2025年大學(xué)《海洋科學(xué)與技術(shù)》專(zhuān)業(yè)題庫(kù)——海洋聲學(xué)研究與海洋勘測(cè)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋?zhuān)款}3分，共15分）1.聲速剖面2.主瓣3.混響4.多波束測(cè)深5.側(cè)掃聲吶二、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述影響聲波在海水中有耗傳播的主要因素。2.與單波束測(cè)深相比，多波束測(cè)深有哪些主要優(yōu)點(diǎn)？3.簡(jiǎn)述被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)的基本原理及其在海洋研究中的應(yīng)用。4.解釋什么是聲學(xué)分辨率，并簡(jiǎn)述影響聲學(xué)分辨率的主要因素。5.簡(jiǎn)述海洋噪聲的主要來(lái)源及其對(duì)聲學(xué)探測(cè)的影響。三、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.已知某聲納系統(tǒng)發(fā)射頻率為10kHz，聲波在特定深海水中的速度為1500m/s。假設(shè)發(fā)射信號(hào)的主瓣半張角為30度，忽略海面和海底的反射損失，試估算該聲納系統(tǒng)在距離10km處的水深測(cè)量所能達(dá)到的理論分辨率（以距離分辨率表示）。請(qǐng)說(shuō)明計(jì)算中涉及的關(guān)鍵假設(shè)。2.在一次側(cè)掃聲吶勘測(cè)中，使用的是頻率為120kHz的聲波。已知該頻率在目標(biāo)水層中的聲速為1480m/s，聲波傳播速度剖面呈水平層化。如果要求側(cè)掃聲吶圖像上能夠分辨出相距1米的兩點(diǎn)，問(wèn)該側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的垂直分辨率（以距離表示）大致需要達(dá)到多少米？請(qǐng)簡(jiǎn)述影響該分辨率的因素。四、論述題（每題12.5分，共25分）1.論述聲學(xué)技術(shù)在探測(cè)和測(cè)繪海底地形地貌方面的重要作用，并比較不同聲學(xué)勘測(cè)方法（如多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面）在原理、功能和應(yīng)用場(chǎng)景上的主要區(qū)別。2.結(jié)合實(shí)例，論述水聲通信面臨的挑戰(zhàn)以及當(dāng)前主要的通信技術(shù)類(lèi)型和研究方向。試卷答案一、名詞解釋1.聲速剖面：指海洋中不同深度處聲速的垂直分布情況。它通常以聲速為縱坐標(biāo)，深度為橫坐標(biāo)的圖形式表示，是影響聲波在海洋中傳播路徑、速度和時(shí)延的關(guān)鍵因素。2.主瓣：指聲納或其他聲學(xué)發(fā)射系統(tǒng)輻射聲能量的主要方向區(qū)域，通常能量最強(qiáng)，方向性最好。3.混響：指聲波在海洋介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到海底、海面或水中其他界面發(fā)生反射，返回到聲源或接收點(diǎn)的聲波疊加形成的干擾。它是限制被動(dòng)和主動(dòng)聲學(xué)探測(cè)距離和分辨率的主要因素之一。4.多波束測(cè)深：一種海洋聲學(xué)勘測(cè)技術(shù)，通過(guò)在船底安裝多個(gè)發(fā)射和接收聲束（通常呈扇形分布），同時(shí)發(fā)射和接收聲波，精確測(cè)量聲波到達(dá)海底并返回的時(shí)間，從而快速、連續(xù)地獲取大范圍、高精度的海底深度信息。5.側(cè)掃聲吶：一種海洋聲學(xué)勘測(cè)技術(shù)，通過(guò)向海底發(fā)射扇形掃描的聲束，接收從海底反射回來(lái)的聲波，根據(jù)回波強(qiáng)度和聲波傳播時(shí)間，繪制出詳細(xì)的、類(lèi)似照片效果的海底地形地貌圖像。二、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述影響聲波在海水中有耗傳播的主要因素。影響因素主要包括：海水溫度、鹽度和壓力（即TSP結(jié)構(gòu)）的變化導(dǎo)致聲速的不均勻分布；海水中的氣泡、生物、懸浮顆粒等散射體和吸收體對(duì)聲波的散射和吸收；海水粘滯性和化學(xué)成分對(duì)聲波的吸收。2.與單波束測(cè)深相比，多波束測(cè)深有哪些主要優(yōu)點(diǎn)？主要優(yōu)點(diǎn)包括：可同時(shí)測(cè)量多條測(cè)線(xiàn)上的水深，實(shí)現(xiàn)大面積、高效率的連續(xù)測(cè)深；測(cè)點(diǎn)密度高，能獲取更精細(xì)的海底形態(tài)；具有較好的側(cè)向分辨率，能探測(cè)到較近的側(cè)向障礙物；數(shù)據(jù)采集和處理相對(duì)自動(dòng)化程度高。3.簡(jiǎn)述被動(dòng)聲學(xué)監(jiān)測(cè)的基本原理及其在海洋研究中的應(yīng)用?；驹硎墙邮蘸陀涗浐Ｑ蟓h(huán)境中的自然聲源或人造聲源發(fā)出的聲音信號(hào)，進(jìn)行分析以獲取信息。