2025年大學《聲學》專業(yè)題庫——聲學技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述聲波在均勻介質(zhì)中傳播的基本特性。請至少列舉并解釋其中三項特性及其在聲學測量或軍事應(yīng)用中的意義。二、主動聲納系統(tǒng)主要由哪幾個核心部分構(gòu)成？請簡述各部分的主要功能，并說明它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以實現(xiàn)目標探測。三、被動聲納與主動聲納相比，具有哪些獨特的優(yōu)勢？在哪些軍事場景下，被動聲納是不可或缺的？請結(jié)合具體實例說明。四、簡述噪聲對軍事平臺（如潛艇、戰(zhàn)斗機）隱蔽性的影響。請介紹至少兩種降低軍用平臺噪聲的技術(shù)途徑及其基本原理。五、聲發(fā)射（AE）技術(shù)利用了材料內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)變化產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。請簡述聲發(fā)射技術(shù)在軍事領(lǐng)域（例如潛艇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測或水雷探測）的應(yīng)用原理，并指出其面臨的主要挑戰(zhàn)。六、生物聲學是研究生物發(fā)聲與接收聲波的科學。請列舉至少兩種軍事應(yīng)用場景，說明生物聲學技術(shù)如何在這些場景中發(fā)揮作用，并簡述其關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。七、現(xiàn)代軍事聲學系統(tǒng)越來越依賴先進的信號處理技術(shù)。請簡述自適應(yīng)信號處理技術(shù)在提高聲納探測性能或噪聲環(huán)境下的通信質(zhì)量方面的基本原理和作用。八、隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，其在軍事聲學領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。請設(shè)想一至兩種人工智能技術(shù)在軍事聲學領(lǐng)域的潛在應(yīng)用方向，并簡述其可能帶來的優(yōu)勢。九、分布式聲學系統(tǒng)（如水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)）通過部署多個聲學節(jié)點實現(xiàn)區(qū)域覆蓋和協(xié)同探測。請簡述分布式聲學系統(tǒng)在軍事應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢，并討論其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。十、超材料或超表面因其獨特的聲學特性（如聲隱身、聲調(diào)控），在軍事領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。請簡述超材料/超表面在聲隱身方面的基本原理，并設(shè)想其在其他軍事聲學應(yīng)用中的可能性。試卷答案一、聲波在均勻介質(zhì)中傳播的基本特性包括：1.直線傳播性：在均勻、無界介質(zhì)中，聲波沿直線傳播。意義：可用于聲源定位、聲影區(qū)分析，是聲納直線探測的基礎(chǔ)。2.波動性：聲波具有頻率、波長、振幅等波動參數(shù)，能發(fā)生反射、折射、衍射和干涉。意義：是理解聲納信號處理、噪聲傳播、聲隱身等一切聲學應(yīng)用現(xiàn)象的基礎(chǔ)。3.能量傳播性：聲波傳播伴隨著能量的傳遞，可用聲強或聲功率描述。意義：決定了聲納的探測距離、噪聲的干擾程度，是評估聲學系統(tǒng)效能的關(guān)鍵指標。二、主動聲納系統(tǒng)主要由：1.發(fā)射機：將電能轉(zhuǎn)換為高強度聲能，驅(qū)動換能器產(chǎn)生聲波。功能：提供探測所需的聲源。2.換能器（聲波探頭）：實現(xiàn)電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換。功能：發(fā)射聲波，并將接收到的回波轉(zhuǎn)換為電信號。3.接收機：對微弱的回波電信號進行放大、濾波、處理。功能：增強信號，抑制噪聲和干擾。4.信號處理系統(tǒng)：對接收到的信號進行復雜處理，如脈沖壓縮、匹配濾波、目標識別等。功能：提取目標信息，完成對目標的檢測、測距、測速、測向。各部分協(xié)同工作：發(fā)射機產(chǎn)生電信號驅(qū)動換能器發(fā)射聲波，聲波遇到目標后反射形成回波，回波被換能器接收并轉(zhuǎn)換為電信號，接收機放大并初步處理信號，最后由信號處理系統(tǒng)分析信號，提取目標信息。三、被動聲納的獨特優(yōu)勢在于：1.隱蔽性：不發(fā)射聲波，不易被目標發(fā)現(xiàn)，自身暴露概率低。意義：是進行隱蔽偵收和監(jiān)視的關(guān)鍵。2.探測距離遠：對于遠距離、低噪聲的目標，被動聲納可能比主動聲納具有更遠的探測距離，因為避免了主動發(fā)射信號可能引入的干擾和暴露。3.可獲取目標豐富信息：通過分析目標的噪聲特性（如頻率、強度、譜形），可以獲取目標的類型、狀態(tài)、航速甚至發(fā)動機細節(jié)等信息。意義：可用于目標識別、威脅評估和戰(zhàn)場態(tài)勢感知。在場景：反潛作戰(zhàn)中，對敵方潛艇進行遠距離監(jiān)視和識別；水下戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測，探測敵方艦船、水下無人潛航器等的活動。