第二十讲 习题课第5章声波在目标上的反射和散射1测量柱形目标的TS值时，发现TS值随测量距离而变，说明这种变化关系及其原因。解：与测量距离关系：随着距离变大，TS值逐渐变大，距离大到某个值后，TS值不再随距离而变大。原因：（1）声呐换能器指向性原因，近距离上，入射声没有照射到目标全部，因而对回波有贡献的表面小，回波弱，随着距离变大，入射照射的面积变大，对回声有贡献的表面也变大，因而TS值也大，距离大到某个值时，整个目标都被入射声照射后，TS值不再随测量距离而变；（2）回声信号在近场与距离的一次方成反比，在远场与距离的二次方成反比，而归算至目标声中心1米处时都按球面规律归算，其后果必然导致远场测量结果大于近场。2在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为a的刚性球目标强度TS值表达式。解：入射到球面上的声功率：W，=πα?1。在散射场远场，如果为均匀球面场，则半径为r球面上散射声功率：W,=4元21,(r)根据能量守恒，有：W，=W，，元a1。=4m21(r)根据定义：TS=10lg(1,(r=1m)/1.)=10lg(a2/4)=20lg(a/2)3一只工作在50kHz频率的声呐换能器具有140dB声源强度。问从一个距离为1000m，半径为40m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？解：由声呐方程可知，回声信号强度为EL=SL-2TL+TS又TL=20lg ra?TS=10lg4402所以EL=120-2X20lg1000+10lg=46dB44：在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度TSo的目
第二十讲 习题课 第 5 章 声波在目标上的反射和散射 1 测量柱形目标的 TS 值时，发现 TS 值随测量距离而变，说明这种变化关系 及其原因。 解：与测量距离关系：随着距离变大，TS 值逐渐变大，距离大到某个值后，TS 值不再随距离而变大。原因：（1）声呐换能器指向性原因，近距离上，入射声 没有照射到目标全部，因而对回波有贡献的表面小，回波弱，随着距离变大， 入射照射的面积变大，对回声有贡献的表面也变大，因而 TS 值也大，距离大 到某个值时，整个目标都被入射声照射后，TS 值不再随测量距离而变；（2）回 声信号在近场与距离的一次方成反比，在远场与距离的二次方成反比，而归算 至目标声中心 1 米处时都按球面规律归算，其后果必然导致远场测量结果大于 近场。 2 在高频远场条件下，简单地用能量守恒关系推出半径为 a 的刚性球目标强度 TS 值表达式。 解：入射到球面上的声功率： 0 2 W a I i = 在散射场远场，如果为均匀球面场，则半径为 r 球面上散射声功率： W r I (r) s s 2 = 4 根据能量守恒，有： Wi = Ws， a I r I (r) s 2 0 2 = 4 根据定义： 10lg( ( 1 ) ) 10lg( 4) 20lg( 2) 2 TS = I s r = m I 0 = a = a 3 一只工作在 50kHz 频率的声呐换能器具有 140dB 声源强度。问从一个距离 为 1000m，半径为 40m的球形物体上返回的回波信号强度是多少？ 解：由声呐方程可知，回声信号强度为 EL=SL-2TL+TS 又 TL= 20lg r TS= 4 10lg 2 a 所以 EL=120-2× 20lg 1000 + 4 40 10lg 2 =46dB 4 在非消声水池中测量目标回声信号时，应注意些什么？设目标强度 TS0 的目
标在入射声波照射下产生的回声强度为Iro，若其余条件不变，将目标强度未知的目标替代原目标，测得回波强度为Ir，求该目标的TS值。IiIro收发合置换能器+IiIr解：在非消声水池中测量目标回声信号，应保证：测量在远场、自由场中进Ir行，并应是稳态信号。TS=TS。+10Iglra5简述实验测量水下物体目标强度（TS值）的“应答器法”，给出有关计算式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若“直接测量法”布置为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间距分别为Rl，R2；（R2>>d2/入；d：被测物体最大线度；入：声波波长）。