回声测深原理及应用：船舶通信与导航系统安装与操作

任务目标

1.了解水声学相关知识;

2.掌握回声测深原理。

任务分析

回声探测设备是最早的一类水下声学仪器,这种设备得到了广泛的应用。所有这样的设备都有一个共同的特点:它们都利用一组发射换能器在水下发射声波,使声波沿海水介质传播,直到碰到目标后再被反射回来,反射回来的声波被接收换能器接收,然后由声呐员或计算机处理收到的信号,进而确定目标的参数和类型。为了更好地了解回声测深仪系统,就要掌握水声的相关知识及回声测深原理。

一、水声学有关知识

在任何弹性介质中放一个振动的物体,其周围的介质将受影响而产生压力的变化,这种压力的变化使介质的质点发生振动,质点振动将由邻近的质点开始逐个地传递至远处的质点。这种质点振动的传播就是声波(Acoustic Wave)。振动的物体叫作声源(Acoustic Source)。每秒钟内质点振动的次数叫作声波的频率f,处在同一振动状态的两个相邻质点间的距离叫作声波的波长λ,每秒钟声波传播的距离叫作声波的传播速度C。显然,它们三者之间的关系应为C=λf。

声波分三个频率段:20 Hz以下的声波称为次声波(Infrasonic Wave);20 Hz～20 k Hz称为可闻声波(Voiced Wave);20 k Hz以上的称为超声波(Ultrasonic)。其中,超声波因为频率高、抗干扰性好,被水声仪器广泛利用;同时,声波还有在同一种均匀理想介质中恒速传播、直线传播,在两种不同的介质面反射、折射或散射传播等特点。超声波在水中的传播速度如下:

我国采用的计算公式:C=1 450+4.06t-0.036 6t 2+1.137(σ-35)+…

国际威尔逊计算公式:C=1 449.2+4.623t-0.054 6t 2+1.391(σ-35)+…式中t为水的温度;σ为水的含盐度;在公式的省略项中还含有水的静压力的因素。在回声测深仪测深原理中,超声波在水中的传播速度取值为1 500 m/s。影响超声波在水中传播速度的因素如下:

水温每增加1℃,声速约增加3.3 m/s;

含盐度每增加1‰,声速约增加1.2 m/s;

水深每增加100 m,声速约增加3.3 m/s。

其中,水深的变化引起的静压力和温度的变化所造成的声速变化值几乎相互抵消。三个因素中,水温的变化对声速的影响最大,需要进行“补偿”。超声波在水中传播时的能量损耗包括吸收损耗和扩散损耗。海洋生物、海水运动、船舶本身等产生的海洋噪声干扰有海水对超声波多次反射形成的混响干扰。(https://www.xing528.com)

二、回声测深原理

在船底安装发射超声波的换能器(Transducer)A和接收反射回波的换能器B,如图7-1所示。

图7-1　回声测深原理

回声测深仪的测深原理公式为

水深:

H=D+h

式中 h——船底到海底的垂直距离;

D——船舶吃水。

测深原理:将超声波在水中的传播速度C作为已知恒速,换能器基线S看作零,通过测量超声波往返海底的时间t,计算求得水深h。

原理缺陷:水深精度将受到超声波在水中传播速度C变化的影响和换能器基线S不为零的影响。

任务总结

通过本任务的学习,了解了水声的相关知识,掌握了回声测深原理。