2025年大學(xué)《地球系統(tǒng)科學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——海事波抗浪力所作聲波抗聞考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述波浪要素（波高、周期、波速）的定義及其相互關(guān)系。說(shuō)明不規(guī)則波浪的統(tǒng)計(jì)描述方法，并列舉至少三種海洋環(huán)境中常見(jiàn)的波浪類型。二、推導(dǎo)波浪作用在直立墻上的靜水壓力分布公式。簡(jiǎn)述如何根據(jù)波高、周期和水深計(jì)算規(guī)則波的近岸傳播變形（破碎、淺化）過(guò)程的主要特征。三、解釋船舶或海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中產(chǎn)生的主要運(yùn)動(dòng)響應(yīng)形式（如縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、首搖）。簡(jiǎn)述這些運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)物受力及耐久性的影響。四、闡述海水聲速的主要影響因素及其變化規(guī)律。說(shuō)明溫鹽深（CTD）剖面如何影響聲波在海洋中的傳播路徑和幾何擴(kuò)散。五、定義海浪噪聲。分析海浪拍岸和海面湍流如何產(chǎn)生噪聲，并簡(jiǎn)述其頻率特性和影響因素。六、描述聲波在海底的反射和透射過(guò)程。說(shuō)明海底聲學(xué)參數(shù)（聲速剖面、底質(zhì)類型）對(duì)聲波傳播損失的影響。七、結(jié)合波浪力與聲學(xué)特性，論述在惡劣海況下（如強(qiáng)浪、大涌），海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)其自身產(chǎn)生的噪聲或周?chē)晥?chǎng)產(chǎn)生哪些主要影響？八、海洋聲學(xué)設(shè)備（如水聽(tīng)器、聲納）在波濤海況下面臨哪些主要的環(huán)境挑戰(zhàn)？為提高其在復(fù)雜海洋環(huán)境下的工作可靠性，可以采取哪些聲學(xué)或結(jié)構(gòu)防護(hù)措施？九、設(shè)想一個(gè)海上風(fēng)電基礎(chǔ)，在強(qiáng)風(fēng)大浪環(huán)境下運(yùn)行。請(qǐng)簡(jiǎn)述分析該結(jié)構(gòu)物在波浪力作用下運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的同時(shí)，如何考慮其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上安裝的水下聲學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備（如環(huán)境噪聲記錄儀、海底電纜聲學(xué)傳感器）可能受到的影響，并說(shuō)明進(jìn)行此類分析的基本思路。試卷答案一、答案：波浪要素定義：*波高(H):相鄰波峰與波谷之間的垂直距離。*周期(T):連續(xù)兩個(gè)相同相位（如波峰或波谷）經(jīng)過(guò)某固定點(diǎn)所需的時(shí)間。*波速(C):波形在介質(zhì)中傳播的速度，C=L/T，其中L為波長(zhǎng)。相互關(guān)系：在深水簡(jiǎn)諧波中，C=sqrt(gL)，T=2πsqrt(L/g)，波高H與波長(zhǎng)L和周期T有關(guān)（H=1.56*sqrt(T^2*g/L)）。不規(guī)則波浪統(tǒng)計(jì)描述方法：通常使用譜密度函數(shù)（如P-M譜、JONSWAP譜）描述波浪能量在不同頻率上的分布。海洋環(huán)境中常見(jiàn)波浪類型：風(fēng)浪、涌浪（海嘯）、近岸浪（碎波）、潮汐波。解析思路：第一問(wèn)考察基本概念定義和關(guān)系。要求學(xué)生準(zhǔn)確回憶波高、周期、波速的定義，并能推導(dǎo)或理解深水簡(jiǎn)諧波中它們之間的關(guān)系。第二問(wèn)要求學(xué)生掌握不規(guī)則波的統(tǒng)計(jì)描述工具（譜）和常見(jiàn)波浪類型。這是波浪力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。二、答案：靜水壓力分布公式推導(dǎo)（以微小液片受力平衡推導(dǎo)）：考慮深度為y處的微小液片，受上表面壓力p和下表面壓力p+d(p)，以及側(cè)向壓力和重力。在垂直方向平衡：p+d(p)A-pA+ρgyA=0。簡(jiǎn)化得：d(p)/dy=ρg。積分得：p=ρg(y+h)，其中h為參考深度（通常取水面向下為y=0，則h=0，p=ρgy）。