接收器接收的点声源辐射声压幅值为Pi，接收的被测物体散射声压幅值为Ps：问：被测物体的目标强度（TS值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水声吸收）解：“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：布置如下图。R1R2发射换能器接收水听器待测目标(1）辐射声压幅值：P=P./r接收器接收的声压幅值：P=P/R待测目标的入射声压为：P=P/(R+R）=PR/(R+R）接收器接收目标散射声压幅值：P,=Plm/R目标强度计算公式：TS=20g(P/P)=20lg(P(R+R)R/(RP)（2）实验注意事项：a接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区；
标在入射声波照射下产生的回声强度为 Ir0，若其余条件不变，将目标强度 未知的目标替代原目标，测得回波强度为 Ir，求该目标的 TS 值。 TS0 Ii Ir0 收发合置换能器 TS Ii Ir 解：在非消声水池中测量目标回声信号，应保证：测量在远场、自由场中进 行，并应是稳态信号。 0 0 10lg Ir Ir TS = TS + 5 简述实验测量水下物体目标强度（TS 值）的“应答器法”，给出有关计算 式，测量中应注意哪些问题才能保证测量的准确？若‘直接测量法’布置 为：在开阔水域，点声源辐射器，无指向性接收器和被测物体依次排列，间 距分别为 R1，R2；（R2>>d2 /λ；d：被测物体最大线度；λ：声波波长）。接 收器接收的点声源辐射声压幅值为 Pi，接收的被测物体散射声压幅值为 Ps； 问：被测物体的目标强度（TS 值）如何计算？（声波球面扩展，不计海水 声吸收） 解：“直接测量法”测量水下目标强度（其它略）：布置如下图。 （1） 辐射声压幅值： P P r = 0 接收器接收的声压幅值： Pi = P0 R1 待测目标的入射声压为： ( ) ( ) P2 = P0 R1 + R2 = PiR1 R1 + R2 接收器接收目标散射声压幅值： Ps = Pr r=1m R2 目标强度计算公式： ( ) ( ( ) ( )) TS Pr P2 Ps R1 R2 R2 R1Pi = 20lg = 20lg + （2） 实验注意事项： a. 接收水听器和待测目标置于发射换能器的远场区； R1 R2 发射换能器 接收水听器 待测目标
b.接收水听器置于待测努表散射声场的远场区；c..发射声信号的脉冲长度：t>2L/c，L为目标长度。6写出目标回声信号级表达式：目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性，并简述其产生的原因？解：目标回声信号级EL=SL-2TL+TS目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上不规则处的散射波，目标的再辐射波等组成，回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号相比，有多下勒频偏：回声信号波形一般有较大的畸变等。7比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等回声信号的不同点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标的某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们和镜反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干迭加是和频率有关的，因而回声信号随频率而变。8在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波脉冲串中由壳面的镜面引起的回波脉冲?9已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角θ向海底发射声波，频率为fo，收得海底回声信号的频率为fr，求该船的航行速度V。+水面海底解：考虑多卜勒效应，回声信号频率T,=J(1+2Vcos0）=-)C2fcos0C10柱形水雷长2m，半径为0.5m，端部为半球形。垂直入射时，水雷及其端部的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为10kHz和100kHz，计算目标强度。解：已知圆柱物体的目标强度公式为TS=10lg(aL?/2元)
