巨型烏賊）在被聲吶探測時(shí)，會發(fā)出高強(qiáng)度的寬頻噪聲，以干擾聲吶系統(tǒng)或威懾捕食者，這是一種聲納干擾策略。其他生物則通過快速改變自身運(yùn)動(dòng)方向或深度來規(guī)避聲吶探測的探測扇面，這是一種運(yùn)動(dòng)規(guī)避策略。還有些生物能夠通過特定的體態(tài)調(diào)整或發(fā)聲模式，使其背向聲吶發(fā)射方向，從而降低被探測到的概率。解析思路：點(diǎn)明生物聲吶防御的多樣性。分別舉例說明不同類型的防御策略：聲納干擾（發(fā)出噪聲）、運(yùn)動(dòng)規(guī)避（改變位置/方向）、聲納隱身（調(diào)整姿態(tài)/方向）。對每種策略進(jìn)行簡要說明其作用機(jī)制。三、計(jì)算題1.答案：*信號強(qiáng)度（目標(biāo)）：利用雷達(dá)方程簡化形式估算，P_r≈(P_t*G_t^2*σ*λ^2)/((4π)^3*R^4)，其中P_t=1KW=10^3W,σ=0.1m^2,λ=c/f=1500/10000=0.15m,R=1000m。計(jì)算得P_r≈3.98*10^-14W。轉(zhuǎn)換為dB：10*log10(P_r/(1*10^-12W))≈-10.4dB(忽略接收機(jī)噪聲和傳輸損失)。*噪聲強(qiáng)度：給定噪聲級為50dB(參考聲壓級)，即N=10^(50/10)*(1*10^-12W/(2πf0^2))。假設(shè)參考頻率f0=10000Hz，計(jì)算得N≈3.16*10^-9W。*信噪比(SNR)=信號強(qiáng)度+噪聲強(qiáng)度=P_r+N≈3.98*10^-14W+3.16*10^-9W≈3.16*10^-9W。轉(zhuǎn)換為dB：10*log10(SNR/(1*10^-12W))≈80.4dB。*要使SNR提高10dB，即達(dá)到90.4dB。設(shè)所需發(fā)射功率為P_t'，則(P_t'*G_t^2*σ*λ^2)/((4π)^3*R^4)+N=10^(90.4/10)*10^-12。由于R,G_t,σ,λ,N基本不變，可近似認(rèn)為P_t'≈10*P_t。因此，發(fā)射功率需增加10倍。解析思路：計(jì)算題1基于聲納方程和基本聲學(xué)公式。首先，根據(jù)目標(biāo)RCS和距離計(jì)算目標(biāo)回波信號強(qiáng)度（使用簡化的雷達(dá)方程）。然后，根據(jù)給定的噪聲級計(jì)算環(huán)境噪聲強(qiáng)度（基于參考聲壓級）。將兩者相加得到信噪比，并轉(zhuǎn)換為dB表示。最后，計(jì)算為使SNR提高10dB所需增加的發(fā)射功率，利用比例關(guān)系簡化計(jì)算。2.答案：*時(shí)延(Δt)=距離/聲速=R/c=2000m/1500m/s≈1.33s。*調(diào)頻斜率(k)=帶寬/時(shí)延=B/Δt=1000Hz/1.33s≈750Hz/s。解析思路：計(jì)算題2涉及聲波傳播基本公式和LFM信號特性。時(shí)延直接由距離和聲速計(jì)算得到。調(diào)頻斜率是LFM信號帶寬與信號往返時(shí)延的比值，反映了信號頻率隨時(shí)間變化的速率。四、綜合分析題1.答案：*威脅分析：*主動(dòng)聲吶探測威脅：敵方艦船或潛艇發(fā)射的低頻或高頻聲吶信號可能探測到潛艇的噪聲輻射或反射信號；高頻聲吶可能用于精確測距和識別。*被動(dòng)聲吶探測威脅：敵方被動(dòng)聲吶系統(tǒng)（水聽器陣列）可能接收到潛艇的機(jī)械噪聲（螺旋槳、主機(jī)、流體動(dòng)力噪聲）、熱噪聲、以及可能因通信或?qū)Ш桨l(fā)射的信號。*信號防護(hù)措施：*采用LPI/LPP技術(shù)發(fā)射聲吶信號，降低信號可檢測性。*對潛艇自噪聲進(jìn)行抑制，如優(yōu)化潛艇推進(jìn)系統(tǒng)、使用水聲隔離材料、降低設(shè)備運(yùn)行溫度。