超声波测深仪的原理及应用课件

回声仪的

原理及应用回声仪的

原理及应用1一、水下超声技术术语一、水下超声技术术语21、水声学

Underwateracoustics

研究水中声波的发生、传播、接收和以声波为载体实现水下信息传递的科学技术。1、水声学

Underwateracoustics32、声功率

SoundPower单位时间内通过某一面积的声能2、声功率

SoundPower单位时间内通过某一面积的声43、声反射

AcousticReflection声波入射到两种媒质之间的分界面上引起褶回的过程3、声反射

AcousticReflection54、声折射

AcousticRefraction因媒质中声速的空间变化而引起的声波传播方向改变的过程。4、声折射

AcousticRefraction65、声透射

AcousticTransmission

声波穿过媒质之间的界面或媒质层的现象。5、声透射

AcousticTransmission76、声散射

AcousticScattering

声波遇到障碍物时朝多方向不规则的反射、折射或反射。6、声散射

AcousticScattering87、声衍射

AcousticDiffraction声波遇到障碍物或其他不连续性媒质而引起波阵面畸变的现象。7、声衍射

AcousticDiffraction98、声干涉

AcousticInterference频率相同或相近的声波在同一声场区域内传播时叠加所出现的声场现象。8、声干涉

AcousticInterference109、声衰减

AcousticAttenuation声波在媒质内传播过程中，声能减少、声强减弱的现象。9、声衰减

AcousticAttenuation1110、声吸收

AcousticAbsorption声波在媒质内传播过程中，部分声能转化为热能或其他分子能量的现象。10、声吸收

AcousticAbsorption1211、声束（波束）

SoundBeam

由于声源具有指向性而在某个方向上形成集中发射的束状超声波。11、声束（波束）

SoundBeam由于1312、等温层

IsothermalLayer深水中温度不随深度变化的水层。12、等温层

IsothermalLayer深水1413、温跃层

Thermalcline深水中温度随深度变化剧烈的水层。13、温跃层

Thermalcline深水中温度随深度变化剧1514、声速剖面

SoundVelocityProfile声速随水深变化的曲线。

（返回声速）14、声速剖面

SoundVelocityProfile1615、海洋噪声

SeaNoise由于自然原因，如波浪、湍流、热扰动等在海洋中引起的噪声。15、海洋噪声

SeaNoise由于自然原1716、海洋环境噪声

AmbientNoiseoftheSea

在海洋中，由水听器接收到的除测试仪器本身噪声以外的噪声。16、海洋环境噪声

AmbientNoiseofthe1817、海洋混响

MarineReverberation由于声波传播过程中在起伏海面、不平整海底及海水媒质内部不均匀体上的反向散射在接收点所收到的信号。分为海面混响、海底混响和体积混响。17、海洋混响

MarineReverberation1918、水声工程

UnderwaterAcousticEngineering

根据水声理论，研究和设计声纳及其他水声设备的工程科学技术。18、水声工程

UnderwaterAcousticEn2019、水声设备

UnderwaterAcoustic

Equipment利用声波作为信息载体的水下探测、导航、通讯等设备以及服务于水声研究和应用的专用设备。19、水声设备

UnderwaterAcoustic

E2120、声纳

Sonar是SoundNavigationandRanging（声导航与测距）的缩写。现指利用水声技术测定海水中物体的存在、方向、位置和性质的设备。按其工作方式可分为主动声纳（有源）和被动（无源）声纳。20、声纳