b. 接收水听器置于待测努表散射声场的远场区； c. .发射声信号的脉冲长度： 2L c ，L 为目标长度。 6 写出目标回声信号级表达式；目标回声信号是如何产生的，它有哪些特性， 并简述其产生的原因？ 解：目标回声信号级 EL=SL-2TL+TS 目标回声信号是入射声与目标互相作用后产生的，它由镜反射波，目标上 不规则处的散射波，目标的再辐射波等组成， 回声信号的一般特性有：回声信号的脉宽一般比入射信号宽；与入射信号 相比，有多卜勒频偏；回声信号波形一般有较大的畸变等。 7 比较弹性目标和刚性目标回波信号的异同，并说明形成差异的原因。 解：回声信号的相同点：脉冲展宽，多卜勒频偏，波形畸变等回声信号的不同 点：弹性目标回声信号随频率作剧烈振荡，其原因是在入射波的激励下，目标 的某些固有振动模态被激励，这些振动的辐射波是回声信号的组成部分，它们 和镜反射波、不规则处的散射波等分量的迭加得到总的回声信号，而这种相干 迭加是和频率有关的，因而回声信号随频率而变。 8 在短脉冲入射时，如何判断壳体目标回波脉冲串中由壳面的镜面引起的回波 脉冲？ 9 已知水面船作匀速直线运动，船底的换能器以夹角 向海底发射声波，频率 为 f0，收得海底回声信号的频率为 fr，求该船的航行速度 v。 V f0 fr 水面 海底 解：考虑多卜勒效应，回声信号频率 = + c V f f r 2 cos 0 1 ( ) 2 0 cos 0 f f f C V r − = 10 柱形水雷长 2m，半径为 0.5m，端部为半球形。垂直入射时，水雷及其端部 的目标强度表达式是什么？给定声波频率分别为 10kHz 和 100kHz，计算目 标强度。 解：已知圆柱物体的目标强度公式为 TS= 10lg( / 2 ) 2 aL
在10kHz时，TS=10lg[(0.5×22)/(2×0.15)]=-2dB在100kHz时，TS=10lg[(0.5×22)/(2×0.015)]=8dB已知球形目标的目标强度公式为TS=10lg(α2/4)，对于大球，其目标强度不随频率变化，所以两个频率下，TS=10lg(0.52/4)=-12dB第6章海洋中的混响1什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。一式中Io是参考声强，「是平面波声强。解：RL=10lg10将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器输出开路电压V，再将声强为I的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开路输出电压也等于V，则就用平面波声强度量混响强度，称RL为等效平面波混响级。混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平衡随机量，随时间衰减，它的瞬时值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在空间中不是均匀的。2，为什么说海洋体积混响源是海洋生物？海面混响和海底混响是如何形成的？解：海洋体积混响主要来自深水散射层。深水散射层具有昼夜迁徒规律，早晚较浅，接近海面，白昼较深；该层具有一定厚度；且有选频特性，据此可以判定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混响的散射源。海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散射形成的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。3海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？解：海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平整，海面附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波在接收点的迭加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还与换能器等效联合指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。4若海水的体积散射强度与空间位置无关为S，声呐的发射、接收指向性函数分别为R(①，@)和R(@,@)；发射声源级SL；信号脉冲宽度t。（1）简述