*采用聲學(xué)隱身材料覆蓋潛艇表面，降低背向散射強(qiáng)度。*使用加密通信系統(tǒng)傳輸指令和數(shù)據(jù)，防止信息泄露。*在必要時(shí)，使用噪聲干擾或欺騙信號干擾敵方被動(dòng)聲吶。*目標(biāo)防護(hù)措施：*采用聲學(xué)隱身設(shè)計(jì)，優(yōu)化潛艇外形，減少聲波反射（如采用傾斜表面、吸聲涂層）。*利用聲納規(guī)避策略，如深度、速度和航向的隨機(jī)變化，或利用海床、海流等環(huán)境進(jìn)行掩護(hù)。*（若適用）部署聲吶誘餌或干擾器，吸引敵方聲吶的注意，掩護(hù)潛艇本體。*挑戰(zhàn)與權(quán)衡：實(shí)施這些措施面臨挑戰(zhàn)，如聲學(xué)隱身材料可能增加潛艇重量和阻力；LPI/LPP技術(shù)可能限制信號作用距離和功率；噪聲抑制和隱身設(shè)計(jì)可能相互促進(jìn)，但設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜；聲納規(guī)避需要先進(jìn)的探測和決策系統(tǒng)支持；部分防護(hù)措施可能相互矛盾（如高速航行時(shí)自噪聲增大，但機(jī)動(dòng)性提高）。解析思路：該題要求全面分析并提出方案。首先，需站在潛艇角度，分析其面臨的主要探測威脅來源（主動(dòng)、被動(dòng)）和具體類型。然后，針對這兩類威脅，分別提出信號層面（LPI/LPP、噪聲抑制、隱身材料、加密、干擾）和目標(biāo)層面（外形優(yōu)化、規(guī)避策略、誘餌）的防護(hù)措施。最后，分析實(shí)施這些措施時(shí)可能遇到的技術(shù)、工程、成本等方面的挑戰(zhàn)，以及不同措施間的權(quán)衡關(guān)系。2.答案：*可采用的聲學(xué)隱身/干擾技術(shù)：*吸聲/隔振材料：在UUV外殼鋪設(shè)吸聲材料，減少從聲吶發(fā)出的反射；使用隔振結(jié)構(gòu)或材料，降低螺旋槳、推進(jìn)器等運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的機(jī)械噪聲輻射。*低噪聲推進(jìn)系統(tǒng)：采用高效、安靜的推進(jìn)器類型（如無槽數(shù)葉片螺旋槳、泵噴推進(jìn)器），優(yōu)化其設(shè)計(jì)以降低輻射噪聲。*外形優(yōu)化：設(shè)計(jì)具有低背向散射系數(shù)的UUV外形，減少被被動(dòng)聲吶探測到的概率。*內(nèi)部噪聲源隔離：將產(chǎn)生較大噪聲的設(shè)備（如電機(jī)、控制器）進(jìn)行有效隔振和包絡(luò)，減少噪聲向外部傳播。*聲學(xué)誘餌/干擾：部署小型聲源，模擬UUV的真實(shí)噪聲特征，誘使敵方聲吶跟蹤誘餌而忽略UUV本體。*（特定場景）聲波抑制技術(shù)：研究和嘗試發(fā)射特定頻率或模式的聲波，干擾敵方聲吶信號的接收或處理。*影響有效性的因素：*環(huán)境噪聲水平：在高噪聲環(huán)境下，UUV的噪聲特征相對更容易被掩蓋。*敵方聲吶性能：敵方聲吶的靈敏度、分辨率、信號處理能力（如LPI/LPD性能）直接影響其探測UUV的能力。*UUV的尺寸和形狀：小型UUV的固有噪聲通常較低，但散射特性也可能更顯著。*推進(jìn)方式和速度：不同推進(jìn)方式和速度下，UUV的輻射噪聲特性差異很大。*材料特性：外殼材料的聲學(xué)阻抗和損耗特性對隱身效果有直接影響。*對其他功能的影響/限制：*重量和成本：采用高性能的聲學(xué)隱身材料或設(shè)備通常會增加UUV的重量和制造成本。*空間布局：噪聲抑制和隱身結(jié)構(gòu)可能占用寶貴的內(nèi)部空間，影響其他傳感器、武器或能源系統(tǒng)的布置。*推進(jìn)性能：低噪聲推進(jìn)系統(tǒng)可能犧牲部分推進(jìn)效率或速度