對(duì)于波浪，實(shí)際作用的是波壓強(qiáng)，其瞬時(shí)值p(x,y,t)在y方向上隨深度線性變化，但包含時(shí)間和空間相位因子。近岸傳播變形特征：*淺化：隨著水深h減小，波速C減小，周期T基本不變，導(dǎo)致波長(zhǎng)L減小，波陡（H/L）增大。當(dāng)h小于某一臨界水深（約等于波長(zhǎng)1/2）時(shí)，波開(kāi)始破碎。*破碎：波陡過(guò)大，波峰向前傾倒、拍打最終導(dǎo)致破碎。破碎形式有溢浪、浪頭碎裂（拍碎）、崩碎等。破碎波能量耗散顯著，波高可能進(jìn)一步減小。解析思路：第一問(wèn)要求掌握基本的流體靜力學(xué)原理，并將其應(yīng)用于波浪壓力分析。雖然未要求復(fù)雜推導(dǎo)，但需理解壓力隨深度的線性變化規(guī)律。第二問(wèn)考查學(xué)生對(duì)淺水波變形（速度、波長(zhǎng)變化）和破碎條件的理解，這是近岸水動(dòng)力學(xué)的重要內(nèi)容。三、答案：主要運(yùn)動(dòng)響應(yīng)形式：縱蕩（Surge，沿船體長(zhǎng)度方向的水平運(yùn)動(dòng)）、橫蕩（Sway，垂直于船體中縱剖面方向的水平運(yùn)動(dòng)）、垂蕩（Heave，垂直于船體基線方向的運(yùn)動(dòng)）、橫搖（Roll，繞通過(guò)船體重心的橫軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、縱搖（Pitch，繞通過(guò)船體重心的縱軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、首搖（Yaw，繞通過(guò)船體重心的垂軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。對(duì)結(jié)構(gòu)物影響：*受力：運(yùn)動(dòng)引起慣性力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物承受巨大的動(dòng)載荷，包括彎矩、剪力、扭矩等，可能超過(guò)靜載荷。*疲勞：持續(xù)的動(dòng)載荷循環(huán)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料疲勞破壞。*連接：結(jié)構(gòu)部件間的連接可能因相對(duì)運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力集中而失效。*穩(wěn)定性：垂蕩和橫搖影響船舶或平臺(tái)的整體穩(wěn)定性。解析思路：要求學(xué)生列舉主要的六自由度運(yùn)動(dòng)，并分析這些運(yùn)動(dòng)如何通過(guò)產(chǎn)生慣性力直接影響結(jié)構(gòu)的受力、疲勞壽命和整體穩(wěn)定性。這是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)在海洋工程中的應(yīng)用基礎(chǔ)。四、答案：海水聲速主要影響因素：溫度（T）、鹽度（S）、深度（即壓力P，或密度ρ）。聲速c通常隨T升高、隨S升高而增大，隨深度增加（壓力增大）而增大。一般關(guān)系式（如聲速剖面方程）：c=a+bT+cS+dP。溫鹽深（CTD）剖面影響：*聲速剖面：CTD測(cè)量得到的水體溫度、鹽度、密度隨深度的變化，直接決定了聲速剖面。復(fù)雜的聲速剖面（如存在鋒面）會(huì)導(dǎo)致聲線彎曲、聲速異常區(qū)，影響聲傳播路徑和距離。*幾何擴(kuò)散：聲速的垂直梯度影響聲束的幾何擴(kuò)散速率。在淺海，聲速隨深度增大，聲束向下彎曲并擴(kuò)散更快。解析思路：考察學(xué)生對(duì)聲速基本影響因素及其物理機(jī)制的掌握。要求能理解CTD數(shù)據(jù)如何決定聲速場(chǎng)，并進(jìn)一步理解聲速場(chǎng)對(duì)聲傳播路徑（聲線彎曲）和聲場(chǎng)特性（幾何擴(kuò)散）的影響。五、答案：海浪噪聲定義：由海浪自身的運(yùn)動(dòng)（拍岸、破碎、湍流）產(chǎn)生的寬頻帶隨機(jī)噪聲。產(chǎn)生機(jī)制：*拍岸噪聲：海浪破碎時(shí)，氣泡的生成、潰滅和液體的湍流混合產(chǎn)生高頻噪聲。*表面湍流噪聲：海面波浪運(yùn)動(dòng)形成的粗亂表面，其上的空氣湍流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生噪聲，頻率通常較低。影響因素：主要受風(fēng)速（決定波浪大小和表面粗糙度）、水深、頻率等影響。通常在頻率域呈寬頻帶特性，中心頻率可能隨風(fēng)速和波浪周期變化。解析思路：要求學(xué)生定義海浪噪聲，并闡述其主要來(lái)源（拍岸、表面湍流）及其物理過(guò)程。同時(shí)需要了解其基本特性（寬頻帶）和影響因素。