在 10kHz 时，TS= 10lg[( 0.5 2 )/(2 0.15)] 2 2 = − dB 在 100kHz 时，TS= 10lg[( 0.5 2 )/(2 0.015)] 8 2 = dB 已知球形目标的目标强度公式为 TS= 10lg( / 4) 2 a ，对于大球，其目标强度 不随频率变化，所以两个频率下，TS= 10lg( 0.5 / 4) 2 =-12dB 第 6 章 海洋中的混响 1 什么是等效平面波混响级，说明混响信号的特性。 解： 0 10lg I I RL = 式中 I0是参考声强，I 是平面波声强。 将声呐换能器放入混响声场中，声轴指向目标，在混响的作用下，换能器 输出开路电压 V，再将声强为 I 的平面波沿声轴入射向换能器，如换能器的开 路输出电压也等于 V，则就用平面波声强度量混响强度，称 RL 为等效平面波 混响级。 混响是主动声呐特有的干扰，它是一个非平衡随机量，随时间衰减，它的瞬时 值服从高斯分布，振幅服从瑞利分布。其频率特性基本上与发射信号相同，在 空间中不是均匀的。 2 为什么说海洋体积混响源是海洋生物？海面混响和海底混响是如何形成的？ 解：海洋体积混响主要来自深水散射层。深水散射层具有昼夜迁徒规律，早晚 较浅，接近海面，白昼较深；该层具有一定厚度；且有选频特性，据此可以判 定，该层是由海洋生物组成的，它们是体积混响的散射源。 海面混响是由波浪海面不平整及海面附近的一层小气泡对声波的散射形成 的，海底混响是海底的不平整及表面的粗糙度对声波的散射形成的。 3 海洋混响是如何形成的？它的强弱与哪些因素有关？ 解：海洋混响是由海洋中存在的大量不均匀性（如海底、海面的不平整，海面 附近的气泡，海底的粗糙度，海洋生物等）对入射声波的散射波在接收点的迭 加，混响首先与海水体积或海面、海底的散射强度有关，还与换能器等效联合 指向性、发射脉冲宽度和入射声强度有关。 4 若海水的体积散射强度与空间位置无关为 V S ，声呐的发射、接收指向性函 数分别为 ( ,) R1 和 ( ,) R2 ；发射声源级 SL；信号脉冲宽度 。（1）简述
计算海洋混响的最简单模型；（2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响等效平面波混响级RL的表达式。解：（1）计算混响的简单模型：声线直线传播；不计海水声吸收：散射体（面）单元均匀连续分布：每一散射体（面）单元散射声波的发生和结束与入射到此单元上的入射声波同时发生和结束；不计二次散射。（2）t时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为ct/2和c（t+t）2的球壳间散射体的散射，此区域记作Vo。入射到体元dV的入射声波声强为：I.R(@,)/r2体元dV产生的散射波声强为：1oR(,g)/rsidV/r2dV产生的散射波声强等效平面波声强为：.R,(,)R,(@,)/r*sdV区域Vo散射的总等效平面波声强为：1=[1oR,(0,)R(e,g)/r*SdV如果ct/2>ct/2，则积分结果可近似为：I = IoS, /rct /2J R (0,0)R,(e,)dodp定义：收发合置换能器的等效束宽为：甲=[R,(8,)R,(0,)dod则：1=1oS/ryct/2=1.S/ryct/2等效平面波混响级为：RL=10lg(I/Iref)=SL-2TL+Sv+10lg(V)其中：声源级SL=10lg(I/lref)；传播损失TL=10lg(r-)；海水体积散射强度Sv；等效散射体积V=I=yr2cT/2。5已知目标强度为TS的目标位于海底，探测声呐与它之间的距离R，海底散射强度为Sb，探测声呐声源级SL，发射脉冲宽度t，换能器等效联合指向性Φ，海水中声速C，吸收系数α，写出接收信号信混比表达式。TS7解：等效平面波混响级RL=SL-40gr+S.+101g-2ar62（1）回声信号级EL=SL-2TL+TS=SL-401gr-2αr+TSE（2）回声信号信混比SR=EL-RL=TS-S,-10lg2