Sonar是SoundNavi2221、水声换能器

UnderwaterSoundTransducer

将电能转换为声能向水中辐射，或将接收的水声信号转换成电能信号进行检测的器件。21、水声换能器

UnderwaterSoundTran2322、换能器阵

TransducerArray

将一定数量的换能器按某种方式排列组成的基阵。22、换能器阵

TransducerArray2423、水听器

Hydrophone又称水声接收机（UnderwaterSoundReceiver），即用来接收水声信号的换能器。23、水听器

Hydrophone又称水声接2524、多波束声纳

Multi-BeamSounder具有多个波束能同时观测多点方位的声纳。24、多波束声纳

Multi-BeamSounder2625、测深仪

Fathometer

利用水底对声波的反射以测定水深的设备。25、测深仪

Fathometer利用水底对2726、浅层剖面仪

Sub-BottonProfiler利用水底地层特性的不连续性，记录声波在各层界面上的反射，绘制地层剖面图的设备。26、浅层剖面仪

Sub-BottonProfiler2827、多普勒效应

DopplerEffect声波在传播过程中因声源与观察点间的有效传播距离随时间改变而引起的观察到的声波频率有所改变的现象。27、多普勒效应

DopplerEffect29二、水声学简介二、水声学简介30水声学是近代声学一个很重要的分支，他是研究水中声波的发生、传播、接收规律的科学。声波作为一种波，其运动规律符合波动理论。具有反射、折射、透射、散射、衍射（绕射）、干涉和多普勒效应等现象。作为声波的传播通道，水体及其边界具有十分复杂和多变的特性，这就使得声波在水中的传播也十分复杂和多变。1、概述：水声学是近代声学一个很重要的分支，他是研究水中声波的发生、传312、声纳：声纳原意为用声音进行水下定位导航和测距。今天声纳这个词的含义已超出原来的定义，泛指水声仪器。它是伴随着军事目的而发展起来的，用于民用是从二战后，伴随着海洋、水利资源的开发而发展，使用范围日渐扩大，应用领域宽广。2、声纳：声纳原意为用声音进行水下定位导航和323、水中声速：回声仪通过测量超声波以已知速度，从一个已知点（测船）到反射表面（水底）并返回所需的传播时间来测定水深的。为了准确的测量水深，必须确定正确的声速，而声速主要和水的盐度、温度和深度有关。（见声速剖面）

3、水中声速：回声仪通过测量超声波以已33由于淡水河流没有盐度且水深较浅，故测量时一般只考虑温度对声速的影响。下面是淡水中声速经验公式和关系曲线。V=1410+4.21C-0.037C2

由于淡水河流没有盐度且水深较浅，故测344、声波在水中的传播水体及其边界形成了极其复杂的声音传播媒体。从下页的图3中可以看出水体及其边界和水中各种物体对声波的影响。声波在水体中传播时，其强度随传播距离的增加而减弱的现象称为衰减。按其原因可将衰减分为三类：扩散衰减、吸收衰减和散射衰减。

4、声波在水中的传播水体及其边界形成了极其复杂的声3533364、1、扩散衰减扩散衰减指声波传播中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱的现象。由于测深仪的声源辐射为球面波，故其声强是随传播距离的平方而减少的。一般情况下传播距离每增加一倍，则声强损失6dB。

