水声学原理 部分知识点

$ a- ]: Y8 w6 D( A% H

什么条件下发生海底全反射，此时反射系数有什么特点，说明其物理意义？

: }, N. |$ [! o

答：发生全反射的条件是：掠射角小于等于全反射临界角，界面下方介质的声速大于界面上方介质的声速。发射全反射时，反射系数是复数，其模等于1，虚部和实部的比值给出相位跳变角的正切，即全反射时，会产生相位跳变。声波在海水中传播其声强会逐渐减少。

! \! b* n1 C! E6 Z6 b' ~

（1）说明原因

声波在传播过程中，波阵面逐渐扩展，海水介质的吸收和海水介质中不均匀性的散射。

5 T( n- v* f3 U! W. y4 C+ ]$ l" I

（2）解释什么是物理衰减？，什么叫几何衰减？

; \# |3 D$ v2 u8 a

物理衰减是指声波的机械能转变诚其他形式的能量引起的声波衰减。几何衰减是声波传播中波阵面扩张引起声强较少。

（4）给出三种不同海洋环境下的几何衰减的TL表达式

TL=20lgr+αrTL = 20lgr+\alpha r 6 U' W- y6 D& M' O: E

开阔水域适用

TL=10lgr+αrTL = 10lgr+\alpha r

表面声道和深海声道中适用

TL=15lgr+αrTL = 15lgr+\alpha r 3 H* ?0 T* f+ n0 t2 m2 |; d% F

计海底吸收时浅海均匀声道适用说明射线声学的基本方程、适用条件及其局限性，并说明球面波和柱面波传播时声线的传播方向。

答：程函方程： （（））（Δφ（x,y,z））2=n2(x,y,z)（\Delta\varphi（x,y,z））^{2}=n^{2}(x,y,z) 强度方程： （）Δ（AΔφ）=Δ2φ+2aΔA⋅Δφ=0\Delta（A\Delta\varphi）=\Delta^{2}\varphi+\frac{2}{a}\Delta A\cdot\Delta\varphi=0

射线声学时波动声学的高频近似，适用高频条件和介质不均匀性缓慢变化的情况，但它不适用影区、焦散区。柱面声波的声线垂直与柱的侧面，球面声波的声线垂直于球面。由于介质对声波的吸收衰减随声波频率的增大而增大，因此在浅海波导中，声波频率越低，传播距离就一定越远。判断正误，并用所学知识解释之。

答：不正确。声波在介质中传播受到介质的吸收发生衰减，并且吸收系数随频率升高而增大，因此频率降低，吸收衰减减小，传播距离越远；然而根据波动理论，当声波频率低于波导的截止频率时，浅海波导中的简正波都是衰减的，传播距离反而减小。射线声学应用条件的物理含义？

/ G+ {& J+ k1 y- C/ ]2 K1 g0 i

答：（1）在波长的距离上，声波振幅的相对变化量远小于1。说明射线声学只能应用于声强没有发生太大变化的部分。如在波束边缘、声影区（声线不能到达的区域）和焦散区（声能会聚区域），射线声学不成立。（2）在波长的距离上，声速相对变化远小于1。说明射线声学只能适用于声速变化缓慢的介质。如在声速跃变层，射线声学不成立。声线弯曲满足的基本条件是什么？并定性说明它们之间的规律。

5 ~4 `, ~8 h5 n% M/ Q8 s

答：声线弯曲满足的基本条件是Snell折射定律。对于同一条声线，当掠射角增大时声速则减小，表明声线总是向声速减小的方向弯曲。当声速为常数时，传播中的声线方向角永远相等，声线保持一条直线。当声速为坐标z的函数时，若声速为正梯度，则声线向上弯曲；所声速为负梯度，则声线向下弯曲，即声线总是弯向声速小的方向。从声速梯度的角度看，如果声速梯度是0，则声线为一条直线，如果声速梯度是常数，则声线轨迹为一半径为R的圆弧。聚集因子F是如何定义的，它有什么物理意义？举出二个F>1的场合。

