2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)在聲音頻譜中的應(yīng)用考試時(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)的字母填在括號(hào)內(nèi)）1.將一個(gè)時(shí)域聲學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為其頻域表示形式，主要使用了哪種數(shù)學(xué)工具？(A)微積分(B)拉普拉斯變換(C)傅里葉變換(D)離散余弦變換2.在聲音功率譜密度圖中，橫坐標(biāo)通常表示什么？(A)時(shí)間(B)頻率(C)聲壓(D)功率3.以下哪種現(xiàn)象或技術(shù)直接利用了聲音頻譜中頻率成分隨時(shí)間變化的信息？(A)傅里葉分析(B)相關(guān)分析(C)短時(shí)傅里葉變換(D)低通濾波4.語音信號(hào)中，通常哪個(gè)頻率范圍內(nèi)的能量集中程度對(duì)感知語音的清晰度最為關(guān)鍵？(A)20Hz-200Hz(B)300Hz-3400Hz(C)4000Hz-20000Hz(D)100Hz-1000Hz5.在音樂信號(hào)處理中，均衡器（EQ）主要作用于聲音頻譜的哪個(gè)方面？(A)相位(B)幅度(C)噪聲(D)時(shí)刻6.聲學(xué)中的等響度曲線描述了什么關(guān)系？(A)聲強(qiáng)與頻率的關(guān)系(B)聲壓級(jí)與頻率的關(guān)系（在不同響度感知下）(C)頻率與時(shí)間的關(guān)系(D)聲強(qiáng)與時(shí)間的關(guān)系7.利用頻譜分析來識(shí)別不同聲源（如區(qū)分不同人的聲音或不同樂器的聲音）主要依據(jù)的是其頻譜的什么特性？(A)平均功率(B)譜峰位置和形狀(C)相位信息(D)譜寬8.在環(huán)境噪聲控制中，吸聲材料的主要作用是？(A)阻擋聲音傳播(B)反射聲音(C)在聲波傳播過程中吸收聲能，降低聲強(qiáng)(D)修改聲音的頻譜特性9.生物聲學(xué)中，分析蝙蝠發(fā)出的調(diào)頻脈沖信號(hào)時(shí)，通常特別關(guān)注其頻譜的什么變化？(A)幅度隨時(shí)間的變化(B)頻率隨時(shí)間的調(diào)制(C)相位穩(wěn)定性(D)譜帶寬度10.短時(shí)傅里葉變換（STFT）的主要優(yōu)勢(shì)在于什么？(A)能夠精確計(jì)算信號(hào)的總能量(B)能夠同時(shí)提供整個(gè)信號(hào)的時(shí)頻信息(C)能夠有效地分析非平穩(wěn)信號(hào)（其頻譜特性隨時(shí)間變化）的局部時(shí)頻特性(D)計(jì)算效率比傅里葉變換高得多二、填空題（每小題2分，共20分。請(qǐng)將答案填在橫線上）1.聲音的頻譜圖通常包括幅度譜和________譜。2.描述信號(hào)在特定頻率點(diǎn)附近能量集中程度的指標(biāo)是________。3.在語音信號(hào)處理中，識(shí)別說話人身份常利用其聲紋，聲紋的核心特征之一是其頻譜的________。4.音樂音色的感知主要取決于聲音頻譜的________特征。5.功率譜密度（單位：W/Hz）表示________。6.傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，其逆變換則將________信號(hào)轉(zhuǎn)換回時(shí)域信號(hào)。7.相關(guān)分析可以用來檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)之間在________或________上的相似性。8.為了設(shè)計(jì)有效的吸聲結(jié)構(gòu)，需要了解吸聲材料在不同________范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)。9.傅里葉分析假設(shè)信號(hào)是________的。10.對(duì)頻譜進(jìn)行平滑處理通常是為了________信號(hào)，減少噪聲干擾。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述幅度譜和相位譜分別表示什么物理意義。2.簡(jiǎn)述傅里葉變換的物理意義是什么。3.簡(jiǎn)述濾波器在聲學(xué)信號(hào)處理中通常起什么作用。4.簡(jiǎn)述什么是噪聲掩蔽效應(yīng)，并說明其與頻譜分析有何關(guān)聯(lián)。四、計(jì)算題（每小題10分，共30分）1.假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)諧聲波信號(hào)s(t)=Acos(2πf?t+φ)，其中A=1Pa,f?=440Hz,φ=0。請(qǐng)計(jì)算該信號(hào)在頻率為440Hz和880Hz處的幅度譜值（不考慮單位，僅計(jì)算系數(shù)）。假設(shè)其相位譜在440Hz處為0，在880Hz處為0。2.某環(huán)境噪聲的測(cè)量結(jié)果顯示，在中心頻率為1000Hz、帶寬為100Hz的頻帶內(nèi)，聲壓級(jí)為60dB（參考聲壓為2×10??Pa）。請(qǐng)計(jì)算該頻帶內(nèi)對(duì)應(yīng)的有效聲壓和聲功率密度（假設(shè)該頻段噪聲是理想的簡(jiǎn)諧波，且各向同性輻射到單位球面上）。請(qǐng)將聲功率密度的結(jié)果表示為W/m2。3.