测深仪接收到的声波其传播距离实际上是水深的两倍，衰减很大，通常接收机都设有时间增益控制（TimeVariedGain简称TVG）电路来补偿信号的扩散衰减。4、1、扩散衰减扩散衰减指声波传播中因374、2、吸收衰减声波的吸收衰减来自两方面：水体和海底。水体的吸收衰减主要原因是水分子粘滞性和热传导性。分子方面，吸收主要与频率有关。例如：在高频500KHz时，水体的吸收衰减为0.14dB/米；而频率降低到50Hz时，衰减只有0.014dB/米。当选择一个换能器时，主要应满足指定的深度标准。图4显示了相对于频率的衰减损失。4、2、吸收衰减声波的吸收衰减来自两38图4图439从海底返回的声波强度通常会衰减很多，其中部分损失是由于散射造成的。但主要是由于部分声波进入新的介质或传入海底直到完全被吸收。由于海底类型、声音的频率及声音与海底作用角度的不同使得这种强度损失程度也有极大的不同。总的损失从10dB到40dB不等。硬质海底（结实的沙底、突出的岩石）损失较少，软质海底（泥、沉沙）会引起非常大的声能损失。因此，在回声测深仪设计时，要对如此大的信号变化范围进行补偿。从海底返回的声波强度通常会衰减很多，其404、3、散射衰减这是声波在水体中传播时，因碰到另外一种媒质组成的障碍物（如泥沙、气泡、微生物以及温变层等）而向不同方向产生散射（或称乱反射），从而导致声波减弱的现象，统称为散射衰减。散射衰减也很复杂，它既与水体的性质、状况有关，又与障碍物的性质、形状、尺寸及数目有关。一般说来，泥沙的散射系数，在半径一定时，与频率的4次方成正比；而在频率一定时，与半径的6次方成正比。极端情况下，散射的回波可到达接收机内，形成干扰，所以，一般测深仪内都设有门限（GATE）电路，通过调整门限，将非水底造成的回波拒之门外。4、3、散射衰减这是声波在水体中传播时41总之，水体及其边界、水中的悬浮物构成了极其复杂的声音传播媒体。除了各种衰减因素外，在浅水测深时，还要考虑多次回波的影响。在设计和选择测深仪时，除采取电路措施外，更主要的还是要选择合适的频率，一般对于深水、浑水、软底的水域测深，应选用低频（低于50KHz）大功率的回声测深仪。但频率越低，精度越底，其换能器的体积越大，波束角也越大，体积越笨重，造价也越高。所以，对于较浅的清水硬底水域测深，可选用高频（200KHz）测深仪。目前，国外一些大的水深设备制造厂商均有双频测深仪，以满足多种水域测深的需要。总之，水体及其边界、水中的悬浮物构成了极其复杂的425、噪声噪声是一种不需要的声音，他能干扰回声仪的正常运行，噪声不是发射声脉冲产生的，而是来自船体和水中的噪声源。噪声可分为自生噪声和环境噪声。对噪声的分析可知道我们正确选择仪器的安装位置和使用方式，当然也有利于我们设计和使用仪器内部的各种滤波器来消除各种噪声的干扰。

5、噪声噪声是一种不需要的声音，他能435、1、自生噪声自生噪音由船上发声部件、电器和换能器周围的湍流，包括水流和气泡引起的噪音。

机械噪音和其他声纳系统是船上自生噪音的主要成分。

水流和气泡也会产生噪声。空化是由于换能器表面的静压减少到使水达到“沸腾”的现象，这也是一种噪声源。以上分析可指导我们选择换能器合适的安装位置和正确安装方式。5、1、自生噪声自生噪音由船上发声部件、电器和换能器周围的湍445、2、环境噪声环境噪声是自然或人类活动引起的。从回声测深角度来看，明显的噪音源包括水动力噪声、海洋交通和发声生物。水动力噪音来自自然现象，例如：风、波、雨或水流。海洋交通噪音取决于船只的数量、噪音源的远近和海水热变及状态造成的水流传播条件。生物噪音产生者包括海洋生物，例如虾、鱼和鲸。对环境噪声的分析可指导我们在使用回声仪的时候要尽量避开这些噪声源。5、2、环境噪声环境噪声是自然或人类活动引起的。从回声测深角45三、回声仪的原理三、回声仪的原理461、仪器的工作原理所谓回声仪就是利用回声法测量水深的仪器，及由超声波换能器发射出具有一定脉宽、一定能量的声脉冲，声波经水底反射后再由换能器接收到回波，仪器根据声波往返的时间及水中声速换算出水深。及：H=VT/2其中H：水深；V：水中声速；T：声波在水体内往返的时间。

1、仪器的工作原理所谓回声仪就是利用回声法472、回声仪的组成发射机：产生声脉冲。接收机：将回波信号放大整形。控制器：控制采样速度，运算，显示。换能器：电-声转换。其他：A/D转换器等。2、回声仪的组成发射机：产生声脉冲。48RS232口超声频率振荡器调制产生脉冲发射驱动隔离电路选频放大AGC调整检波A/D转换器换能器单片机图5、回声仪原理框图发射单元TVG显示器键盘接收单元RS232口超声频率调制产生发射驱动隔离电路选频AGC调整检493、仪器工