六、答案：聲波海底反射/透射：當(dāng)聲波從一種介質(zhì)（水）入射到另一種介質(zhì)（海底）的界面時(shí)，部分聲能被反射回水中，形成反射波；部分聲能穿透界面進(jìn)入海底，形成透射波（可能再次反射或在海底衰減）。海底聲學(xué)參數(shù)影響：*聲速剖面：海底聲速（通常比水小）及其隨深度的變化，與水層聲速差異，決定了反射和透射的強(qiáng)度（反射損失/透射損失）以及聲線的彎曲方向。*底質(zhì)類型：不同底質(zhì)（砂、泥、巖石）具有不同的聲學(xué)特性（聲速、密度、衰減系數(shù)），顯著影響聲波的反射系數(shù)、透射系數(shù)和底棲噪聲水平。例如，泥底通常比砂底吸收更多聲能，反射更少。解析思路：考察學(xué)生理解聲波與介質(zhì)邊界相互作用的基本原理（反射、透射）。要求認(rèn)識(shí)到海底的聲學(xué)特性（聲速、底質(zhì)類型）是影響水下聲傳播的關(guān)鍵因素，并能定性說(shuō)明其作用。七、答案：海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)對(duì)自身噪聲/周?chē)晥?chǎng)的影響：*增加結(jié)構(gòu)噪聲：結(jié)構(gòu)物的垂蕩、橫搖、升沉等運(yùn)動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)部件（如平臺(tái)甲板、樁腿、管道）的碰撞、摩擦和振動(dòng)，產(chǎn)生額外的機(jī)械噪聲，可能覆蓋或增強(qiáng)環(huán)境噪聲。*改變聲源位置和特性：結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)改變了其上聲源（如泵、風(fēng)機(jī)、機(jī)械故障）相對(duì)于水聽(tīng)器的位置和聲輻射方向。*調(diào)制環(huán)境噪聲：結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)（如引起的表面波浪變化）可能調(diào)制或改變由海浪、流等引起的背景環(huán)境噪聲特性（如噪聲譜、指向性）。*聲傳播路徑改變：結(jié)構(gòu)物的存在及其運(yùn)動(dòng)可能改變局部聲場(chǎng)，如產(chǎn)生聲陰影區(qū)或聲聚焦效應(yīng)，影響聲波的傳播距離和強(qiáng)度。*多普勒效應(yīng)：結(jié)構(gòu)物或周?chē)黧w的運(yùn)動(dòng)可能對(duì)測(cè)量的聲波（尤其是來(lái)自移動(dòng)聲源或反射波）產(chǎn)生多普勒頻移。解析思路：此題要求學(xué)生結(jié)合波浪力（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）和聲學(xué)知識(shí)，分析結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)會(huì)引發(fā)的連鎖效應(yīng)。需要從結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生、聲源特性變化、環(huán)境噪聲調(diào)制、聲傳播路徑以及多普勒效應(yīng)等多個(gè)角度進(jìn)行論述，體現(xiàn)跨學(xué)科整合能力。八、答案：海洋聲學(xué)設(shè)備在波濤海況下面臨的挑戰(zhàn)：*結(jié)構(gòu)振動(dòng)與保護(hù)：海上結(jié)構(gòu)物（平臺(tái)、浮標(biāo)等）的劇烈運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致安裝在其上的聲學(xué)設(shè)備（水聽(tīng)器、換能器）產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，影響測(cè)量精度，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞和損壞。需要良好的減振、隔振設(shè)計(jì)。*聲學(xué)性能惡化：結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)引起的海面波動(dòng)和湍流可能增加海面噪聲，改變聲波入射條件，導(dǎo)致接收信號(hào)的信噪比下降。平臺(tái)陰影區(qū)也可能影響聲傳播。*安裝與維護(hù)困難：惡劣海況使得設(shè)備的安裝、校準(zhǔn)和維修工作異常危險(xiǎn)和困難。*環(huán)境腐蝕與污染：潮汐作用、海水飛濺以及可能的海上活動(dòng)（如船舶錨泊）帶來(lái)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，加劇了設(shè)備的腐蝕和污染問(wèn)題。