大連海事大學(xué)電航儀器教案：第六章船用回聲測深儀課件

1、航海儀器（電）1一、聲波一、聲波4.聲波的分類：聲波的分類：次聲波：聲源頻率低于次聲波：聲源頻率低于20Hz；可聞聲波：聲源頻率介于可聞聲波：聲源頻率介于20Hz 20kHz；超聲波：聲源頻率高于超聲波：聲源頻率高于20kHz。航海儀器（電）2KEc1航海儀器（電）3 實際中，海水中的物理常數(shù)并不是常實際中，海水中的物理常數(shù)并不是常值，將隨溫度、含鹽量和靜壓力等因素變值，將隨溫度、含鹽量和靜壓力等因素變化而變化。其中，溫度的影響最為顯著?；兓Ｆ渲?，溫度的影響最為顯著。 溫度、含鹽量和靜壓力等因素變化與溫度、含鹽量和靜壓力等因素變化與聲速的關(guān)系如下表：聲速的關(guān)系如下表： 航海儀器（電）4

2、船用水聲儀器通常以船用水聲儀器通常以1500m/s為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計聲速。計聲速。海水的物理狀態(tài)變化量海水的物理狀態(tài)變化量聲速平均增加量（聲速平均增加量（m/s）溫度增加溫度增加13.3含鹽量增加含鹽量增加11.5靜壓力增加靜壓力增加1 10-4Pa（水深增加（水深增加100m）3.3航海儀器（電）52.傳播損耗傳播損耗 擴散損耗擴散損耗: :由于聲能的擴散所引起。由于聲能的擴散所引起。衰減損耗：衰減損耗：由于聲能的吸收和散射共同作由于聲能的吸收和散射共同作 用的結(jié)構(gòu)。用的結(jié)構(gòu)。三、水中聲的傳播三、水中聲的傳播航海儀器（電）63.海底底質(zhì)對反射的影響海底底質(zhì)對反射的影響巖石，礁板巖石，礁板平底

3、硬沙平底硬沙石礫，碎石石礫，碎石淤泥淤泥三、水中聲的傳播三、水中聲的傳播航海儀器（電）74.海洋中的混響海洋中的混響 來自所有散射體的散射波的總和構(gòu)成混響。來自所有散射體的散射波的總和構(gòu)成混響。分類：分類： 體積混響：體積混響： 海面混響：海面混響： 海底混響：海底混響：利用某一海層的體積混響測量船速。利用某一海層的體積混響測量船速。 三、水中聲的傳播三、水中聲的傳播航海儀器（電）8l測量水深的基本公式；測量水深的基本公式；l船用回聲測深儀的整機框圖、工作概況、船用回聲測深儀的整機框圖、工作概況、主要性能指標(biāo)。主要性能指標(biāo)。 航海儀器（電）9海面通過測量聲波往返于船底到海底的時間，利用測深公式

4、計算深度。一、回聲測深基本原理一、回聲測深基本原理hHD海底AOMB航海儀器（電）10式中：H水面至海底的深度； D為水面置換能器表面的距離； h為換能器表面至海底的距離即測量深度； S為基線； C為標(biāo)準(zhǔn)聲速；一、回聲測深基本原理一、回聲測深基本原理DDDhHsctAMAO222222航海儀器（電）11二、整機構(gòu)成及工作時序圖二、整機構(gòu)成及工作時序圖顯示器接收系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)換能器航海儀器（電）12三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)最大測量深度最大測量深度最小測量深度最小測量深度工作頻率工作頻率脈沖寬度脈沖寬度脈沖重復(fù)頻率（或周期）脈沖重復(fù)頻率（或周期）接受增益等。接受增益等。航

5、海儀器（電）13三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)最大測量深度：測深儀的最大量程。最大測量深度：測深儀的最大量程。IMO標(biāo)準(zhǔn)：遠洋：標(biāo)準(zhǔn)：遠洋：400m，沿海和內(nèi)河：沿海和內(nèi)河：200m，海洋測量：海洋測量：2000m 10000m航海儀器（電）14三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)最大測量深度：測深儀的最大量程。最大測量深度：測深儀的最大量程。影響最大測量深度的因素是：影響最大測量深度的因素是： 發(fā)射功率，工作頻率，換能器效率，接收靈發(fā)射功率，工作頻率，換能器效率，接收靈敏度。敏度。 發(fā)射脈沖重復(fù)周期決定了最大測量深度，二發(fā)射脈沖重復(fù)周期決定了最大測量深度