作时序图63、仪器工

作时序图6504、换能器换能器是回声仪的关键部件，它的优劣直接影响仪器的整体性能。振子一般为压电陶瓷。换能器的振动模式：一般为纵向振动。换能器的输入阻抗：阻抗匹配合适可获得最大的输出功率。换能器的效率：机-电，机-声，电-声。4、换能器换能器是回声仪的关键部件，它的优劣直接影响仪器的整51图7、某换能器的指向性图波束宽度（开角）：在指向性图-3dB处测得，波束角越小越能辨别出小的物体。其抗干扰能力也越强。主副瓣比越大效率越高，抗干扰能力越强。指向性是衡量换能器抑制外部声源噪音的能力。

15d-3dB图7、某换能器的指向性图波束宽度（开角）：在指向性图-3dB52四、常见回声测深仪及其应用四、常见回声测深仪及其应用53回声测深仪简介回声测深仪简介54一、美国SyQwest系列

回声测深仪、剖面仪一、美国SyQwest系列

回声测深仪、剖面仪www.syq55美国SyQwest公司简介美国SyQwest公司简介56美国SyQwest公司（OceanDataEquipmentCorporation）是全球最大的专业测深仪生产厂之一，有近30年生产历史。产品品种齐全，形式多样，行销世界各地。SyQwest公司也是英、美海军在美国和欧洲选定的12家水声设备供应商之一，详情查询海军技术网站

美国SyQwest公司（Ocean571、Bathy-500系列Bathy-500DFBathy-500MF200KHz200/33KHz1、Bathy-500系列Bathy-500D58

Bathy-500系列回声测深仪包括Bathy-500MF（可选）多频测深仪和Bathy-500DF双频测深仪。该仪器采用神经元结构，全数字化操作，自带热敏打印记录仪，可选配内置DGPS。具有操作简单，工作稳定，精度高等优点，主要用于水库、河道和近海的精密水深测量，尤其适用于水文测验。

特点： Bathy-500系列回声测深仪包括Ba59主要性能指标：1测深范围： 0.5~640m分辨率： 0.1m精度： ±0.5%工作频率：33KHz，40KHz，50KHz，200KHz或（仅Bathy-500DF）33/210KHz，50/210KHz声脉冲功率： 最大600W图形记录： 热敏打印数据接口： RS-232或RS-422，兼容 Hypack™和Hydro™系统电源： 11~30VDC，115/230VAC，20W尺寸、重量： 高×宽×深=48×44.5×23cm3， 16㎏（包括一只200KHz换能器）主要性能指标：1测深范围： 0.5~640m602、Bathy-1500大功率

双频回声测深仪2、Bathy-1500大功率

双频回声测深仪61特点：Bathy-1500双频回声测深仪具有最大2000W的输出功率，最大测深可达2000米（采用12KHz换能器），同时保证较高的精度和分辨率。该产品的各项技术指标符合国际航道组织（IHO）之相关规定，其P02595钟形换能器罩获Lloyd和DNV认证。它采用高分辨率的液晶显示器，极易掌握的键盘输入设置，其内置的Flash存储器可记录8个小时的定位、水深数据和150分钟的回声图。可选配远程显示器。该仪器尤适用于大型水库及深海地形测量之用。特点：Bathy-1500双频回声测62外接升沉传感器可大大提高测深精度。外接升沉传感器可大大提高测深精度。63主要性能指标：测深范围：0.5~2000m分辨率：100m以下1cm，100m以上10cm，精度： 0~40m：±2.5cm，40m~200m：±5cm， 200m以上±10cm工作频率： 下列单频或双频：12KHz，24KHz， 33KHz，40KHz，100KHz，200KHz数据存储：内置Flash存储器，外置硬盘存储器显示：640×480点阵，16级灰度，液晶显示器输出：RS232或RS422，TDU系列热敏打印机接口输入：COM1单向输入口，COM2双向口电源：115/230VDC，60W尺寸、重量：

