第2章-回声测深仪

第二章回声测深仪船用回声测深仪1利用超声波在水中传播的物理特性而制成的一种水深导航仪器，在海上情况不明的海域或浅水航区航行时，测量水深以确保船舶航行安全，也可用来测深辨位，也可实现水下探测，鱼群探测，提供水文资料。

第一节水声学基础知识一、声波及其物理特性将一个振动的物体置于弹性介质中，在其周围的介质质点必然随之振动并产生位移，在流体介质空间则形成介质疏密的变化状态，并以波动的形式向外传播，这种质点振动的传播称为声波。可闻声波的频率在20Hz-20KHz之间。超过20KHz以上的，称为超声波。回声测深仪及多普勒计程仪、声相关计程仪等水声仪器使用的均为超声波。

人们经过反复测试，发现水中声速受温度影响。海水里含有盐类，含盐的多少也对声速有影响。在各种因素中，温度对声速影响最大，每升高1℃，水中声速大约增大4.6米/秒。一般认为海水中的声速是1500米/秒，约是大气中声速的4.5倍。科学家们还测出了各种液体里的声速。在20℃时，纯水中的声速是1482.9米/秒；水银中的声速是1451米/秒；甘油中的声速是1923米/秒；酒精中的声速是1168米/秒，四氯化碳液体中的声速是935米/秒。由此可见，声音在液体中传播大都比在大气中传播快许多，这和液体中的分子比较紧密有关。固体中的声速也各不相同，经过反复测定发现，声波在固体中用纵波和横波两种形式传播，这两种波的波速也不相同。例如，在不锈钢中，纵波速度是5790米/秒，横波速度是3100米/秒。把不锈钢做成棒状，棒内的纵波速度是5000米/秒。在金属中，铍是传声的能手，在用铍做的棒内，声波的纵波速度达到12890米/秒，是大气声递的38倍。聚乙烯塑料传声本领较差，聚乙烯棒中的纵波速度只有920米/秒，不及水中声速快。软橡胶富有弹性，声波在里边走不动，速度只有30-50米／秒，还不及空气中的声速呢！知道声音转播是声音振动空气产生声波传出去的，想想打球的原理，当你将皮球往墙壁上打时，墙壁对球有反弹力，但是如果不是墙壁，而且是以块布，球的反弹力度就小多了。这是因为不同的介质表面有不同的吸收能量。刚性的表面不大吸收传播的能量，柔性的表面就大量吸收能量。所以声音也是这样的。二、声波在海水中的传播速度声波在海水中的传播速度将取决于海水的密度及弹性系数。但这两个参数会随着海水的温度、含盐量和静压力的变化而变化，其中尤以温度变化的影响最为显著。海水的温度、含盐量和静压力的增加，会引起声波在水中的传播速度增大。海水温度随着水深的增加而降低，所以由于水深的增加引起静压力增大及温度降低而引起的声波在水中的传播速度的变化量几乎是相互抵消的。船用回声测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪通常以1500m/s作为超声波在海水中传播的标准声速。三、声波的传播损耗和混响声波在海水中传播过程中因反射、折射、散射和吸收等现象，会使声源的能量随着时间和空间的推移而逐渐减弱，称为传播损耗。混响是指声源收到的来自海水中各种散射波的总和。第二节回声测深仪工作原理

一、测深基本原理

二、回声测深仪系统组成回声测深仪通常由显示器、发射系统、发射换能器、接收系统、接收换能器和电源设备等部分组成：三、回声测深仪工作过程显示器内的发射触发器按一定时间间隔，即脉冲重复周期T产生触发脉冲，该脉冲触发发射系统产生宽度为τ和一定输出功率的电振荡发射脉冲。发射换能器将电振荡发射脉冲转变为频率为超声波脉冲向海底发射。在发射同时，显示器将产生与发射脉冲同步的零点信号，表示计时开始。接收换能器将来自海底的声波反射信号转变为电振荡接收脉冲信号，经接收系统放大、处理后形成回波信号送至显示器。显示器检测回波信号和零点信号间的时间间隔，并按深度公式转换为深度显示。四、换能器1.换能器的分类商船上使用的回声测深仪换能器主要由两种类型。一是以镍或镍铁合金为材料的磁致伸缩换能器；另一种是以钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷为材料的电致伸缩换能器。2.换能器的指向性测深仪的换能器必须具有指向性，才能有效地达到测深的目的。五、主要技术指标1.最大测量深度IMO性能标准规定，船舶的测深仪的最大测量深度至少为200m。最大测量深度与发射功率、换能器效率和工作频率等因素有关。发射功率越大，测量深度越深；换能器效率越高，能量损耗小，测量深度越深；工作频率低，传播损耗小，测量深度越深，所以在一定的发射功率条件下，应选用较低的工作频率。IMO性能标准规定，深水测量时脉冲重复周期不到小于每分钟12个脉冲，浅水测量时不得小于每分钟36个脉冲。最大测量深度与脉冲重复周期T是密切相关的，由于测量的最大时间间隔只能是两次发射的间隔时间，即脉冲重复周期，所以，脉冲重复周期与最大测量深度的关系为：

2.最小测量深度最小测量深度是测深仪能测量出来的最小深度。发射脉冲宽度τ是决定最小测量深度的主要因素，测深仪实际能测出的最小深度应大于τ所对应的深度，即：

IMO建议，船舶的测深仪的最小测量深度至少为2m。通常，适用于远洋船舶的测深仪的最小测量深度一般为1～2m，而浅水测深仪的最小测量深度可达0.2～0.3m。3.误差IMO性能标准规定，测深仪的误差在分别为浅水范围内（20m）允许误差为±0.5m和深水范围（200m）内允许误差为±5m与显示水深值的±2.5%相比较，取大者。4.显示方式IMO性能标准规定，记录式图像显示方式为测深仪必须具备的显示方式，记录的时间间隔不得多于5min。数字式和纸质是测深仪常用的两种记录方式，而数字记录式图像显示方式在现代测深仪中应用较多。纸质记录方式要求当纸张长度小于1m时应有明显的提示。5.其他IMO性能标准规定，回声测深仪应至少具有20m和200m两个量程。回声测深仪应能在船速不大于30kn和横摇±10°和/或纵摇±5°的情况下正常工作。若装载有多个换能器，则应明确显示水深值是由哪个换能器显示的。回声测深仪应具有记录12h数据和回放记录数据以及可以预设安全水深的功能。第三节回声测深仪误差

一、声速误差由于船舶所在海域实际声速与测深仪的设计声速不一致而产生的测量误差称为声速误差。回声测深仪的设计声速是取标准声速1500m/s的，而实际声速并非恒定值，它随着海水温度、含盐量和静压力的变化而变化。二、时间电机转速误差时间电机转速误差是指纸质记录式测深仪中的时间电机转速与其额定转速不一致所产生的测量误差。三、零点误差零点误差是指零点信号（或零点标志）与或刻度标尺的零位不一致时所产生的测量误差。零点信号超前，显示水深将小于实际水深；零点信号滞后，则显示水深将大于实际水深。四、基线误差当收发换能器分开时，忽略了基线S，故产生了基线误差。测量水深越深，基线误差就越小。当水深大于5m时，基线误差便可忽略不计。采用收发兼用换能器的测深仪则不存在基线误差。五、影响测深仪工作的其它因素1.船