计算海洋混响的最简单模型；（2）用此模型，推导出不均匀海水的体积混响 等效平面波混响级 RLV 的表达式。 解：（1）计算混响的简单模型：声线直线传播；不计海水声吸收；散射体 （面）单元均匀连续分布；每一散射体（面）单元散射声波的发生和 结束与入射到此单元上的入射声波同时发生和结束；不计二次散射。 （2）t 时刻收发合置换能器接收的混响来自半径为 ct/2 和 c（t+ ）/2 的球壳 间散射体的散射，此区域记作 V0。 入射到体元 dV 的入射声波声强为： ( ) 2 0 1 I R , /r 体元 dV 产生的散射波声强为： ( ) 2 2 0 1 I R , /r S dV /r V dV 产生的散射波声强等效平面波声强为： I R ( )R ( ) r SV dV 4 0 1 2 , , / 区域 V0散射的总等效平面波声强为： ( ) ( ) = 0 4 0 1 2 , , / V I I R R r SV dV 如果 ct/2> c /2，则积分结果可近似为： ( ) ( ) I = I SV /r c / 2 R1 , R2 , dd 2 0 定义：收发合置换能器的等效束宽为： ( ) ( ) = R1 , R2 , dd 则： / / 2 / / 2 4 2 0 2 0 I I S r c I S r r c V V = = 等效平面波混响级为：RL=10lg(I/Iref)=SL-2TL+SV+10lg(V) 其中：声源级 SL=10lg(I/Iref)；传播损失 TL=10lg(r2 )；海水体积散射强度 SV；等效散射体积 V= / 2 2 I =r c 。 5 已知目标强度为 TS 的目标位于海底，探测声呐与它之间的距离 R，海底散 射强度为 Sb，探测声呐声源级 SL，发射脉冲宽度 ，换能器等效联合指向 性 ，海水中声速 C，吸收系数 ，写出接收信号信混比表达式。 TS R 解：等效平面波混响级 r c r RL SL r Sb 2 2 40lg 10lg − = − + + （1）回声信号级 EL=SL-2TL+TS=SL-40lgr-2 r+TS （2）回声信号信混比 = − = − − 2 10lg c r SR EL RL TS Sb
（3）信混比SR=-10lg4+25-10g(1500X0.004×400×0.2/2)（4）减小发射脉冲宽度、应用高指向性换能器6半径a=0.5米的刚性球放置在海底，换能器离该球200米，换能器等效收发联合指向性为0.2弧度，并测得单位面积海底反向散射声强是入射声强的1/1000，已知声源级SL=200dB，信号脉冲宽度t=10毫秒，求接收信号信混比。（lg3=0.48,c=1500m/s）dc解：信混比SR=TS-S，-101g270.5Ct=-12dBS, =-30dB110lg= 24.8TS=101g2SR=-12+30-24.8=-6.8dB7用主动声呐探测放置在海底，半径为0.5米的刚性球；收发合置换能器距该球200米，收发合置换能器等效束宽为0.1弧度；查表知该处海底的散射强度为-20分贝；若信号脉冲宽度T=5毫秒，求：接收信号的信混比。（海水中声速C=1500m/s；声波球面扩展，不计海水声吸收）换能器海底解：主动声呐信号级：EL=SL-2TL+TSTS = 20lg(a/2)=-12dB主动声呐等效平面波海底混响级：RL=SL-2TL+S，+10lg(ctYR/2)S, =-20dBA=ctR/2=75m2信混比：S/L=EL-RL=TS-S,-10g(A)=-12-(-20+10lg(75))=-10.8dB8同上题，若该声呐发射声源级190分贝：干扰噪声为各向同性，其均匀噪声谱级为70分贝，声呐工作带宽200Hz，接收器等效束宽为0.1弧度，求：接收信号的信噪比。并分别讨论：为提高接收信号的信混比应如何改变声
（3）信混比 SR=-10lg4+25-10lg(1500×0.004×400×0.2/2) （4）减小发射脉冲宽度、应用高指向性换能器 6 半径 a=0.5 米的刚性球放置在海底，换能器离该球 200 米，换能器等效收发 联合指向性为 0.2 弧度，并测得单位面积海底反向散射声强是入射声强的 1/1000，已知声源级 SL=200dB，信号脉冲宽度 =10 毫秒，求接收信号信 混比。（lg3=0.48,c=1500m/s） 解：信混比 = − − 2 10lg c r SR TS Sb TS 12dB 2 0.5 10lg 2 = − = Sb = −30dB 24.8 2 10lg = cr SR = −12+30− 24.8 = −6.8dB 7 用主动声呐探测放置在海底，半径为 0.5 米的刚性球；收发合置换能器距该 球 200 米，收发合置换能器等效束宽为 0.1 弧度；查表知该处海底的散射强 度为-20 分贝；若信号脉冲宽度τ=5 毫秒，求：接收信号的信混比。