2025年大學(xué)《聲學(xué)》專業(yè)題庫——聲學(xué)聲學(xué)聲吶系統(tǒng)：聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題3分，共30分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題干后的括號內(nèi)）1.下列哪一項(xiàng)不是主動(dòng)聲吶系統(tǒng)的主要組成部分？（）A.聲源B.換能器C.信號處理器D.水下通信鏈路2.根據(jù)聲吶方程，在其他條件不變的情況下，希望提高聲吶的最大作用距離，最直接的方法是？（）A.降低工作頻率B.增加發(fā)射信號帶寬C.提高發(fā)射聲源級D.減小目標(biāo)雷達(dá)截面3.側(cè)掃聲吶主要用于？（）A.測量目標(biāo)的距離和速度B.獲取水底地形地貌信息C.探測和跟蹤水面目標(biāo)D.測量水體的化學(xué)成分4.聲吶系統(tǒng)中的匹配濾波器旨在？（）A.抑制噪聲干擾B.增加發(fā)射信號功率C.最大程度地提高信噪比D.減小換能器尺寸5.多普勒效應(yīng)在聲吶技術(shù)中主要應(yīng)用于？（）A.提高聲吶的分辨率B.測量水下目標(biāo)的相對速度C.增強(qiáng)聲吶系統(tǒng)的抗干擾能力D.改善聲吶系統(tǒng)的指向性6.以下哪種聲吶系統(tǒng)屬于被動(dòng)聲吶？（）A.主機(jī)動(dòng)聲吶B.聲納自導(dǎo)魚雷C.水下監(jiān)視系統(tǒng)（用于接收目標(biāo)發(fā)出的聲音）D.多波束測深系統(tǒng)7.聲吶方程中，'R'代表？（）A.聲源級B.接收信號級C.發(fā)射換能器到目標(biāo)的距離D.目標(biāo)雷達(dá)截面8.對于給定的聲源和介質(zhì)，增加聲吶系統(tǒng)的距離分辨率通常需要？（）A.增加信號帶寬B.減小信號帶寬C.使用更小的換能器孔徑D.降低工作頻率9.在聲吶信號處理中，自適應(yīng)濾波技術(shù)主要用于？（）A.生成復(fù)雜的發(fā)射信號波形B.抑制時(shí)變的環(huán)境噪聲C.提高聲吶系統(tǒng)的發(fā)射功率D.增強(qiáng)目標(biāo)信號的特征10.聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇工作頻率需要綜合考慮？（）A.目標(biāo)類型、作用距離、水中噪聲水平、傳播損耗等B.換能器尺寸、發(fā)射功率、系統(tǒng)成本、操作便利性等C.材料科學(xué)、電子工程、水聲物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等所有領(lǐng)域D.僅取決于系統(tǒng)最終用戶的喜好二、填空題（每空2分，共20分。請將答案填寫在橫線上）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)。2.聲吶方程描述了聲吶系統(tǒng)性能（如可檢測信號級）與________、________、________等因素之間的關(guān)系。3.聲吶的分辨率通常分為距離分辨率、________分辨率和速度分辨率。4.利用水聽器接收目標(biāo)自身發(fā)出的聲音進(jìn)行探測的聲吶系統(tǒng)稱為________聲吶。5.波束形成技術(shù)是________聲吶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高方向性和分辨率的關(guān)鍵。6.聲吶系統(tǒng)中的自噪聲主要來源于________和________產(chǎn)生的噪聲。7.________是衡量聲波在介質(zhì)中傳播速度的物理量。8.在聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要權(quán)衡距離性能和________性能。9.側(cè)掃聲吶利用聲波掃描水底，形成________形象。10.多普勒聲吶利用多普勒頻移來測量________的大小。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述聲吶方程中，發(fā)射功率（或聲源級）對系統(tǒng)性能的影響。2.簡要說明什么是被動(dòng)聲吶，并列舉其至少兩個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域。3.