提高工作可靠性的措施：*聲學(xué)防護(hù)：使用隔聲、減振外殼保護(hù)設(shè)備，優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)減少共振。*結(jié)構(gòu)加固與減振：對(duì)安裝平臺(tái)或基座進(jìn)行加固，采用柔性連接或減振基礎(chǔ)。*優(yōu)化安裝位置與方式：選擇相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)部位安裝，或采用漂浮式、半潛式等自身運(yùn)動(dòng)特性可能更緩和的安裝方式。*抗干擾技術(shù)：采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)（如譜減法、自適應(yīng)濾波）抑制環(huán)境噪聲。*耐候材料與設(shè)計(jì)：選用耐腐蝕材料，設(shè)計(jì)防碰撞、防飛濺結(jié)構(gòu)。*遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù)：實(shí)施遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用機(jī)器人等技術(shù)輔助維護(hù)。解析思路：要求學(xué)生識(shí)別聲學(xué)設(shè)備在惡劣海況下的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（振動(dòng)、噪聲干擾、安裝維護(hù)、環(huán)境腐蝕），并能提出針對(duì)性的技術(shù)或設(shè)計(jì)層面的防護(hù)和改進(jìn)措施，體現(xiàn)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。九、答案：分析思路：1.確定分析目標(biāo)：明確需要監(jiān)測(cè)的聲學(xué)參數(shù)（如環(huán)境噪聲級(jí)、特定頻段能量、水下輻射噪聲特性）及其對(duì)研究任務(wù)（如評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)健康狀況、監(jiān)測(cè)海洋生物聲學(xué)行為、進(jìn)行水下通信）的重要性。2.結(jié)構(gòu)物波浪響應(yīng)分析：利用波浪力學(xué)知識(shí)，計(jì)算或評(píng)估該風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在目標(biāo)波浪條件（強(qiáng)度、周期）下的主要運(yùn)動(dòng)響應(yīng)（縱蕩、橫蕩、垂蕩、搖蕩幅度和頻率）。這需要知道結(jié)構(gòu)參數(shù)（尺寸、質(zhì)量、水線面、慣性特性、水動(dòng)力系數(shù)）和波浪參數(shù)。3.分析運(yùn)動(dòng)對(duì)聲學(xué)設(shè)備的影響：*聲源影響：如果設(shè)備測(cè)量的是結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生的噪聲（如樁腿振動(dòng)噪聲），需分析結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)如何通過(guò)傳導(dǎo)或輻射產(chǎn)生聲學(xué)信號(hào)，以及運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)力變化對(duì)噪聲特性的影響。*接收環(huán)境影響：分析結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的局部水流變化和海面波動(dòng)如何改變聲波從遠(yuǎn)處聲源（如海洋環(huán)境自身噪聲源）傳播到接收器（水聽(tīng)器）的路徑，包括聲波衍射、散射、多徑效應(yīng)以及噪聲水平的變化。*設(shè)備自身響應(yīng)：評(píng)估結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)對(duì)安裝在結(jié)構(gòu)上的聲學(xué)設(shè)備（如水聽(tīng)器）產(chǎn)生的振動(dòng)耦合效應(yīng)，判斷是否會(huì)影響設(shè)備正常工作和測(cè)量精度。4.綜合評(píng)估與預(yù)測(cè)：結(jié)合結(jié)構(gòu)物運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)和聲學(xué)模型（如聲傳播模型、噪聲預(yù)測(cè)模型），綜合評(píng)估在目標(biāo)波浪環(huán)境下，聲學(xué)監(jiān)測(cè)設(shè)備可能獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量（信噪比、