6、，二者關(guān)系為：者關(guān)系為：chTmax2T為脈沖重復(fù)周期，為脈沖重復(fù)周期，C為設(shè)計聲速，為設(shè)計聲速，hmax為最大為最大測量深度。測量深度。航海儀器（電）15三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo)三、回聲測深儀主要技術(shù)指標(biāo) 最小測量深度：測深儀所能測到的最最小測量深度：測深儀所能測到的最小深度。小深度。 它是由發(fā)射和接收系統(tǒng)的工作質(zhì)量和參它是由發(fā)射和接收系統(tǒng)的工作質(zhì)量和參數(shù)所決定的。數(shù)所決定的。 發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度 決定了最小測量深度：決定了最小測量深度： 7502minCh航海儀器（電）16l發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)l換能器換能器l接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)l顯示系統(tǒng)顯示系統(tǒng) 航海儀器（電）17觸發(fā)器的種類：觸發(fā)器的

7、種類：機械觸發(fā)，電磁觸發(fā)，光電觸發(fā)，電子觸機械觸發(fā)，電磁觸發(fā)，光電觸發(fā)，電子觸發(fā)發(fā)一、發(fā)射系統(tǒng)一、發(fā)射系統(tǒng)航海儀器（電）18 1.分類分類從功能上分：發(fā)射，接收從功能上分：發(fā)射，接收從材料上分：從材料上分： A A .磁致伸縮換能器：磁致伸縮換能器：鎳，鎳鐵合金；鎳，鎳鐵合金； B B .電致伸縮換能器：電致伸縮換能器：鈦酸鋇，鋯鈦酸鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛極化后得到壓電陶瓷鉛極化后得到壓電陶瓷二、換能器二、換能器聲電能互相轉(zhuǎn)換的器件。聲電能互相轉(zhuǎn)換的器件。航海儀器（電）192.磁換能器的工作原理磁換能器的工作原理磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)：已磁化的鐵磁材料在磁場已磁化的鐵磁材料在磁場的作用下，沿磁力線

8、方向產(chǎn)生相應(yīng)的伸的作用下，沿磁力線方向產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮性形變的現(xiàn)象?？s性形變的現(xiàn)象。 上述現(xiàn)象稱為上述現(xiàn)象稱為正向正向磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)二、換能器二、換能器航海儀器（電）203.電換能器：電換能器：電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)：已極化的介電材料在外力已極化的介電材料在外力的作用下，沿外力方向產(chǎn)生相對伸縮性的作用下，沿外力方向產(chǎn)生相對伸縮性形變時，將引起其內(nèi)部電場強度的變化形變時，將引起其內(nèi)部電場強度的變化的上述現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)。的上述現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)。 上述現(xiàn)象稱為上述現(xiàn)象稱為正向正向電電致伸縮效應(yīng)致伸縮效應(yīng)二、換能器二、換能器航海儀器（電）214.換能器的指向性：換能器的指向性： 把

9、聲能集中在某一把聲能集中在某一方向或接收某一方向方向或接收某一方向回波最大值的特性?；夭ㄗ畲笾档奶匦?。二、換能器二、換能器航海儀器（電）22指向性圖指向性圖半擴散角：功率為零的夾角的一半。半擴散角：功率為零的夾角的一半。測深儀及聲相關(guān)計程儀測深儀及聲相關(guān)計程儀 0為為1015 。多普勒計程儀多普勒計程儀 0為為1.53 。 取決于聲波的波長和換能器發(fā)射面取決于聲波的波長和換能器發(fā)射面的幾何尺寸的幾何尺寸二、換能器二、換能器航海儀器（電）235.換能器的安裝要求換能器的安裝要求l保證船體強度和安全；保證船體強度和安全；l換能器發(fā)射面水平；換能器發(fā)射面水平；l發(fā)射面不能涂油漆；發(fā)射面不能涂油漆；l