什么是聲吶系統(tǒng)的距離分辨率？簡要說明影響距離分辨率的主要因素。四、計(jì)算題（共15分）已知一主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，其發(fā)射換能器聲源級為180dB（參考點(diǎn)1W/μm2），發(fā)射信號頻率為1000Hz。在1000米距離處，假設(shè)目標(biāo)雷達(dá)截面為10m2，水中總噪聲級為60dB（參考點(diǎn)1μPa2/Hz）。忽略傳播損失，試?yán)煤喕穆晠确匠逃?jì)算接收點(diǎn)處的信號級（SL）和噪聲級（NL），并判斷該聲吶系統(tǒng)是否能夠檢測到此目標(biāo)（假設(shè)門限信噪比為10dB）。五、論述題（10分）論述聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，頻率選擇需要考慮的主要因素及其之間的權(quán)衡關(guān)系。試卷答案一、選擇題1.D2.C3.B4.C5.B6.C7.C8.A9.B10.A解析1.主動(dòng)聲吶系統(tǒng)通過發(fā)射聲波并接收目標(biāo)反射的回波來探測目標(biāo)，其核心組成包括聲源、換能器、信號處理器、顯示系統(tǒng)等。水下通信鏈路主要用于數(shù)據(jù)傳輸，并非主動(dòng)聲吶探測的核心組成部分。故選D。2.根據(jù)聲吶方程，接收信號級與聲源級正相關(guān)。在其他條件（如目標(biāo)R,σ,介質(zhì)噪聲N,傳播損耗α等）不變時(shí)，提高發(fā)射聲源級（SL）會(huì)直接提高接收信號級（SL-TL-NL），從而增大最大作用距離。降低頻率會(huì)增加傳播損耗，不利于距離。增加帶寬對距離影響相對較小，主要影響分辨率。減小目標(biāo)R會(huì)減小回波強(qiáng)度，減小距離。故選C。3.側(cè)掃聲吶（Side-ScanSonar,SSS）通過聲吶系統(tǒng)在水底進(jìn)行拖曳或固定掃描，接收回波形成水底地形地貌的圖像，主要用于繪制海床圖、探測沉物、發(fā)現(xiàn)隱藏目標(biāo)等。故選B。4.匹配濾波器是理論上最優(yōu)的線性濾波器，它能夠最大化輸出信號與已知參考信號（通常是發(fā)射信號）的相似度，從而在噪聲背景下最大化信噪比（SNR）。A選項(xiàng)是自適應(yīng)濾波的功能之一，但非匹配濾波器核心目的。B選項(xiàng)與濾波器無關(guān)。D選項(xiàng)是換能器的設(shè)計(jì)考慮因素。故選C。5.多普勒效應(yīng)是指波源與觀察者相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波頻率會(huì)發(fā)生變化。在聲吶中，通過發(fā)射恒定頻率的聲波，并分析目標(biāo)反射回波的多普勒頻移，可以精確測量目標(biāo)的相對速度。A選項(xiàng)是分辨率相關(guān)的技術(shù)。C選項(xiàng)是抗干擾技術(shù)。D選項(xiàng)是陣列技術(shù)的作用。故選B。6.被動(dòng)聲吶系統(tǒng)不發(fā)射聲波，僅通過接收環(huán)境中其他物體（目標(biāo)）自身產(chǎn)生的聲音（如艦船的螺旋槳噪聲、潛艇的機(jī)械噪聲等）來進(jìn)行探測、定位和跟蹤。A、B、D選項(xiàng)都屬于主動(dòng)聲吶系統(tǒng)，它們都需要發(fā)射聲波。故選C。7.聲吶方程R代表聲源（發(fā)射換能器）到目標(biāo)的距離。故填發(fā)射換能器到目標(biāo)的距離。8.距離分辨率是指能夠區(qū)分的兩個(gè)目標(biāo)在距離上最小的間隔。根據(jù)瑞利判據(jù)，距離分辨率δR與信號帶寬B成反比，與波長λ成正比（λ=c/f，c為聲速，f為頻率）。增加信號帶寬B可以減小距離分辨率。A選項(xiàng)正確。增加孔徑、降低頻率都會(huì)增大距離分辨率。故選A。9.自適應(yīng)濾波技術(shù)能夠根據(jù)環(huán)境噪聲的變化實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器參數(shù)，以有效地抑制時(shí)變的環(huán)境噪聲（如海洋環(huán)境中的風(fēng)浪噪聲、船舶噪聲等），從而提高信號檢測的性能。A選項(xiàng)是信號生成技術(shù)。C選項(xiàng)是功率放大技術(shù)。D選項(xiàng)是信號特征增強(qiáng)技術(shù)。故選B。10.