應(yīng)用包括：監(jiān)測(cè)海洋哺乳動(dòng)物（如鯨魚(yú)、海豚）的聲學(xué)行為和分布；探測(cè)水下爆炸、船舶活動(dòng)等水下噪聲源；研究海洋環(huán)境噪聲的時(shí)空變化規(guī)律。4.解釋什么是聲學(xué)分辨率，并簡(jiǎn)述影響聲學(xué)分辨率的主要因素。聲學(xué)分辨率是指聲學(xué)系統(tǒng)區(qū)分兩個(gè)相鄰目標(biāo)的能力。對(duì)于距離分辨率，是指系統(tǒng)能區(qū)分的最小兩個(gè)點(diǎn)源在聲場(chǎng)中產(chǎn)生的信號(hào)在空間上能夠分離的最小距離。主要影響因素包括：聲源尺寸或孔徑大小；工作頻率（頻率越高，分辨率通常越好）；聲波在介質(zhì)中的傳播特性（如聲速、衰減）；接收系統(tǒng)的靈敏度、帶寬和噪聲水平。5.簡(jiǎn)述海洋噪聲的主要來(lái)源及其對(duì)聲學(xué)探測(cè)的影響。主要來(lái)源包括：自然噪聲（如海洋風(fēng)浪、海流、雨雪、生物活動(dòng)等）；人為噪聲（如船舶交通、水下施工、工業(yè)活動(dòng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等）。對(duì)聲學(xué)探測(cè)的影響主要體現(xiàn)在：掩蓋微弱的目標(biāo)回波信號(hào)，降低信噪比；干擾對(duì)信號(hào)時(shí)間和頻率的精確測(cè)量，影響定位、測(cè)距和測(cè)速精度；使得某些低頻聲納系統(tǒng)難以有效工作。三、計(jì)算題1.已知某聲納系統(tǒng)發(fā)射頻率為10kHz，聲波在特定深海水中的速度為1500m/s。假設(shè)發(fā)射信號(hào)的主瓣半張角為30度，忽略海面和海底的反射損失，試估算該聲納系統(tǒng)在距離10km處的水深測(cè)量所能達(dá)到的理論分辨率（以距離分辨率表示）。請(qǐng)說(shuō)明計(jì)算中涉及的關(guān)鍵假設(shè)。解析思路：聲納系統(tǒng)的距離分辨率主要由其發(fā)射聲束的方向性決定。對(duì)于主瓣寬度，通常使用半功率點(diǎn)寬度來(lái)估算。理論上的距離分辨率R可以近似用聲束半張角θ（弧度）與聲速c的乘積來(lái)表示：R≈(c/2)*θ。這里θ=30°=π/6弧度。聲速c=1500m/s。代入公式計(jì)算即可得到理論距離分辨率。關(guān)鍵假設(shè)包括：聲束在傳播過(guò)程中保持良好的方向性且寬度不變；忽略大氣層和海水非理想因素對(duì)聲束形狀的影響；僅考慮主瓣的貢獻(xiàn)，忽略旁瓣等；假設(shè)是點(diǎn)聲源或點(diǎn)接收。計(jì)算過(guò)程：θ=30°=π/6rad；c=1500m/s；R≈(1500/2)*(π/6)≈750*0.5236≈392.7m。答案：理論距離分辨率約為393米。2.在一次側(cè)掃聲吶勘測(cè)中，使用的是頻率為120kHz的聲波。已知該頻率在目標(biāo)水層中的聲速為1480m/s，聲波傳播速度剖面呈水平層化。如果要求側(cè)掃聲吶圖像上能夠分辨出相距1米的兩點(diǎn)，問(wèn)該側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的垂直分辨率（以距離表示）大致需要達(dá)到多少米？請(qǐng)簡(jiǎn)述影響該分辨率的因素。解析思路：側(cè)掃聲吶的垂直分辨率主要取決于聲波在垂直方向上的傳播特性和聲吶系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。在水平層化介質(zhì)中，垂直分辨率主要由聲波的垂直擴(kuò)散和接收系統(tǒng)的孔徑?jīng)Q定。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)接收，垂直分辨率Δz可以近似用聲波波長(zhǎng)λ與聲束垂直張角ψ（弧度）的乘積來(lái)表示：Δz≈λ*ψ。波長(zhǎng)λ=c/f，其中c是聲速，f是頻率。要求分辨率為1米，即Δz≤1m。已知頻率f=120kHz，聲速c=1480m/s，可以計(jì)算波長(zhǎng)λ。由于題目未給出具體的聲束垂直張角ψ，可以假設(shè)一個(gè)典型值進(jìn)行估算，或者理解其含義為系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要保證在此波長(zhǎng)下具有至少1米的垂直分辨率能力。影響垂直分辨率的因素包括：工作頻率（頻率越高，波長(zhǎng)越短，理論上垂直分辨率越好）；聲速；聲束的垂直發(fā)散角；接收換能器陣列的尺寸和孔徑。計(jì)算過(guò)程：f=120kHz=120,000Hz；c=1480m/s；λ=c/f=1480/120,000≈0.01233m=12.33mm。要求Δz≤1m。如果ψ為某個(gè)典型小角度（如1°≈0.01745rad），則Δz≈λ*ψ≈12.33mm*0.01745rad≈0.215m。但題目要求能分辨1米，意味著系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到至少這個(gè)水平，或者說(shuō)ψ需要更小。