答：聚集因子F=I(x,z)/I0，其中I是非均匀介质中的声强，I0是按照球面波衰减的声强。若F>1，表示该处衰减小于球面波规律（聚焦大于球面波），反之，则表示该处衰减大于球面波衰减（聚焦小于球面波）。汇聚区和焦散线上F>1。什么是频散现象，频散介质中生信号波形为什么会产生畸变？

$ w3 w, l+ l5 b& z

答：不同阶次简正波相速度不等的现象称为频散。而各阶简正波的相速度又不同，所以到达接收点的时间有先后，各阶简正波在接受点叠加后的波形会产生畸变。何谓截止频率，如果低于截止频率，声波则如何传播？

+ D1 c' H3 u* s& J: n

答：简正波在声道中正常传播的最低频率。低于截止频率，则声波做指数衰减，不可能远距离传播。简正频率，最高阶正常传播的简正波。简正波如何形成的，有哪些性质？

答：与z轴夹角满足特定关系的上行波和下行波的叠加形成某一阶次的简正波。简正波在垂直方向是驻波、水平方向是行波，每一阶简正波有各自的简正频率，简正波的相速度与阶次有关，不同阶次的简正波其相速度的不同，形成频散现象。在水平分层介质中，同是传播的简正波，为什么高阶简正波的衰减速度总是比低阶简正波快？

答：每一阶简正波都有各自的截止频率，随着简正波阶数的增加，各阶简正波的截止频率也在增加，而当低于截止频率时，简正波无法正常传播，每一项都在呈指数形式衰减。当声源以某一固定频率发射简正波时，低阶简正波更容易达到截止频率，而高阶则难以满足，使得高阶简正波衰减速度更快。简述复阻抗率的物理意义？

答：从定义看：声阻抗是复数表示声压与质点振速相位不一致。这使得介质中的声强小于平面波的声强，这部分损耗声强对应着声阻抗的实部，由于声压与质点振速相位不一致，引起声强转变为其他形式的能量。利用简正波表示，简要解释相干能量和非相干能量？

1 V# @% S8 o. e

答：各阶次简正波能量为非相干能量；不同阶次简正波之间的耦合能量为相干能量。比较表明声道和深海声道声传播特性的异同？

答：相同点：（1）都能远距离传播；（2）衰减规律基本为柱面规律。不同点：（1）深海声道有汇聚区，表面声道没有；（2）表面声道有截止频率，深海声道无截止频率的限制；（3）从机理上讲，深海声道传播远是由于声线在声道轴上、下翻转，得以远距离传播，而表面声道是介质的折射和海面的反射才能远距离传播。当声源和接收器都位于海面附近时，试描述声强随距离的变化？并解释原因？

3 F4 E' u$ G! b1 H

答：在近场菲尼尔区内，随着距离R从近到远，声压幅值将遵循sin(k(zz1/R))规律，呈现出规律性的极大极小变化，极大值与R成反比，极小值与R的三次方成反比，形成干涉图纹。进入远场方和菲区声压幅值与R的平方成反比规律衰减。如何确定混响还是噪声是声纳的主要干扰？

答：首先画出回声级、混响掩蔽级和噪声掩蔽级随距离的变化曲线；

（1）回声和混响都是随距离而衰减的，而噪声保持不变。一般，回声曲线随距离下降比混响掩蔽级曲线要快，二者相交于混响限制距离Rr处（由混响声纳方程确定）。而回声曲线与噪声掩蔽级相交于噪声限制距离Rn处（由噪声声纳方程确定）。

$ s6 `8 Y/ j( B) v

（2）对于噪声掩蔽级I，Rr

( c8 z& v" \& [% E! y5 k

（3）对于噪声掩蔽级II，Rn

5 J0 ~, }6 C' { }/ g5 L 1 r8 _% ]* z* u ^