選擇聲吶系統(tǒng)的工作頻率是一個(gè)復(fù)雜的多因素權(quán)衡過程。主要需要考慮：目標(biāo)特性（如目標(biāo)大小、運(yùn)動(dòng)速度）、所需的作用距離、水中噪聲水平（不同頻率噪聲特性不同）、聲波在水中傳播的損耗（頻率依賴性強(qiáng)）、系統(tǒng)性能指標(biāo)（分辨率、指向性等）以及可用技術(shù)等。B、C選項(xiàng)是設(shè)計(jì)考慮因素，但非頻率選擇的核心驅(qū)動(dòng)因素。D選項(xiàng)完全不相關(guān)。故選A。二、填空題1.回波2.聲源級，目標(biāo)雷達(dá)截面，傳播損耗（或接收信號級）3.方位（或角度）4.被動(dòng)5.主動(dòng)（或聲納）6.換能器，環(huán)境7.聲速8.分辨率（或角度/方位）9.地形10.目標(biāo)相對速度解析1.主動(dòng)聲吶的工作原理是發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到目標(biāo)后發(fā)生反射，形成回波，聲吶系統(tǒng)通過接收和分析這些回波來探測目標(biāo)。2.聲吶方程是聲吶系統(tǒng)性能預(yù)測的基本工具，它將接收信號級（通常與探測能力相關(guān)）與聲源在介質(zhì)中的聲功率級（聲源級SL）、目標(biāo)特性（雷達(dá)截面σ）、信號傳播距離（R）、傳播介質(zhì)損耗（包括吸聲TL和噪聲NL）等關(guān)鍵參數(shù)聯(lián)系起來。公式常表示為SL-TL-σ-2TL-NL=接收信號級。3.聲吶的分辨率是指系統(tǒng)能夠區(qū)分的兩個(gè)相鄰目標(biāo)的極限距離或角度。主要分為：距離分辨率（區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)沿聲波傳播方向的距離能力）、方位分辨率（區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)在垂直于聲波傳播方向上的角度能力，也常指水平角度）和速度分辨率（區(qū)分兩個(gè)速度相近的目標(biāo)的能力）。4.被動(dòng)聲吶（PassiveSonar）是指不發(fā)射聲波，而是利用水聽器（Hydrophone）被動(dòng)接收環(huán)境中其他物體自身發(fā)出的聲音（AcousticSignature）來進(jìn)行探測的聲吶系統(tǒng)。5.主動(dòng)聲吶系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高方向性和分辨率，通常采用換能器陣列（TransducerArray）。通過組合多個(gè)換能器，利用波束形成（Beamforming）技術(shù)，可以將聲波能量集中在特定方向，從而提高在該方向上的探測靈敏度和分辨率。6.聲吶系統(tǒng)的自噪聲（Self-Noise）是指系統(tǒng)自身在無目標(biāo)、無外部聲源時(shí)產(chǎn)生的噪聲。主要來源包括：換能器本身在工作時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲以及電纜等電子部件產(chǎn)生的噪聲。7.聲速（SoundVelocity）是聲波在介質(zhì)中傳播的速度，是水聲學(xué)中的一個(gè)基本物理量，其值受水溫、鹽度、壓力（深度）等因素的影響。8.聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要在距離性能（希望探測得更遠(yuǎn)）和分辨率性能（希望區(qū)分得更清楚，即角度分辨率或距離分辨率）之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，提高發(fā)射功率可以增加作用距離，但可能犧牲效率或帶寬；使用窄波束可以提高角度分辨率，但覆蓋范圍會(huì)減小。9.側(cè)掃聲吶（SS）通過聲吶系統(tǒng)（通常安裝在拖魚上）對水底進(jìn)行掃描，接收從水底不同位置反射回來的聲波信號，根據(jù)回波強(qiáng)度和相位信息，合成形成一幅水底地形地貌的圖像，類似于“聲納照片”。10.多普勒聲吶（DopplerSonar）利用多普勒效應(yīng)，即聲源和接收者相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的聲波頻率會(huì)發(fā)生變化。