超聲波測(cè)深儀的原理及應(yīng)用.ppt

1、回聲儀的原理及應(yīng)用,一、水下超聲技術(shù)術(shù)語,1、水聲學(xué)Underwater acoustics,研究水中聲波的發(fā)生、傳播、接收和以聲波為載體實(shí)現(xiàn)水下信息傳遞的科學(xué)技術(shù)。,2、聲功率Sound Power,單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的聲能,3、聲反射Acoustic Reflection,聲波入射到兩種媒質(zhì)之間的分界面上引起褶回的過程,4、聲折射 Acoustic Refraction,因媒質(zhì)中聲速的空間變化而引起的聲波傳播方向改變的過程。,5、聲透射 Acoustic Transmission,聲波穿過媒質(zhì)之間的界面或媒質(zhì)層的現(xiàn)象。,6、聲散射 Acoustic Scattering,聲波遇到障礙物

2、時(shí)朝多方向不規(guī)則的反射、折射或反射。,7、聲衍射 Acoustic Diffraction,聲波遇到障礙物或其他不連續(xù)性媒質(zhì)而引起波陣面畸變的現(xiàn)象。,8、聲干涉 Acoustic Interference,頻率相同或相近的聲波在同一聲場(chǎng)區(qū)域內(nèi)傳播時(shí)疊加所出現(xiàn)的聲場(chǎng)現(xiàn)象。,9、聲衰減 Acoustic Attenuation,聲波在媒質(zhì)內(nèi)傳播過程中，聲能減少、聲強(qiáng)減弱的現(xiàn)象。,10、聲吸收 Acoustic Absorption,聲波在媒質(zhì)內(nèi)傳播過程中，部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能或其他分子能量的現(xiàn)象。,11、聲束（波束）Sound Beam,由于聲源具有指向性而在某個(gè)方向上形成集中發(fā)射的束狀超聲波。,1

3、2、等溫層Isothermal Layer,深水中溫度不隨深度變化的水層。,13、溫躍層Thermalcline,深水中溫度隨深度變化劇烈的水層。,14、聲速剖面Sound Velocity Profile,聲速隨水深變化的曲線。 （返回聲速）,15、海洋噪聲Sea Noise,由于自然原因，如波浪、湍流、熱擾動(dòng)等在海洋中引起的噪聲。,16、海洋環(huán)境噪聲Ambient Noise of the Sea,在海洋中，由水聽器接收到的除測(cè)試儀器本身噪聲以外的噪聲。,17、海洋混響Marine Reverberation,由于聲波傳播過程中在起伏海面、不平整海底及海水媒質(zhì)內(nèi)部不均勻體上的反向散射在接收

4、點(diǎn)所收到的信號(hào)。分為海面混響、海底混響和體積混響。,18、水聲工程Underwater Acoustic Engineering,根據(jù)水聲理論，研究和設(shè)計(jì)聲納及其他水聲設(shè)備的工程科學(xué)技術(shù)。,19、水聲設(shè)備Underwater Acoustic Equipment,利用聲波作為信息載體的水下探測(cè)、導(dǎo)航、通訊等設(shè)備以及服務(wù)于水聲研究和應(yīng)用的專用設(shè)備。,20、聲納Sonar,是Sound Navigation and Ranging（聲導(dǎo)航與測(cè)距）的縮寫?，F(xiàn)指利用水聲技術(shù)測(cè)定海水中物體的存在、方向、位置和性質(zhì)的設(shè)備。按其工作方式可分為主動(dòng)聲納（有源）和被動(dòng)（無源）聲納。,21、水聲換能器Underw

5、ater Sound Transducer,將電能轉(zhuǎn)換為聲能向水中輻射，或?qū)⒔邮盏乃曅盘?hào)轉(zhuǎn)換成電能信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的器件。,22、換能器陣Transducer Array,將一定數(shù)量的換能器按某種方式排列組成的基陣。,23、水聽器Hydrophone,又稱水聲接收機(jī)（Underwater Sound Receiver），即用來接收水聲信號(hào)的換能器。,24、多波束聲納Multi-Beam Sounder,具有多個(gè)波束能同時(shí)觀測(cè)多點(diǎn)方位的聲納。,25、測(cè)深儀Fathometer,利用水底對(duì)聲波的反射以測(cè)定水深的設(shè)備。,26、淺層剖面儀Sub-Botton Profiler,利用水底地層特性的不連續(xù)性