10、導(dǎo)線要距船首導(dǎo)線要距船首12 13船長的龍骨附船長的龍骨附近；近；l屏蔽屏蔽。二、換能器二、換能器航海儀器（電）24顯示方式顯示方式機電顯示系統(tǒng)機電顯示系統(tǒng)l閃光式閃光式l記錄式記錄式電氣顯示電氣顯示系統(tǒng)l數(shù)字式數(shù)字式l指示式指示式四、顯示系統(tǒng)四、顯示系統(tǒng)航海儀器（電）25設(shè)計聲速于是幾聲速不一致引起的測設(shè)計聲速于是幾聲速不一致引起的測量誤差。量誤差。修正公式：修正公式： 一、聲速誤差一、聲速誤差00hcchw航海儀器（電）26電機的額定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速不一致引電機的額定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速不一致引起的誤差。起的誤差。修正公式：修正公式： 二、電機轉(zhuǎn)速誤差二、電機轉(zhuǎn)速誤差00hNNhw航海儀器（電）2

11、7零點信號不顯示在零米處引起的讀數(shù)零點信號不顯示在零米處引起的讀數(shù)誤差。誤差。 修正公式：修正公式： 三、零點誤差三、零點誤差chhh0航海儀器（電）28航海儀器（電）29 轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速既是發(fā)射觸發(fā)脈沖轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速既是發(fā)射觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率。顯然，對應(yīng)不同擋的重復(fù)頻率。顯然，對應(yīng)不同擋的量程，其轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是不相同的量程，其轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速是不相同的，可通過變速箱進行轉(zhuǎn)換。的，可通過變速箱進行轉(zhuǎn)換。航海儀器（電）30航海儀器（電）31航海儀器（電）32航海儀器（電）33l第一節(jié) 船用計程儀的分類 l第二節(jié) 電磁計程儀l第三節(jié) 多普勒計程儀 l第四節(jié) 聲相關(guān)計程儀航海儀器（電）34l拖曳式和轉(zhuǎn)輪式l水壓式l

12、電磁式l多普勒式l聲相關(guān)式一、計程儀的種類航海儀器（電）35相對計程儀：測量船舶相對于水的速度和航程的計程儀。絕對計程儀：測量船舶相對于地的速度和航程的計程儀。二、分類航海儀器（電）36利用電磁感應(yīng)原理來測量船舶航行時利用電磁感應(yīng)原理來測量船舶航行時對水的速度，并累計航程的計程儀。對水的速度，并累計航程的計程儀。 一、定義一、定義 它是一種相對計程儀它是一種相對計程儀航海儀器（電）371.傳感器：傳感器：是將船舶相對于水流的是將船舶相對于水流的速度信息轉(zhuǎn)變成與該速度速度信息轉(zhuǎn)變成與該速度成正比的電壓或電流信號成正比的電壓或電流信號的器件。的器件。二、組成二、組成放大放大器器傳感傳感器器航航速速

13、指示指示器器200p/n miles航海儀器（電）38二、組成二、組成放大放大器器傳感傳感器器航航速速指示指示器器200p/n miles2 . 放大器：放大器： 放大航速信號，輸放大航速信號，輸 出出 一個與航速成正比的直流信一個與航速成正比的直流信 號，送航速表指示相應(yīng)的航速。號，送航速表指示相應(yīng)的航速。 航海儀器（電）39二、組成二、組成放大放大器器傳感傳感器器航航速速指示指示器器200p/n miles3 .指示器：指示器： 顯示航速和航程；顯示航速和航程；指示器還具有指示器還具有200HZ/n mail航速脈航速脈沖的標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，可輸至真運沖的標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，可輸至真運動雷達和動雷達

14、和ARPA等其它導(dǎo)航儀器。等其它導(dǎo)航儀器。 航海儀器（電）40l 種類：種類：平面式平面式導(dǎo)桿式導(dǎo)桿式三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理航海儀器（電）41l結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：l原理：原理：三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理cosBlVEg航海儀器（電）42三、傳感器工作原理三、傳感器工作原理cosBlVEg 兩電極之間兩電極之間產(chǎn)生的感應(yīng)電產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：壓為：航海儀器（電）43l單波束多普勒計程儀的測速與單波束多普勒計程儀的測速與計程原理，存在的問題。計程原理，存在的問題。l雙波束多普勒計程儀的測速與雙波束多普勒計程儀的測速與計程原理。計程原理。l多普勒計程儀性能指標(biāo)；安裝多普勒計程儀性能指標(biāo)

