《水声学》部分习题答案

哈尔滨工程大学国家级精品课程——《水声学习题集参考答案》

（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

12 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）

??c?r?解：信混比SR?TS?Sb?10lg??

2????c?r??0.5? 10lgS??30dBTS?10lg???12dB???24.8 ?b?2??2?SR??12?30?24.8??6.8dB

213 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?a2???12dB

主动声呐等效平面波海底混响级：RL?SL?2TL?Ss?10lg?c??R/2?

Ss??20dB

A?c??R/2?75m2

信混比：S/L?EL?RL?TS?Ss?10lg?A???12?(?20?10lg(75))??10.8dB 14 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

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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?NL0?10lg?f?70?10lg200?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。

15 声纳系统的水平波束宽度为10?，发射宽度为100ms的脉冲。若反向散射强度为-40dB，那么在4000m处，混响目标强度TS是多少？在其两倍的距离上TS又是多少？

16 在收发分置声呐中，接收的回波信号的强度与r12、r22成反比，这里r1和r2分别是目标到发射机和接收机的距离。假定目标运动使得r1?r2?k，确定使回波信号强度最大的r1和r2之间的关系，同时假设目标强度是一常数。 17 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Ss＝-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?Ss?10lg?c??R/2?

（3）S/L?EL?RL?TS?Ss?10lg?A???6?(?25)?10lg(240)??4.8dB

TS?20lg?a2???6dB，A?c??R/2?240m2。

（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?。

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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 50－500Hz 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 说明舰船机械噪声的产生机理？它频谱具有哪些特点？

5 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

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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

10lg23?9dB。

噪声强度航速加快，航深变浅空化噪声f临界航速v

6 舰船水动力噪声的产生机理？

7 写出舰船自噪声的噪声源，并说明它们在辐射噪声中起的作用。

8 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。

9 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

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