宽×高×深=39.4cm×29.21cm×21.59cm，10.7㎏

主要性能指标：测深范围：0.5~2000m643、IES-10导航测深仪3、IES-10导航测深仪65特点IES-10助航回声测深仪符合IMO（国际气象组织）A224（VII）条款之规定，主要用于商船、军舰和潜艇的导航系统。选配2KW功率放大器可和12KHz换能器可使测深能力达到3000米以上。另外还可选配远程显示器。

特点IES-10助航回声测深仪符合I66主要性能指标：测深范围：1.0~3000m分辨率： 100m以下0.1m，100m以上1m精度：一般±5%水深，浅水±1m，深水±5m工作频率：12KHz至200KHz任一单频声脉冲功率： 750W/可选配2000W数据存储：可记录并回放1小时的剖面图或24小时的水深和GPS定位数据显示：640×480点阵，16级灰度，液晶显示器数据接口：具有RS232或RS422串口和打印口电源：115/230VAC，60W尺寸、重量：

宽×高×深=39.4cm×29.21cm×21.59cm，10.7㎏

主要性能指标：测深范围：1.0~3000m674、StrataBox™浑水剖面测深仪

4、StrataBox™浑水剖面测深仪68特点StrataBox™浑水剖面测深仪是一款高分辨率的水下地层成像仪器，它由带喇叭罩的环型换能器、电子单元和应用软件组成，使用时配以笔记本电脑，具有重量轻，操作简单，显示直观等特点。独特的地层增益（BTGain）功能使它可穿透150米的水深和40米的水下地层，适合于库区淤积测量，堤坝根石探测，滨海沉积物测量。该仪器已成功的用于小浪底水库坝前及库区淤积测量以及黄河下游坝基根石探测。特点StrataBox™浑水剖面测深仪69主要技术指标：测深范围： 2.0~150m分辨率： 水深：0.1m，地层：6cm精度： ±0.5%工作频率： 10KHz声脉冲功率： 300W数据存储： 可记录和回放水深、定位数据 和水下地层剖面图电源： 10~30VDC，8W尺寸、重量：

长×宽×高 =25.4cm×15.88cm×6.25cm，0.9㎏主要技术指标：测深范围： 2.0~150m705、Bathy-2000P水下地层剖面仪

Bathy-2000P水下地层剖面仪主要用于深海水下地质探测之用，现已装备美潜艇部队。

5、Bathy-2000P水下地层剖面仪71主要性能指标：测深范围：0.5~11000m，地层：200m地层分辨率：8cm精度：100m以下±0.1m，100m以上±0.3%工作频率：2.75KHz~6.75KHz，3KHz~11KHz 扫频或12KHz到200KHz中任一单频声脉冲功率：2000W数据存储：可记录并回剖面图和水深、GPS定位数据显示：VGA彩色液晶显示器数据接口：具有RS232和外接VGA彩显接口电源：115/230VAC，250W尺寸、重量：

宽×高×深=48.2cm×24.8cm×29.5cm，20㎏

主要性能指标：测深范围：0.5~11000m，地层：200m72二、美国FFT公司

ESE-50回声测深仪OEM主板及配套软件FireCracker1.0™

二、美国FFT公司

ESE-50回声测深仪OEM主板及配套软73ESE-50回声仪主板用ESE-50回声仪主板组装的测深仪FireCracker1.0™ESE-50回声仪主板用ESE-50回声仪主板组装的测深仪F74特点：ESE-50是全球第一块以OEM方式生产的回声仪主板。它具有高信噪比、高分辨率、高精度和高性价比等优点。既可单独组成回声测深仪，又可和其他模块一起组成功能强大的应用系统。其配套软件FireCracker1.0™可用来在电脑上虚拟回声测深仪。