（海水 中声速 C=1500m/s；声波球面扩展，不计海水声吸收） 换能器 r=200米 海底 解：主动声呐信号级： EL = SL − 2TL +TS TS = 20lg(a 2) = −12dB 主动声呐等效平面波海底混响级： RL SL 2TL S 10lg(c R/ 2) = − + s + Ss = −20dB 2 A = cR / 2 = 75m 信混比： S / L = EL − RL = TS − Ss −10lg(A) = −12 − (−20 +10lg( 75)) = −10.8dB 8 同上题，若该声呐发射声源级 190 分贝；干扰噪声为各向同性，其均匀噪声 谱级为 70 分贝，声呐工作带宽 200Hz，接收器等效束宽为 0.1 弧度，求： 接收信号的信噪比。并分别讨论：为提高接收信号的信混比应如何改变声呐
系统的参数？为提高接收信号的信噪比应如何改变声呐系统的参数？解：信号级：EL=SL-2TL+TS其中：SL=190，TS=-12dB，TL=20lgr=46dB噪声干扰级：NL-DI其中：NL=NL。+10lg4f=70+10lg200=93dB，DI =10lg(4元/4)=20.9dB,信噪比：S/N=EL-(NL-DI)=13.9dB若提高信混比，需减小脉冲宽度和等效束宽。若提高信噪比，需增加声源级和指向性指数，减小频带宽度。9写出（1）目标回声信号级表达式；（2）海底混响的等效平面波混响级表达式。又已知：海底有一刚性球，半径1m；收-发合置换能器，其指向性等效束宽Φ=0.2弧度；收-发合置换能器距海底目标斜距400m；信号脉冲宽度T=4ms；海底散射强度S，=-25dB；（3）试求：接收信号的信混比。（4）为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：1500m/s；声波球面波扩展；不计海水声吸收）解：（1）EL=SL-2TL+TS(2）RL=SL-2TL+S+10lg(cTYR/2)(3) S/ L= EL-RL = TS- S, -10lg(A)=-6-(-25)-10lg(240) =-4.8dBTS=20lg(a/2)=-6dB，A=ct4R/2=240m2。（4）若提高S/L，需改进声呐的设备参数：减小脉冲宽度t和等效束宽。第7章水下噪声1为何在水下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声？写出舰船辐射噪声的噪声源，并说明它们的频率特性及在辐射噪声中起的作用。解：（1）舰船噪声对声呐作用有两种：一个作为它舰被动声呐探测目标的声源，另一个作为本舰声呐的于扰。这表现在声呐方程中：前者为被动声呐方程的声源级（SL），后者表现为干扰噪声（NL）的一部分。并且舰船辐射噪声和舰船自噪声的性质也不同。因而舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声。（2）舰船辐射噪声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种。（3）舰船噪声的谱特性：连续谱上选加线谱
系统的参数？为提高接收信号的信噪比应如何改变声呐系统的参数？ 解：信号级： EL = SL − 2TL +TS 其中： SL =190，TS = −12dB，TL = 20lg r = 46dB 噪声干扰级： NL − DI 其中： NL = NL0 +10lg f = 70 +10lg 200 = 93dB ， DI =10lg(4 ) = 20.9dB， 信噪比： S / N = EL − (NL − DI) =13.9dB 若提高信混比，需减小脉冲宽度和等效束宽。 若提高信噪比，需增加声源级和指向性指数，减小频带宽度。 9 写出（1）目标回声信号级表达式；（2）海底混响的等效平面波混响级表达 式。又已知：海底有一刚性球，半径 1m；收-发合置换能器，其指向性等效 束宽 Φ = 0.2 弧度；收-发合置换能器距海底目标斜距 400m；信号脉冲宽度 = 4ms ；海底散射强度 s S ＝-25dB；（3）试求：接收信号的信混比。（4） 为提高接收信号的信混比应如何改进声呐的设备参数。