通過發(fā)射固定頻率的聲波，并測量目標(biāo)反射回來的聲波相對于發(fā)射波的多普勒頻移，可以精確地測量目標(biāo)的徑向相對速度（即朝著或遠(yuǎn)離聲吶的方向運(yùn)動(dòng)的速度）。三、簡答題1.聲吶方程中，發(fā)射功率（聲源級SL）是決定聲吶系統(tǒng)探測能力的基礎(chǔ)因素。聲源級越高，意味著發(fā)射換能器能向水中輻射更強(qiáng)的聲能。在聲吶方程中，聲源級SL出現(xiàn)一次（在計(jì)算接收信號級時(shí)），且通常遠(yuǎn)大于其他損耗項(xiàng)（TL,NL）。因此，提高聲源級可以直接增大接收信號級（SL-TL-NL），從而提高系統(tǒng)的信噪比（SNR），使得系統(tǒng)能夠探測到更遠(yuǎn)距離、更小尺寸或更安靜的目標(biāo)。簡單來說，聲源級是聲吶的“發(fā)射起點(diǎn)”，起點(diǎn)越高，可能到達(dá)終點(diǎn)的信號就越強(qiáng)。2.被動(dòng)聲吶（PassiveSonar）是一種不發(fā)射聲波，而是通過接收和分析目標(biāo)自身發(fā)出的或由其行為產(chǎn)生的聲音信號來進(jìn)行探測、定位、識(shí)別和跟蹤的聲吶系統(tǒng)。它利用水聽器（或陣列）被動(dòng)“監(jiān)聽”環(huán)境中的聲學(xué)信號。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：①海洋哺乳動(dòng)物（如鯨魚、海豚）的監(jiān)測、研究；②對潛艇的探測、識(shí)別和跟蹤（水聲監(jiān)視）；③邊境安全、港口防御；④環(huán)境噪聲監(jiān)測等。3.聲吶系統(tǒng)的距離分辨率（RangeResolution）是指系統(tǒng)能夠區(qū)分的兩個(gè)目標(biāo)在聲波傳播方向上最小距離的極限值。它決定了聲吶能夠分辨多近的目標(biāo)。距離分辨率主要由信號的帶寬B決定，根據(jù)瑞利判據(jù)，距離分辨率δR與信號帶寬B成反比（δR≈c/(2B)，c為聲速）。即信號帶寬越寬，距離分辨率越高，能夠區(qū)分的目標(biāo)距離越近。此外，距離分辨率也與聲波在介質(zhì)中的波長λ（λ=c/f，f為頻率）成正比，頻率越低，波長越長，距離分辨率越差。發(fā)射換能器的孔徑大小也會(huì)影響距離分辨率，孔徑越大，分辨率通常越好。四、計(jì)算題計(jì)算步驟：1.計(jì)算接收信號級SL：SL=SL(源)-TL(傳播損耗)-NL(噪聲級)題目中假設(shè)傳播損耗TL=0dB。SL=180dB-0dB-60dB=120dB(參考點(diǎn)1μPa2/Hz)2.計(jì)算接收信號級SL(考慮目標(biāo))：SL(目標(biāo))=SL-TL(傳播損耗回程)-σL(目標(biāo)雷達(dá)截面損耗)SL(目標(biāo))=120dB-0dB-10dB=110dB(參考點(diǎn)1μPa2/Hz)3.計(jì)算接收噪聲級NL：NL=NL(噪聲級)=60dB(參考點(diǎn)1μPa2/Hz)4.計(jì)算信噪比SNR(接收級)：SNR(接收級)=SL(目標(biāo))-NLSNR(接收級)=110dB-60dB=50dB5.判斷能否檢測目標(biāo)：比較計(jì)算得到的信噪比SNR(接收級)與給定的門限信噪比THRESHOLD(接收級)。SNR(接收級)=50dBTHRESHOLD=10dB因?yàn)镾NR(接收級)>THRESHOLD，所以該聲吶系統(tǒng)能夠檢測到此目標(biāo)。五、論述題聲吶系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中選擇工作頻率是一個(gè)關(guān)鍵的決策，需要綜合考慮多個(gè)相互關(guān)聯(lián)且時(shí)常相互制約的因素。主要因素及其權(quán)衡關(guān)系如下：1.作用距離：聲波在水中傳播會(huì)因吸聲損耗而衰減，頻率越高，吸聲損耗通常越大，導(dǎo)致信號強(qiáng)度隨距離增加而衰減得更快。因此，對于需要探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)的聲吶系統(tǒng)，傾向于選擇較低的工作頻率，以獲得更遠(yuǎn)的有效作用距離。這是頻率選擇與作用距離之間的主要權(quán)衡點(diǎn)。2.分辨率：根據(jù)聲吶理論，系統(tǒng)的距離分辨率與信號帶寬成反比，與波長成正比（λ=c/f，c為聲速）。增加信號帶寬可以提高距離分辨率，即