四、噪聲對軍用平臺隱蔽性的影響主要是增加了平臺被探測到的概率和距離。降低軍用平臺噪聲的技術(shù)途徑包括：1.聲學吸聲材料/結(jié)構(gòu)：利用多孔材料或共振結(jié)構(gòu)吸收聲能，減少向外部傳播的噪聲。原理：聲波進入材料內(nèi)部，通過空氣或固體分子振動將聲能轉(zhuǎn)化為熱能。2.隔聲結(jié)構(gòu)：通過增加結(jié)構(gòu)重量、使用高阻尼材料、合理設(shè)計結(jié)構(gòu)連接方式等，阻止振動和噪聲從結(jié)構(gòu)傳播出去。原理：提高結(jié)構(gòu)的聲阻抗，減少聲能量的透射。例如，潛艇采用重型隔聲罩、減震浮筏系統(tǒng)，飛機采用整體隔振蒙皮、消聲通道等。五、聲發(fā)射技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用原理：材料內(nèi)部缺陷（如裂紋擴展）或結(jié)構(gòu)變化會釋放瞬態(tài)彈性波（即聲發(fā)射信號）。通過在疑似區(qū)域布設(shè)聲發(fā)射傳感器陣列，接收并分析這些信號，可以判斷缺陷的位置、類型和擴展速率。在潛艇結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，用于實時監(jiān)測潛艇殼體、關(guān)鍵部件的損傷情況，實現(xiàn)預測性維護。在水雷探測中，某些類型的水雷（如壓電式觸發(fā)雷）在受到壓力變化時會產(chǎn)生聲發(fā)射信號，可被傳感器探測。主要挑戰(zhàn)包括：信號微弱，易受環(huán)境噪聲干擾；信號來源復雜，需要有效識別和定位技術(shù)；傳感器陣列布置和維護的難度。六、軍事應(yīng)用場景及生物聲學技術(shù)作用：1.潛艇探測與識別：利用潛艇螺旋槳產(chǎn)生的特征性噪聲（包含豐富的頻率成分和時頻結(jié)構(gòu)），通過被動聲納進行探測、測向、測速，并結(jié)合聲紋識別技術(shù)嘗試識別目標潛艇類型。作用：在遠距離、復雜水下環(huán)境中提供探測手段。2.海洋哺乳動物監(jiān)測與保護：在軍事活動區(qū)域布設(shè)水下麥克風，監(jiān)測鯨魚、海豚等生物的叫聲，評估軍事訓練或演習對海洋生物的影響，為制定規(guī)避措施提供依據(jù)。作用：實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境感知與環(huán)境保護的平衡。關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)：生物發(fā)聲信號微弱且具有時變性；復雜海洋環(huán)境噪聲對信號信噪比的影響巨大；生物聲源定位精度要求高。七、自適應(yīng)信號處理技術(shù)的基本原理是利用算法根據(jù)環(huán)境的變化（如噪聲特性、目標信號特性）自動調(diào)整信號處理參數(shù)（如濾波器系數(shù)、閾值）。作用：1.提高探測性能：在強噪聲或未知噪聲環(huán)境下，自適應(yīng)濾波器（如LMS算法）能實時跟蹤并消除干擾信號，從而提高主信號的信噪比，增強對微弱目標的探測能力。例如，在艦船噪聲背景下探測潛艇聲納信號。2.改善通信質(zhì)量：在多徑衰落或干擾嚴重的無線通信中，自適應(yīng)均衡器可以調(diào)整其抽頭系數(shù)，補償信道失真和干擾，恢復清晰通信信號。雖然通常指無線，但其原理可借鑒于聲學通信。八、1.智能聲納信號處理：利用深度學習等AI算法進行復雜的目標檢測、分類和識別，自動進行信號特征提取、噪聲抑制和模式匹配，提高聲納系統(tǒng)的智能化水平和作戰(zhàn)效能。2.智能噪聲源識別與定位：在水下或空中復雜噪聲環(huán)境中，利用AI算法分析混合噪聲的頻譜、時頻特征，快速識別主要噪聲源（如友方或敵方艦船、飛機），并實現(xiàn)精確定位，為指揮決策提供支持。潛在優(yōu)勢：處理速度更快、精度更高、能適應(yīng)更復雜和未知的環(huán)境，具備一定的自學習和優(yōu)化能力。九、分布式聲學系統(tǒng)在軍事應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢：1.提高探測覆蓋范圍和分辨率：通過部署大量分布式傳感器，可以實現(xiàn)大范圍、立體覆蓋，同時提高空間分辨率，能夠分辨距離相近的目標或探測目標的不同側(cè)面。2.增強系統(tǒng)魯棒性和生存能力：單個傳感器損壞不會導致整個系統(tǒng)失效，具有一定的冗余度。部分傳感器被摧毀，仍能維持一定的探測能力。3.實現(xiàn)目標軌跡和行為的連續(xù)跟蹤：多個傳感器的協(xié)同測量可以提供目標更全面的信息，有助于精確估計目標的運動軌跡、速度和航向，甚至分析其行為模式。面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)：傳感器節(jié)點之間的同步精度要求高；數(shù)據(jù)傳輸和處理量巨大；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計和管理的復雜性；能量供應(yīng)問題；環(huán)境因素（如聲傳播變化）對系統(tǒng)性能的影響。十、超材料/超表面在聲隱身方面的基本原理：通過設(shè)計亞波長尺寸的聲學單元并將其周期性或非周期性排列，形成具有特定聲學響應(yīng)的人工結(jié)構(gòu)?？梢詫崿F(xiàn)：1.完美吸收（PerfectAbsorption）：將入射聲能幾乎完全吸收，不產(chǎn)生反射，從而在聲