（声速：1500m/s；声 波球面波扩展；不计海水声吸收） 解：（1） EL = SL − 2TL +TS （2） RL SL 2TL S 10lg(c R/ 2) = − + s + （3） S / L = EL − RL = TS − Ss −10lg(A) = −6 − (−25) −10lg( 240) = −4.8dB TS = 20lg(a 2) = −6dB， 2 A = cR / 2 = 240m 。 （4）若提高 S / L ，需改进声呐的设备参数：减小脉冲宽度 和等效束宽 。 第 7 章 水下噪声 1 为何在水下噪声研究中将舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪声？写出舰 船辐射噪声的噪声源，并说明它们的频率特性及在辐射噪声中起的作用。 解：（1）舰船噪声对声呐作用有两种：一个作为它舰被动声呐探测目标的声 源，另一个作为本舰声呐的干扰。这表现在声呐方程中：前者为被动声呐方 程的声源级（SL），后者表现为干扰噪声（NL）的一部分。并且舰船辐射噪 声和舰船自噪声的性质也不同。因而舰船噪声分为舰船辐射噪声和舰船自噪 声。 （2）舰船辐射噪声源有：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声三种。 （3）舰船噪声的谱特性：连续谱上迭加线谱
2写出（1）海洋环境噪声源及其频率特性；（2）海洋环境噪声的空间指向特性和振幅分布特性。解：海洋环境噪声源及其频率特性：潮汐和波浪的海水静压力效应1或2周／日：远处行船50一500Hz地震扰动低于1Hz；波浪噪声500-25000Hz海洋瑞流分子热噪声>25000Hz1-10Hz；海洋环境噪声具有空间指向性，即远处行船噪声具有水平指向性，波浪噪声则有垂直指向性。海洋环境噪声的振幅分布是高斯型的，但如水听器置于水面附近，则振幅分布比高斯分布尖。3为什么说频率50一500Hz，500一25000Hz的环境噪声分别是航船噪声和风成噪声（海面波浪噪声）解：实验测量表明，在50一500Hz频段，海洋环境噪声的谱比较平坦，与波浪的大小基本无关，且具有水平指向性，因此可以判定此频段的噪声主要来自远处航船。在500一25000Hz频段，环境噪声具有垂直指向性，且与海面波浪大小密切有关，因而波浪噪声为此频段的主要噪声源。4说明螺旋桨噪声的形成机理及与航速，航深和频率的关系。在低频段，螺旋桨噪声强度与频率的3次方式正比，当速度由V变为2V时，噪声强度增加多少分贝。解：螺旋桨噪声由空化及唱音构成。螺旋桨旋转时，当速度达到一定值时，在叶尖和叶片表面上形成负压而产生气泡，这些小气泡破裂时发出的嘶嘶声就是螺旋奖空化噪声，它与航速、航深及频率的关系见上左图。螺旋奖噪声只有在航速达到或超过临界航速才产生。见上右图，空化噪声是连续谱。唱音是由于叶片周期性切割海水而产生的，它的频谱是线谱。当速度由V变为2V时，噪声强度增加10lg2”=9dB
2 写出（1）海洋环境噪声源及其频率特性；（2）海洋环境噪声的空间指向特 性和振幅分布特性。 解：海洋环境噪声源及其频率特性： 潮汐和波浪的海水静压力效应 1 或 2 周／日；远处行船 50－500Hz 地震扰动 低于 1Hz； 波浪噪声 500－25000Hz 海洋湍流 1－10Hz； 分子热噪声 >25000Hz 海洋环境噪声具有空间指向性，即远处行船噪声具有水平指向性，波浪噪 声则有垂直指向性。 海洋环境噪声的振幅分布是高斯型的，但如水听器置于水面附近，则振幅 分布比高斯分布尖。 3 为什么说频率 50－500Hz，500－25000Hz 的环境噪声分别是航船噪声和风 成噪声（海面波浪噪声） 解：实验测量表明，在 50－500Hz 频段，海洋环境噪声的谱比较平坦，与波浪 的大小基本无关，且具有水平指向性，因此可以判定此频段的噪声主要来自远 处航船。在 500－25000Hz 频段，环境噪声具有垂直指向性，且与海面波浪大 小密切有关，因而波浪噪声为此频段的主要噪声源。 4 说明螺旋桨噪声的形成机理及与航速，航深和频率的关系。在低频段，螺旋 桨噪声强度与频率的 3 次方式正比，当速度由 V 变为 2V 时，噪声强度增加 多少分贝。 解：螺旋桨噪声由空化及唱音构成。螺旋桨旋转时，当速度达到一定值时，在 叶尖和叶片表面上形成负压而产生气泡，这些小气泡破裂时发出的嘶嘶声就是 螺旋桨空化噪声，它与航速、航深及频率的关系见上左图。螺旋桨噪声只有在 航速达到或超过临界航速才产生。见上右图，空化噪声是连续谱。唱音是由于 叶片周期性切割海水而产生的，它的频谱是线谱。当速度由 V 变为 2V 时，噪 声强度增加 10lg 2 9dB 3