設(shè)有一個(gè)理想的低通濾波器，其幅度響應(yīng)|H(f)|在0≤f≤f_c時(shí)為1，在f>f_c時(shí)為0。其中f_c=1000Hz。請(qǐng)定性描述該濾波器對(duì)以下兩個(gè)輸入信號(hào)的作用：(1)s1(t)=cos(2πt)（基頻為1Hz）(2)s2(t)=cos(2π2000t)（基頻為2000Hz）請(qǐng)簡(jiǎn)述濾波后的信號(hào)在頻域上的主要變化。五、分析題（每小題10分，共20分）1.假設(shè)我們分別獲得了正常說話人和一位患有帕金森病說話人的語音信號(hào)樣本的頻譜圖。請(qǐng)分析，從頻譜圖上通?？梢杂^察到哪些方面的差異？這些差異可能反映了帕金森病對(duì)語音產(chǎn)生哪些影響？（可從基頻、共振峰、頻譜形狀等方面進(jìn)行分析）。2.在進(jìn)行音樂音頻的均衡處理時(shí)，工程師可能需要降低某個(gè)頻段（例如200Hz-400Hz）的能量，同時(shí)提升高頻（例如5000Hz-10000Hz）的能量。請(qǐng)分析這種處理對(duì)音樂聲音的音色可能產(chǎn)生什么影響？說明理由。試卷答案一、選擇題1.(C)2.(B)3.(C)4.(B)5.(B)6.(B)7.(B)8.(C)9.(B)10.(C)二、填空題1.相位2.譜峰（或譜線高度/幅度）3.獨(dú)特性（或獨(dú)特性）4.形狀（或結(jié)構(gòu)）5.單位頻率內(nèi)的聲音功率6.頻域7.時(shí)間/相位8.頻率9.平穩(wěn)10.平滑/降噪三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：幅度譜表示信號(hào)在不同頻率成分上的能量大小或強(qiáng)度，是頻譜的絕對(duì)值部分。相位譜表示信號(hào)在各個(gè)頻率成分上振動(dòng)相對(duì)于參考點(diǎn)（通常為零時(shí)刻）的初始相位。兩者共同構(gòu)成了信號(hào)的頻域完整描述。2.解析思路：傅里葉變換是一種數(shù)學(xué)工具，其物理意義在于將一個(gè)在時(shí)域中描述的信號(hào)，分解成由無數(shù)個(gè)不同頻率、不同振幅和相位的簡(jiǎn)諧波（正弦和余弦波）線性組合而成。它揭示了信號(hào)在頻域上的頻率成分及其強(qiáng)度信息。3.解析思路：濾波器通過選擇性地允許或阻止特定頻率范圍內(nèi)的聲波通過，從而改變聲音信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。在聲學(xué)信號(hào)處理中，濾波器可用于去除噪聲、提取特定信號(hào)成分、改變音色、抑制共振等。4.解析思路：噪聲掩蔽效應(yīng)是指當(dāng)多個(gè)聲音同時(shí)存在時(shí)，一個(gè)聲音（掩蔽音）的存在會(huì)使得另一個(gè)聲音（被掩蔽音）的可聽度降低，甚至完全聽不到。其與頻譜分析關(guān)聯(lián)在于：掩蔽效應(yīng)的強(qiáng)弱通常與掩蔽音和被掩蔽音的頻譜重疊程度、聲壓級(jí)差異以及頻率位置有關(guān)。通過分析頻譜，可以預(yù)測(cè)和理解掩蔽效應(yīng)。四、計(jì)算題1.解析思路：根據(jù)簡(jiǎn)諧波的傅里葉變換性質(zhì)，其頻譜是位于其頻率f?及其整數(shù)倍頻率（±f?,±2f?,…）處的impulses（δ函數(shù)），幅度為系數(shù)A/2。這里信號(hào)是s(t)=Acos(2πf?t)，其傅里葉變換S(f)=A/2*[δ(f-f?)+δ(f+f?)]。幅度譜值為|S(f)|=|A/2|=A/2。在440Hz處，幅度值為A/2；在880Hz處，幅度值為A/2。答案：0.5A(在440Hz處)；0.5A(在880Hz處)2.解析思路：聲壓級(jí)Lp=20log??(Pe/Pref)。計(jì)算有效聲壓Pe=Pref*10^(Lp/20)。帶寬Δf=100Hz。聲功率密度W=(Pe2/ρ?c)*(Δf/(2π))，其中ρ?為空氣密度，c為聲速。這里假設(shè)ρ?c=400(N·s/m2)，Pref=2×10??Pa。Pe=2×10??*10^(60/20)=2×10??*1000=0.02Pa。W=(0.022/400)*(100/(2π))=(4×10??/400)*(100/6.28)=10??*15.92≈1.592×10??W/m2。答案：有效聲壓Pe=0.02Pa；聲功率密度W≈1.59×10??W/m23.解析思路：低通濾波器只允許頻率低于f_c的信號(hào)通過。對(duì)于s1(t)=cos(2πt)，其基頻f?=1Hz<f_c(1000Hz)，所以信號(hào)絕大部分頻率都在通帶內(nèi)，濾波后信號(hào)幾乎不變，或僅有微小的相移。對(duì)于s2(t)=cos(2π2000t)，其基頻f?=2000Hz>f_c(1000Hz)，所以信號(hào)的主要頻率成分位于阻帶，大部分會(huì)被濾波器阻止。答案：(1)對(duì)s1(t)(1Hz信號(hào))，大部分頻率通過，信號(hào)變化很小。(2)對(duì)s2(t)(2000Hz信號(hào))，大部分頻率被阻止，信號(hào)能量顯著降低。五、分析題1.解析思路：帕金森病影響運(yùn)動(dòng)控制，特別是發(fā)聲相關(guān)的肌肉。這可能導(dǎo)致：基頻（F0）降低且穩(wěn)定性差（頻譜圖上基頻位置低且波動(dòng)大）；共振峰（Formants）位置移動(dòng)、寬度變化或幅度減?。l譜圖上Formant峰變化）；頻譜整體可能變得“瘦高”或“低平”，細(xì)節(jié)減少。這些變化綜合起來導(dǎo)致語音失去清晰度和自然感