6、，記錄聲波在各層界面上的反射，繪制地層剖面圖的設(shè)備。,27、多普勒效應(yīng)Doppler Effect,聲波在傳播過程中因聲源與觀察點(diǎn)間的有效傳播距離隨時(shí)間改變而引起的觀察到的聲波頻率有所改變的現(xiàn)象。,二、水聲學(xué)簡(jiǎn)介,水聲學(xué)是近代聲學(xué)一個(gè)很重要的分支，他是研究水中聲波的發(fā)生、傳播、接收規(guī)律的科學(xué)。 聲波作為一種波，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合波動(dòng)理論。具有反射、折射、透射、散射、衍射（繞射）、干涉和多普勒效應(yīng)等現(xiàn)象。 作為聲波的傳播通道，水體及其邊界具有十分復(fù)雜和多變的特性，這就使得聲波在水中的傳播也十分復(fù)雜和多變。,1、概述：,2、聲納：,聲納原意為用聲音進(jìn)行水下定位導(dǎo)航和測(cè)距。今天聲納這個(gè)詞的含義已超出原來

7、的定義，泛指水聲儀器。它是伴隨著軍事目的而發(fā)展起來的，用于民用是從二戰(zhàn)后，伴隨著海洋、水利資源的開發(fā)而發(fā)展，使用范圍日漸擴(kuò)大，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V。,3、水中聲速：,回聲儀通過測(cè)量超聲波以已知速度，從一個(gè)已知點(diǎn)（測(cè)船）到反射表面（水底）并返回所需的傳播時(shí)間來測(cè)定水深的。為了準(zhǔn)確的測(cè)量水深，必須確定正確的聲速，而聲速主要和水的鹽度、溫度和深度有關(guān)。（見聲速剖面）,由于淡水河流沒有鹽度且水深較淺，故測(cè)量時(shí)一般只考慮溫度對(duì)聲速的影響。下面是淡水中聲速經(jīng)驗(yàn)公式和關(guān)系曲線。 V=1410+4.21C-0.037C2,4、聲波在水中的傳播,水體及其邊界形成了極其復(fù)雜的聲音傳播媒體。從下頁的圖3中可以看出水體及其邊

8、界和水中各種物體對(duì)聲波的影響。 聲波在水體中傳播時(shí)，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而減弱的現(xiàn)象稱為衰減。按其原因可將衰減分為三類：擴(kuò)散衰減、吸收衰減和散射衰減。,3,4、1、擴(kuò)散衰減,擴(kuò)散衰減指聲波傳播中因波陣面的面積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強(qiáng)減弱的現(xiàn)象。由于測(cè)深儀的聲源輻射為球面波，故其聲強(qiáng)是隨傳播距離的平方而減少的。一般情況下傳播距離每增加一倍，則聲強(qiáng)損失6dB。 測(cè)深儀接收到的聲波其傳播距離實(shí)際上是水深的兩倍，衰減很大，通常接收機(jī)都設(shè)有時(shí)間增益控制（Time Varied Gain簡(jiǎn)稱TVG）電路來補(bǔ)償信號(hào)的擴(kuò)散衰減。,4、2、吸收衰減,聲波的吸收衰減來自兩方面：水體和海底。水體的吸收衰減主要原因是水分子粘

9、滯性和熱傳導(dǎo)性。分子方面，吸收主要與頻率有關(guān)。例如：在高頻 500KHz時(shí)，水體的吸收衰減為 0.14dB/米；而頻率降低到50Hz時(shí)，衰減只有0.014dB/米。當(dāng)選擇一個(gè)換能器時(shí)，主要應(yīng)滿足指定的深度標(biāo)準(zhǔn)。圖4顯示了相對(duì)于頻率的衰減損失。,圖4,從海底返回的聲波強(qiáng)度通常會(huì)衰減很多，其中部分損失是由于散射造成的。但主要是由于部分聲波進(jìn)入新的介質(zhì)或傳入海底直到完全被吸收。由于海底類型、聲音的頻率及聲音與海底作用角度的不同使得這種強(qiáng)度損失程度也有極大的不同?？偟膿p失從10dB到40dB不等。硬質(zhì)海底（結(jié)實(shí)的沙底、突出的巖石）損失較少，軟質(zhì)海底（泥、沉沙）會(huì)引起非常大的聲能損失。因此，在回聲測(cè)深儀

