2025年聲吶原理題庫及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.聲吶系統(tǒng)中，決定聲波在海水中傳播速度最主要的環(huán)境參數(shù)是（）A.鹽度B.溫度C.深度D.海流速度答案：B（聲波在海水中的聲速公式為c=1449.2+4.6T-0.055T2+0.00029T3+1.34(S-35)+0.016D，其中T為溫度（℃），S為鹽度（‰），D為深度（m）。溫度對聲速的影響系數(shù)最大，約為4.6m/s·℃?1，是主要影響因素。）2.被動聲吶的核心功能是（）A.發(fā)射聲波并接收回波B.僅接收目標輻射噪聲C.同時發(fā)射和接收信號D.利用目標反射特性定位答案：B（被動聲吶不主動發(fā)射聲波，通過接收目標（如艦船、潛艇）自身輻射的噪聲實現(xiàn)探測，區(qū)別于主動聲吶的“發(fā)射-接收”模式。）3.混響干擾主要來源于（）A.海洋生物噪聲B.目標反射的散射聲波C.發(fā)射信號經(jīng)海面、海底或水中懸浮物的散射回波D.艦艇機械振動噪聲答案：C（混響是主動聲吶發(fā)射的聲波在傳播過程中經(jīng)海面、海底、水體中的散射體（如氣泡、浮游生物）反射后，返回接收換能器的散射回波集合，是主動聲吶的主要干擾源之一。）4.換能器的指向性指數(shù)（DI）反映了（）A.換能器發(fā)射功率的大小B.換能器對特定方向聲波的接收/發(fā)射能力C.換能器的工作頻率范圍D.換能器的耐水壓性能答案：B（指向性指數(shù)DI定義為換能器在主瓣方向的響應(yīng)與無指向性換能器的平均響應(yīng)之比的分貝值，DI越大，換能器對主瓣方向聲波的集中能力越強，抗干擾能力越好。）5.聲吶方程中，傳播損失（TL）的物理意義是（）A.聲波在傳播過程中因吸收和散射導(dǎo)致的能量衰減B.目標對聲波的反射能力C.接收系統(tǒng)的噪聲水平D.發(fā)射聲源的總輻射功率答案：A（傳播損失TL表示聲波從發(fā)射換能器到目標（或接收點）傳播過程中，單位面積上聲強的衰減程度，通常分為球面擴展損失（與距離r的平方成反比，對應(yīng)20logr）和吸收損失（與距離r成正比，對應(yīng)αr，α為吸收系數(shù)）。）6.多基地聲吶與單基地聲吶的主要區(qū)別在于（）A.工作頻率不同B.發(fā)射和接收換能器分置不同位置C.僅用于被動探測D.不考慮傳播損失答案：B（多基地聲吶系統(tǒng)中，發(fā)射機和接收機位于不同的空間位置（如岸基發(fā)射、水下接收機或浮標接收），而單基地聲吶的發(fā)射與接收通常共用同一換能器或同一平臺，多基地配置可利用不同路徑的回波信息，提高探測隱蔽性和目標定位精度。）7.匹配濾波技術(shù)在聲吶中的主要作用是（）A.提高發(fā)射信號的功率B.抑制海洋環(huán)境噪聲C.最大化輸出信噪比D.擴展工作頻率帶寬答案：C（匹配濾波是一種最優(yōu)線性濾波方法，其沖激響應(yīng)與輸入信號的時間反轉(zhuǎn)共軛匹配，可在白噪聲背景下使輸出信噪比達到理論最大值，是聲吶信號處理中提高弱信號檢測能力的關(guān)鍵技術(shù)。）8.淺海聲吶探測的主要難點不包括（）A.多路徑效應(yīng)導(dǎo)致回波重疊B.海底和海面反射引起的混響增強C.聲速剖面復(fù)雜導(dǎo)致聲線彎曲D.聲波吸收系數(shù)隨頻率升高而顯著降低答案：D（淺海中，聲波吸收系數(shù)隨頻率升高而增大（如高頻聲波在海水中的吸收主要由硫酸鎂離子弛豫引起），因此高頻聲吶在淺海中傳播距離受限，而多路徑、強混響、復(fù)雜聲速剖面是淺海探測的典型挑戰(zhàn)。）9.被動聲吶目標識別的關(guān)鍵特征不包括（）A.目標輻射噪聲的線譜頻率B.目標的航速C.噪聲的寬帶譜形狀D.調(diào)制頻率（如螺旋槳軸頻、葉片頻）答案：B（被動識別主要依賴目標輻射噪聲的特征，如線譜（特定機械部件振動產(chǎn)生的離散頻率成分）、寬帶譜（反映噪聲能量隨頻率的分布）、調(diào)制特征（如螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起的噪聲幅度調(diào)制），而航速是通過多普勒頻移或時間差定位得到的運動參數(shù)，非直接識別特征。）10.聲吶系統(tǒng)的作用距離主要取決于（）A.換能器的尺寸B.發(fā)射聲源級與接收系統(tǒng)靈敏度C.海洋環(huán)境噪聲級D.以上均是答案：D（作用距離由聲吶方程決定：SLTL+TS=NLDI+DT（主動聲吶），其中SL為聲源級，TL為傳播損失，TS為目標強度，NL為環(huán)境噪聲級，DI為指向性指數(shù)，DT為檢測閾。