特点：ESE-50是全球第一块以OEM75主要技术指标水深单位：公制或英制测深范围：75m（250英尺）显示分辨率：0.1单位工作频率：50KHz，120KHz，200KHz， 340KHz，500KHz声脉冲功率：50W数据存储：由电脑显示水深曲线和存储水深数据数据接口：RS232串行口输出（NMEADBT格式 或其他行业标准格式）电源： 11~16VDC，50mA主要技术指标水深单位：公制或英制76三、国产HSW-1000DATA

便携式超声波测深仪

三、国产HSW-1000DATA

便携式超声波测深仪77特点：HSW-1000DATA便携式超声波测深仪具有技术成熟，性能可靠，价格便宜，携带方便等特点，单人即可操作。其独特的随动供电技术使整机平均功耗大为降低，一块9V的层叠电池最多可连续工作100个小时。它适用于抗洪抢险，水文测验，工程勘测，舟桥部队等部门。该仪器已经国家技术监督局严格检测，取得工业产品生产许可证，为水利部政策性补贴推广产品。

特点：HSW-1000DATA便携式78超声波测深仪的原理及应用ppt课件79主要技术指标测深范围： 0.8~99.99m分辨率： 0.01m精度： ±1%H±0.05m，（H指水深）工作频率： 100KHz显示： 4位LED数据接口： TTL电平串行口功能：数字滤波，自动关机，声速和吃水深度修正等电源： 6F22型9V层叠电池一块尺寸、重量：

高×宽×厚=230×125×42mm3，2㎏ （含换能器）

主要技术指标测深范围： 0.8~99.99m80四、GeoSwath条带测深仪摘自：《GeoSwath条带测深系统在小浪底坝前测试情况》

英国GA（GeoAcoustic）地质声学公司JamesWilliams四、GeoSwath条带测深仪摘自：《GeoSwath条带测81超声波测深仪的原理及应用ppt课件82GeoSwath由主机、旁扫声纳、垂直声纳、表面声速计、电罗经、声速剖面仪、GPS定位系统以及配套的数据采集、校准、处理等软件组成，处理后的成果可形成多种格式，满足深层处理的需要。可产生水下地形等高线图、立体图、剖面图、三唯动态浏览，还可通过两次测量成果的比较推算出冲淤量。GeoSwath由主机、旁扫声纳、垂直83主机及软件主机及软件84水下传感器总成船台电罗经水下船台电罗经85超声波测深仪的原理及应用ppt课件86系统主要技术指标声纳频率125KHz；最大水深200米；最大条带宽度600米（一般为十倍水深）；波束宽1.7度；波束角分辨率0.04度系统主要技术指标声纳频率125KHz；87垂向测量精度1cm；横向分辨率1.5cm；条带更新率10条带/秒（150米时）；深度采样数 100米水深时8500个 20米水深时1700个垂向测量精度1cm；88测试区域测试区域包括坝前南北1500米和主河道1300米测试区域测试区域包括坝前南北1500米和主河道1300米89测试内容1、测量孔板洞试验前后进水塔前地形变化并计算冲刷量。2、坝前河道地形测量（1300米），从测得的地形图上，截取断面形态，与断面法测量结果比较。3、给出若干种地形测量后处理成果：等高线图、两维图、三维图（黑白、彩色）、三维动画等。测试内容1、测量孔板洞试验前后进水塔前地形变化并计算冲刷量。90实时测量画面条带断面图条带平面图实时测量画面条带断面图条带平面图91实时声纳图

揭示河底反射特性实时92全部实验测区三维数字地形大坝位置176m219m全部实验测区大坝位置176m219m93等高线图等高线图94从地形图上截取断面图从地形图上截取断面图95断面比较兰色-切割断面红色-历史断面断面比较兰色-切割断面红色-历史断面96超声波测深仪的原理及应