10、設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)如此大的信號(hào)變化范圍進(jìn)行補(bǔ)償。,4、3、散射衰減,這是聲波在水體中傳播時(shí)，因碰到另外一種媒質(zhì)組成的障礙物（如泥沙、氣泡、微生物以及溫變層等）而向不同方向產(chǎn)生散射（或稱亂反射），從而導(dǎo)致聲波減弱的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為散射衰減。散射衰減也很復(fù)雜，它既與水體的性質(zhì)、狀況有關(guān)，又與障礙物的性質(zhì)、形狀、尺寸及數(shù)目有關(guān)。一般說來，泥沙的散射系數(shù)，在半徑一定時(shí)，與頻率的4次方成正比；而在頻率一定時(shí)，與半徑的6次方成正比。 極端情況下，散射的回波可到達(dá)接收機(jī)內(nèi)，形成干擾，所以，一般測(cè)深儀內(nèi)都設(shè)有門限（GATE）電路，通過調(diào)整門限，將非水底造成的回波拒之門外。,總之，水體及其邊界、水中的懸浮物構(gòu)成了極其復(fù)雜

11、的聲音傳播媒體。除了各種衰減因素外，在淺水測(cè)深時(shí)，還要考慮多次回波的影響。在設(shè)計(jì)和選擇測(cè)深儀時(shí)，除采取電路措施外，更主要的還是要選擇合適的頻率，一般對(duì)于深水、渾水、軟底的水域測(cè)深，應(yīng)選用低頻（低于50KHz）大功率的回聲測(cè)深儀。但頻率越低，精度越底，其換能器的體積越大，波束角也越大，體積越笨重，造價(jià)也越高。所以，對(duì)于較淺的清水硬底水域測(cè)深，可選用高頻（200KHz）測(cè)深儀。目前，國(guó)外一些大的水深設(shè)備制造廠商均有雙頻測(cè)深儀，以滿足多種水域測(cè)深的需要。,5、噪聲,噪聲是一種不需要的聲音，他能干擾回聲儀的正常運(yùn)行，噪聲不是發(fā)射聲脈沖產(chǎn)生的，而是來自船體和水中的噪聲源。噪聲可分為自生噪聲和環(huán)境噪聲。

12、對(duì)噪聲的分析可知道我們正確選擇儀器的安裝位置和使用方式，當(dāng)然也有利于我們?cè)O(shè)計(jì)和使用儀器內(nèi)部的各種濾波器來消除各種噪聲的干擾。,5、1、自生噪聲,自生噪音由船上發(fā)聲部件、電器和換能器周圍的湍流，包括水流和氣泡引起的噪音。 機(jī)械噪音和其他聲納系統(tǒng)是船上自生噪音的主要成分。 水流和氣泡也會(huì)產(chǎn)生噪聲。 空化是由于換能器表面的靜壓減少到使水達(dá)到“沸騰 ”的現(xiàn)象，這也是一種噪聲源。 以上分析可指導(dǎo)我們選擇換能器合適的安裝位置和正確安裝方式。,5、2、環(huán)境噪聲,環(huán)境噪聲是自然或人類活動(dòng)引起的。從回聲測(cè)深角度來看，明顯的噪音源包括水動(dòng)力噪聲、海洋交通和發(fā)聲生物。 水動(dòng)力噪音來自自然現(xiàn)象，例如：風(fēng)、波、雨或水流

13、。 海洋交通噪音取決于船只的數(shù)量、噪音源的遠(yuǎn)近和海水熱變及狀態(tài)造成的水流傳播條件。 生物噪音產(chǎn)生者包括海洋生物，例如蝦、魚和鯨。 對(duì)環(huán)境噪聲的分析可指導(dǎo)我們?cè)谑褂没芈晝x的時(shí)候要盡量避開這些噪聲源。,三、回聲儀的原理,1、儀器的工作原理,所謂回聲儀就是利用回聲法測(cè)量水深的儀器，及由超聲波換能器發(fā)射出具有一定脈寬、一定能量的聲脈沖，聲波經(jīng)水底反射后再由換能器接收到回波，儀器根據(jù)聲波往返的時(shí)間及水中聲速換算出水深。及： H=VT/2 其中H：水深；V：水中聲速；T：聲波在水體內(nèi)往返的時(shí)間。,2、回聲儀的組成,發(fā)射機(jī)：產(chǎn)生聲脈沖。 接收機(jī)：將回波信號(hào)放大整形。 控制器：控制采樣速度，運(yùn)算，顯示。 換能

