航海学 模块七 航海仪器 第2章_回声测深仪.pptVIP

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