答案：該側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的垂直分辨率大致需要達(dá)到1米或更高，以分辨相距1米的兩點(diǎn)。四、論述題1.論述聲學(xué)技術(shù)在探測(cè)和測(cè)繪海底地形地貌方面的重要作用，并比較不同聲學(xué)勘測(cè)方法（如多波束、側(cè)掃聲吶、淺地層剖面）在原理、功能和應(yīng)用場(chǎng)景上的主要區(qū)別。解析思路：首先闡述聲學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代海洋測(cè)繪獲取海底高精度、大范圍地形地貌數(shù)據(jù)的主要手段。其作用體現(xiàn)在能夠無(wú)接觸、全天候、高效地探測(cè)水下環(huán)境，特別是對(duì)于深水和復(fù)雜地形。然后分別介紹多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面的基本工作原理（聲波發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)處理成像）。接著比較它們的區(qū)別：*原理：多波束基于聲波時(shí)間測(cè)距，同時(shí)獲取多條等深線(xiàn)數(shù)據(jù)；側(cè)掃聲吶基于聲波強(qiáng)度回波成像，繪制類(lèi)似照片的海底地貌圖；淺地層剖面基于聲波穿透地層返回的時(shí)間信息，主要用于探測(cè)海底以下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、沉積層厚度和埋藏物。*功能：多波束主要功能是精確、快速測(cè)繪海底地形（等深線(xiàn)圖）；側(cè)掃聲吶功能是詳細(xì)成像海底地貌形態(tài)、粗糙度、底質(zhì)類(lèi)型等；淺地層剖面功能是探測(cè)海底以下的地質(zhì)剖面，揭示地殼結(jié)構(gòu)、基巖起伏、古河道、沉船等。*應(yīng)用場(chǎng)景：多波束適用于大面積、高精度地形測(cè)繪，如大陸架、深海盆地；側(cè)掃聲吶適用于精細(xì)的海底地貌調(diào)查、淺海區(qū)域詳細(xì)測(cè)繪、海底障礙物探測(cè)、底質(zhì)分類(lèi)研究；淺地層剖面適用于海岸帶、大陸架淺水區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查、油氣勘探前兆研究、考古調(diào)查等。論述需條理清晰，突出各自特點(diǎn)和相互補(bǔ)充性。2.結(jié)合實(shí)例，論述水聲通信面臨的挑戰(zhàn)以及當(dāng)前主要的通信技術(shù)類(lèi)型和研究方向。解析思路：首先指出水聲通信（UnderwaterAcousticCommunication,UWAComm）的獨(dú)特挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)主要源于水這一特殊介質(zhì)的物理特性。主要挑戰(zhàn)包括：*信道損耗巨大：聲波在水中傳播時(shí)因吸收和散射導(dǎo)致能量急劇衰減，使得通信距離非常有限。*多途效應(yīng)嚴(yán)重：聲波在水中傳播路徑復(fù)雜，存在多條反射、折射和衍射路徑，導(dǎo)致信號(hào)失真、衰落和干擾（符號(hào)間干擾ISI）。*信道時(shí)變性強(qiáng)：海洋環(huán)境不穩(wěn)定，溫度、鹽度、壓力變化以及海流、波浪、生物活動(dòng)等都會(huì)引起聲速分布變化，導(dǎo)致聲傳播路徑和時(shí)延劇烈波動(dòng)，信道特性難以預(yù)測(cè)和穩(wěn)定。*噪聲和干擾復(fù)雜：海洋環(huán)境噪聲（生物噪聲、環(huán)境噪聲）和人為干擾（船舶噪聲、其他聲納系統(tǒng)）強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了信號(hào)接收和通信質(zhì)量。*帶寬受限：與電磁波相比，聲波帶寬極低，限制了數(shù)據(jù)傳輸速率。然后介紹當(dāng)前主要的通信技術(shù)類(lèi)型，通常根據(jù)調(diào)制方式、多址接入方式等進(jìn)行分類(lèi)：*調(diào)制技術(shù)：考慮到低帶寬和強(qiáng)干擾，常用幅度調(diào)制（AM）、頻率調(diào)制（FM）、相移鍵控（PSK，如BPSK,QPSK）、正交幅度調(diào)制（QAM）等，以及一些針對(duì)水聲信道特點(diǎn)設(shè)計(jì)的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。*多址接入技術(shù)：用于允許多個(gè)用戶(hù)共享信道，如頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、空時(shí)碼分多址（STC-CDMA）等。*信道編碼與均衡技術(shù)：采用強(qiáng)大的前向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)來(lái)對(duì)抗噪聲和信道損傷；采用自適應(yīng)均衡器來(lái)補(bǔ)償多途效應(yīng)引起的失真。