+噪声强度空化噪声航速加快，.航深变浅临界航速5对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些措施降低水动力噪声。解：降低水动力噪声，工程上常采用：（1）将换能器封闭在导流罩内；（2）将换能器安装在舰滞流点处；（3）适当增加换能器表面积；（4）在换能器表面喷注聚合物液体。6已知：甲船，其辐射噪声谱密度级如右谱级(0dB=1 μ Pa Im/1Hz)图；乙船用被动声呐探测甲船，该声呐系120dB/100统工作通带为：500Hz~2000Hz；全指向性接收器；能量检测工作方式，当信噪比频率1000Hz大于6dB时，认为检测到目标；若来自海洋环境噪声和乙船自噪声的总干扰噪声各向同性并且为均匀谱密度分布，在接收器处其噪声谱密度级为70dB（OdB=μPa/1Hz）；试求：（1）乙船接收到甲船噪声信号级：（2）乙船接收的干扰噪声级：（3）乙船探测到甲船的最远距离（计算中取：声波球面扩展；不计海水声吸收）；（4）为增大探测到甲船的距离，乙船的被动声呐应如何改进设备参数。解：（1）信号级：SL-TL，其中SL=10lg(I/Iref)；I=Ii+I2I, =[S()df = 5×10'* IrgI, = J,S(F)(Fo/F)df = 5×101 Ire:. SL=101g(//Irer)=101g(5×10* Irg +5×10141rgr)//rg)=150dB(2）干扰级：NL-DI其中：NL=NL。+101g(4r)=70+101g(2000-500)=101.8dBDI = 10lg(4元/Y)=0dB(3）被动声呐方程：(SL-TL)-(NL-DI)=DT，其中：TL=20Ig(R);DT =6dB
空化噪声 临界航速 v 噪声强度 航速加快， 航深变浅 f 5 对于舰船自噪声来说，水动力噪声具有特殊的重要性，在工程上可采取哪些 措施降低水动力噪声。 解：降低水动力噪声，工程上常采用：（1）将换能器封闭在导流罩内；（2）将 换能器安装在舰艏滞流点处；（3）适当增加换能器表面积；（4）在换能器表面 喷注聚合物液体。 6 已知：甲船，其辐射噪声谱密度级如右 图；乙船用被动声呐探测甲船，该声呐系 统工作通带为：500Hz~2000Hz；全指向 性接收器；能量检测工作方式，当信噪比 大于 6dB 时，认为检测到目标；若来自 海洋环境噪声和乙船自噪声的总干扰噪声各向同性并且为均匀谱密度分布， 在接收器处其噪声谱密度级为 70dB（0dB= Pa /1Hz ）；试求：（1）乙船接 收到甲船噪声信号级；（2）乙船接收的干扰噪声级；（3）乙船探测到甲船的 最远距离（计算中取：声波球面扩展；不计海水声吸收）；（4）为增大探测 到甲船的距离，乙船的被动声呐应如何改进设备参数。 解：（1）信号级：SL－TL，其中 SL=10lg(I/Iref)；I=I1+I2 ( ) ref f I S f df I 14 1 0 5 10 1 = = ， ( )( ) ref f I S f F F df I 2 14 2 0 0 5 10 2 = = SL 10lg(I I ref ) 10lg((5 10 I ref 5 10 I ref ) I ref ) 150dB 14 14 = = + = （2）干扰级：NL－DI 其中： NL = NL0 +10lg(f ) = 70 +10lg(2000 − 500) =101.8dB DI =10lg(4 ) = 0dB （3）被动声呐方程： (SL −TL)−(NL − DI) = DT ，其中： TL = 20lg(R) ； DT = 6dB
有：150-20lg(R)-101.8=6;20lg(R)=42.2；:.R=128.8m。（4）为提高探测距离，应改进声呐的设备参数：降低检测阈DT；减小接收束宽；选择工作带宽和频段使SL-NL值尽量大：对于此题，声呐工作频段左移，可提高声呐探测距离。总结：通过本次习题课，回顾、巩固第5、6、7章的重要知识点和相关声呐参数的求解方法
有： 150 − 20lg(R)−101.8 = 6 ； 20lg(R) = 42.2 ； R =128.8m。 （4）为提高探测距离，应改进声呐的设备参数：降低检测阈 DT；减小接 收束宽；选择工作带宽和频段使 SL-NL 值尽量大；对于此题，声呐工作频段左 移，可提高声呐探测距离。 总结：通过本次习题课，回顾、巩固第 5、6、7 章的重要知识点和相关声呐参 数的求解方法