因此，換能器尺寸影響DI和TL（與頻率相關(guān)），發(fā)射功率影響SL，接收靈敏度影響DT，環(huán)境噪聲NL直接參與計算，故各因素均相關(guān)。）二、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述主動聲吶與被動聲吶的工作流程差異，并說明各自適用場景。答案：主動聲吶流程：發(fā)射機產(chǎn)生電信號→換能器轉(zhuǎn)換為聲信號→聲波在水中傳播→遇到目標后反射/散射→回波被換能器接收→轉(zhuǎn)換為電信號→接收機放大、處理→檢測目標。適用場景：目標無主動輻射噪聲（如靜默潛艇）、需要精確測距測向的場景。被動聲吶流程：僅通過換能器接收目標自身輻射的噪聲（如機械振動、螺旋槳空化噪聲）→信號處理提取特征（線譜、調(diào)制頻率等）→檢測、定位、識別目標。適用場景：目標有明顯輻射噪聲（如常規(guī)動力艦船）、需要隱蔽探測（不暴露自身位置）的場景。2.聲吶方程中，“檢測閾（DT）”的物理意義是什么？影響DT的主要因素有哪些？答案：檢測閾DT是接收系統(tǒng)能夠檢測到目標回波（或被動目標信號）所需的最小信噪比（SNR），單位為分貝（dB）。DT反映了信號處理算法的檢測能力：DT越小，系統(tǒng)對弱信號的檢測能力越強。影響因素：①信號處理方式（如匹配濾波、相干積累可降低DT）；②目標信號特性（如脈沖寬度、帶寬，寬脈沖或大帶寬信號可通過積分提高SNR）；③噪聲類型（高斯白噪聲下DT較低，非高斯噪聲或干擾存在時DT升高）；④虛警概率（要求虛警率越低，DT越高）。3.解釋“多路徑效應(yīng)”對聲吶探測的影響，并列舉兩種抑制多路徑干擾的技術(shù)。答案：多路徑效應(yīng)指聲波從發(fā)射點到接收點經(jīng)不同路徑（如直接路徑、海面反射、海底反射）傳播，導(dǎo)致同一目標的回波以不同時間、不同相位到達接收系統(tǒng)，造成回波信號的重疊、畸變或干涉（相長/相消）。影響包括：①測距誤差（多路徑回波導(dǎo)致時間延遲測量錯誤）；②目標分辨力下降（多路徑回波與直達回波疊加，難以區(qū)分鄰近目標）；③信號失真（相位差導(dǎo)致相干積累效果降低）。抑制技術(shù)：①時間門控（通過設(shè)置接收窗口僅保留直達回波，剔除延遲過長的多路徑信號）；②自適應(yīng)波束形成（利用陣列天線對不同方向的多路徑信號進行空間濾波，抑制非目標方向的干擾）；③相干信號處理（通過估計多路徑信道參數(shù)，對回波進行均衡或反卷積，恢復(fù)原始信號）。4.說明“目標強度（TS）”的定義及其影響因素。答案：目標強度TS定義為：TS=10log（σ/(4πr2)），其中σ為目標的聲散射截面積（單位m2），r為目標到換能器的距離（單位m）。物理意義是：當聲波入射到目標時，目標將聲波向各個方向散射，TS表示散射波在入射方向（單基地聲吶）的強度與入射波在目標處的強度之比的分貝值（相對于1μPa2·m2）。影響因素：①目標的幾何形狀（如球體、柱體的散射特性差異大）；②目標的材料（剛性、彈性或吸聲材料的散射系數(shù)不同）；③入射聲波的頻率（低頻時散射與目標尺寸相關(guān)，高頻時與表面形狀相關(guān)）；④入射角度（目標對不同方向入射聲波的散射能力不同，如潛艇正橫方向的TS通常大于首尾方向）。5.簡述海洋環(huán)境噪聲的主要來源及其頻率特性。答案：海洋環(huán)境噪聲按來源分為四類：①湍流噪聲（由海水微團的隨機運動產(chǎn)生，主要分布在100Hz以下，隨深度增加而減弱）；②波浪噪聲（由海面波浪、氣泡破裂等產(chǎn)生，主要集中在100Hz~10kHz，與風(fēng)速正相關(guān)）；③生物噪聲（由海洋生物（如蝦、魚、鯨）發(fā)出的聲音，頻率范圍廣（100Hz~100kHz），具有區(qū)域性和季節(jié)性）；④人為噪聲（如艦船螺旋槳噪聲、工業(yè)活動（石油勘探）、航運噪聲等，主要分布在10Hz~10kHz，是近岸海域的主要噪聲源）。三、計算題（每題10分，共30分）1.某主動聲吶系統(tǒng)參數(shù)如下：聲源級SL=210dB（re1μPa·m），接收指向性指數(shù)DI=25dB，檢測閾DT=10dB，環(huán)境噪聲級NL=90dB（re1μPa2/Hz），目標強度TS=15dB，聲波傳播損失TL=20logr+0.1r（r為距離，單位km）。假設(shè)系統(tǒng)工作于窄帶，帶寬B=1Hz，求最大探測距離r（結(jié)果保留兩位小數(shù)）。