15、；安裝與使用注意事項。與使用注意事項。l誤差及其消除方法。誤差及其消除方法。 航海儀器（電）44一、定義：一、定義：l利用多普勒效應(yīng)原理制成的一種精密的利用多普勒效應(yīng)原理制成的一種精密的測量船速和累計航程的水聲導(dǎo)航儀器。測量船速和累計航程的水聲導(dǎo)航儀器。l它能夠測量船舶相對海底的絕對速度。它能夠測量船舶相對海底的絕對速度。航海儀器（電）45二、多普勒效應(yīng)：二、多普勒效應(yīng)：l 在聲源和接收者間有相對運在聲源和接收者間有相對運動時，接收者收到的頻率與聲源動時，接收者收到的頻率與聲源發(fā)射頻率不同的現(xiàn)象叫發(fā)射頻率不同的現(xiàn)象叫多普勒效多普勒效應(yīng)應(yīng)。 航海儀器（電）46二、多普勒效應(yīng)：二、多普勒效應(yīng)：l

16、兩者相互靠近時，接受到的兩者相互靠近時，接受到的頻率將升高頻率將升高。l 兩者相互離開時，接受到的兩者相互離開時，接受到的頻率將降低頻率將降低。航海儀器（電）47三、多普勒頻移三、多普勒頻移l接收頻率接收頻率fr與發(fā)射頻率與發(fā)射頻率f0的差值。的差值。l多普勒頻移的大小：多普勒頻移的大?。?fffr航海儀器（電）48三、多普勒頻移三、多普勒頻移l 同時多普勒頻移同時多普勒頻移f 的大小與的大小與聲源頻率聲源頻率f0 、聲源在介質(zhì)中的傳、聲源在介質(zhì)中的傳播速度播速度C和聲源與接收點之間的和聲源與接收點之間的相對運動速度相對運動速度V有關(guān)：有關(guān)：l f = V/C f0航海儀器（電）49四、單波束

17、多普勒計程儀四、單波束多普勒計程儀f0vvcos航海儀器（電）50四、單波束多普勒計程儀四、單波束多普勒計程儀其中：其中：f0 為發(fā)射頻率為發(fā)射頻率 v 為聲源或接收者運動速度為聲源或接收者運動速度 運動方向與聲波傳播方運動方向與聲波傳播方 向的夾角向的夾角 c 聲速聲速cvffcos20f0vvcos航海儀器（電）51五、雙波束多普勒計程儀五、雙波束多普勒計程儀1.單波束多普勒計程儀存單波束多普勒計程儀存在的問題在的問題:航海儀器（電）52l非線性誤差非線性誤差 33220cos2cos2cos21cvcvcvffrcos2cos21000cvffcvffrcos200cvffffr航海儀器

18、（電）53l船舶搖擺與顛簸船舶搖擺與顛簸f0vvcosuusin航海儀器（電）54l船舶顛簸船舶顛簸f0vvcosuusincuvffsincos20航海儀器（電）55l船舶搖擺船舶搖擺cvffcos20f0vvcosuusin航海儀器（電）56l雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點 五、雙波束多普勒計程儀五、雙波束多普勒計程儀f0v航海儀器（電）57l雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點 f0vcfvcvfcvffffAF000cos4cos2cos2航海儀器（電）58l雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點 f0vuusinusincvfcuvfcuvffcos4sincos2sincos2000航海儀器（電）59l雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點雙波束多普勒計程儀的優(yōu)點 coscos40cvff航海儀器（電）60六、多波束多普勒計程儀六、多波束多普勒計程儀一元多普勒計程儀：一元多普勒計程儀： 雙波束，用于導(dǎo)航，通稱多普雙波束，用于導(dǎo)航，通稱多普勒計程儀。勒計程儀。f0v航海儀器（電）61六、多波束多普勒計六、多波束多普勒計程儀程儀二元多普勒計程儀：二元多普勒計程儀： 四波束，用于推四波束，用于推算船位，通稱多普勒算船位，通稱多普勒導(dǎo)航儀。導(dǎo)航儀。航海儀器（電）62六、多波束多普勒計程儀六、多波束多普勒計程儀三元多普