14、器：電-聲轉(zhuǎn)換。 其他：A/D轉(zhuǎn)換器等。,RS232口,3、儀器工 作時(shí)序圖,6,4、換能器,換能器是回聲儀的關(guān)鍵部件，它的優(yōu)劣直接影響儀器的整體性能。 振子一般為壓電陶瓷。 換能器的振動(dòng)模式：一般為縱向振動(dòng)。 換能器的輸入阻抗：阻抗匹配合適可獲得最大的輸出功率。 換能器的效率：機(jī)-電，機(jī)-聲，電-聲。,圖7、某換能器的指向性圖,波束寬度（開角）：在指向性圖-3dB處測(cè)得，波束角越小越能辨別出小的物體。其抗干擾能力也越強(qiáng)。 主副瓣比越大效率越高，抗干擾能力越強(qiáng)。 指向性是衡量換能器抑制外部聲源噪音的能力。,四、常見回聲測(cè)深儀及其應(yīng)用,回聲測(cè)深儀簡(jiǎn)介,一、美國(guó)SyQwest系列回聲測(cè)深儀、剖面儀

15、,美國(guó)SyQwest公司簡(jiǎn)介,美國(guó)SyQwest公司（Ocean Data Equipment Corporation ）是全球最大的專業(yè)測(cè)深儀生產(chǎn)廠之一，有近30年生產(chǎn)歷史。產(chǎn)品品種齊全，形式多樣，行銷世界各地。SyQwest公司也是英、美海軍在美國(guó)和歐洲選定的12家水聲設(shè)備供應(yīng)商之一，詳情查詢海軍技術(shù)網(wǎng)站 http:/www.naval-,1、Bathy-500系列,Bathy-500系列回聲測(cè)深儀包括Bathy-500MF（可選）多頻測(cè)深儀和Bathy-500DF雙頻測(cè)深儀。該儀器采用神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，全數(shù)字化操作，自帶熱敏打印記錄儀，可選配內(nèi)置DGPS。具有操作簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，精度高等優(yōu)點(diǎn)，

16、主要用于水庫(kù)、河道和近海的精密水深測(cè)量，尤其適用于水文測(cè)驗(yàn)。,特點(diǎn)：,主要性能指標(biāo)：,1測(cè)深范圍：0.5640m 分辨率：0.1m 精度：0.5% 工作頻率：33KHz，40KHz，50KHz，200KHz或（僅Bathy-500DF）33/210KHz，50/210KHz 聲脈沖功率：最大600W 圖形記錄：熱敏打印 數(shù)據(jù)接口：RS-232或RS-422，兼容Hypack和Hydro系統(tǒng) 電源：1130VDC，115/230VAC，20W 尺寸、重量：高寬深=4844.523cm3，16（包括一只200 KHz換能器）,2、Bathy-1500大功率雙頻回聲測(cè)深儀,特點(diǎn)：,Bathy-150

17、0雙頻回聲測(cè)深儀具有最大2000W的輸出功率，最大測(cè)深可達(dá)2000米（采用12KHz換能器），同時(shí)保證較高的精度和分辨率。該產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)際航道組織（IHO）之相關(guān)規(guī)定，其P02595鐘形換能器罩獲Lloyd和DNV認(rèn)證 。它采用高分辨率的液晶顯示器，極易掌握的鍵盤輸入設(shè)置，其內(nèi)置的Flash存儲(chǔ)器可記錄8個(gè)小時(shí)的定位、水深數(shù)據(jù)和150分鐘的回聲圖?？蛇x配遠(yuǎn)程顯示器。該儀器尤適用于大型水庫(kù)及深海地形測(cè)量之用。,外接升沉傳感器可大大提高測(cè)深精度。,主要性能指標(biāo)：,測(cè)深范圍：0.52000m 分辨率：100m以下1cm，100m以上10cm， 精度：040m：2.5cm，40m200m：

18、5cm， 200m以上10cm 工作頻率：下列單頻或雙頻：12KHz，24KHz，33KHz，40KHz，100KHz，200KHz 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器，外置硬盤存儲(chǔ)器 顯示：640480點(diǎn)陣，16級(jí)灰度，液晶顯示器 輸出：RS232或RS422，TDU系列熱敏打印機(jī)接口 輸入：COM1單向輸入口，COM2雙向口 電源：115/230VDC，60W 尺寸、重量：寬高深=39.4cm29.21cm21.59cm，10.7,3、IES-10導(dǎo)航測(cè)深儀,特點(diǎn),IES-10助航回聲測(cè)深儀符合IMO（國(guó)際氣象組織）A224（VII）條款之規(guī)定，主要用于商船、軍艦和潛艇的導(dǎo)航系統(tǒng)。 選配2KW功率