答案：主動聲吶方程：SLTL+TS=NLDI+DT代入?yún)?shù)：210(20logr+0.1r)+15=9025+10化簡得：22520logr0.1r=75即：20logr+0.1r=150采用迭代法求解：假設(shè)r=100km，20log100=40，0.1×100=10，總和=50＜150，不滿足；r=1000km，20log1000=60，0.1×1000=100，總和=160＞150；r=800km，20log800≈20×2.903=58.06，0.1×800=80，總和≈138.06＜150；r=900km，20log900≈20×2.954=59.08，0.1×900=90，總和≈149.08≈150；r=905km，20log905≈20×2.956=59.12，0.1×905=90.5，總和≈149.62≈150；r≈905km（精確解需更細致迭代，此處近似為905km）。2.某被動聲吶接收陣由8元線列陣組成，陣元間距d=0.5m，工作頻率f=1kHz，聲速c=1500m/s。計算該陣的半功率波束寬度（HPBW）。答案：線列陣的波束寬度公式：HPBW≈0.886λ/L（弧度），其中λ為波長，L為陣長（L=(N-1)d，N為陣元數(shù)）。λ=c/f=1500/1000=1.5m；L=(8-1)×0.5=3.5m；HPBW≈0.886×1.5/3.5≈0.379弧度≈21.7度（1弧度≈57.3度）。3.某主動聲吶發(fā)射脈沖寬度τ=10ms，發(fā)射頻率f=5kHz，聲速c=1500m/s，換能器波束寬度θ=10°（3dB波束寬度）。假設(shè)混響主要來源于體積混響，體積混響系數(shù)Sv=-40dB（re1m?1），求發(fā)射脈沖期間混響時間強度的最大值（結(jié)果以dBre1μPa2表示）。答案：體積混響的時間強度公式：R(t)=SL+10log(πr2θ2/4)+Sv2TL(r)，其中r=ct/2（t為時間，r為距離），TL(r)=20logr（假設(shè)球面擴展，忽略吸收）。脈沖期間t∈[0,τ]，r∈[0,cτ/2]=[0,1500×0.01/2]=7.5m?；祉憦姸茸畲髸r，r=7.5m（脈沖結(jié)束時刻），此時：SL=假設(shè)為參考值（題目未給，此處假設(shè)SL=200dB）；10log(πr2θ2/4)=10log(π×7.52×(10×π/180)2/4)≈10log(π×56.25×(0.1745)2/4)≈10log(π×56.25×0.0304/4)≈10log(1.34)≈1.27dB；Sv=-40dB；TL=20log7.5≈17.5dB；則R(t)=200+1.27402×17.5=200+1.27-40-35=126.27dB（注：實際計算需根據(jù)題目給定的SL值調(diào)整，此處為示例）。四、分析題（每題10分，共20分）1.分析淺海環(huán)境下主動聲吶探測的主要挑戰(zhàn)，并提出三種改進措施。答案：淺海環(huán)境的主要挑戰(zhàn)：①多路徑效應(yīng)顯著（聲波經(jīng)海面、海底多次反射，導(dǎo)致回波重疊，測距測向誤差大）；②混響干擾強（海底、海面及水體中的散射體（如沙粒、氣泡）導(dǎo)致混響級高，掩蓋弱目標回波）；③聲速剖面復(fù)雜（淺海溫度、鹽度受太陽輻射、徑流影響大，聲速可能出現(xiàn)負梯度（表面聲道）或正梯度（海底聲道），聲線彎曲導(dǎo)致能量分布不均，作用距離波動大）；④邊界反射損失不確定（海底底質(zhì)（沙、泥、巖石）不同，反射系數(shù)差異大，難以準確建模傳播損失）。改進措施：①采用寬帶信號（如線性調(diào)頻信號）提高距離分辨力，區(qū)分多路徑回波；②使用垂直陣或拖曳陣（增加陣長），利用空間濾波抑制非直達路徑的干擾；③引入環(huán)境自適應(yīng)處理（通過實時測量聲速剖面，修正聲線軌跡，優(yōu)化波束指向）；④采用多基地配置（發(fā)射和接收分置，利用不同路徑的回波信息，降低單一路徑混響的影響）。2.被動聲吶目標識別中，如何利用“線譜特征”和“調(diào)制特征”區(qū)分不同類型的目標？舉例說明。答案：線譜特征是目標輻射噪聲中離散的頻率成分，由機械部件（如發(fā)動機、齒輪箱、螺旋槳）的周期性振動產(chǎn)生，具有唯一性。例如，柴油機的線譜通常集中在低頻（如50Hz、100Hz，對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)速），而燃氣輪機的線譜頻率較高（如300Hz以上，對應(yīng)渦輪葉片旋轉(zhuǎn)頻率）