09回声测深仪

第三章回声测深仪回声测深仪：测量超声波信号自发射经水底反射至接收的时间间隔，用以确定水深的一种水声仪器。航海上用途：1.船舶在情况不明的水域或狭水道航行时，测量水深确保船舶安全；2.在能见度不良或其它导航仪器失效时，通过测量水深来辨认船舶位置；3.对水域的水深进行测量，提供确保船舶安全航行的水深资料。4.多功能型可实现水下勘测、鱼群探测等功能。前序回顾一、声波1.声源：物体的机械振动产生声波，振动的物体称为声源2.声波种类：1）纵波：介质质点振动方向与波的传播方向一致。固体、液体和气体中均可传播纵波。2）横波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。只有固体可以传播横波。3）表面波：两种介质分界面处所发生的波称为表面波。介质质点做椭圆运动4.水声仪器使用超声波：1）避免可闻声波干扰；2）减小换能器尺寸，获得好的方向性；3）衰减小，穿透力强。3.声波频率：每秒钟质点振动的次数。传播速度C=λ·f=λ/Tf＜20Hz次声波20Hz＜f＜20kHz可闻声波20kHz＜f超声波1.传播特点：1）传播形式为纵波，传播途径是直线；2）传播速度基本恒定；3）两种介质交面处会产生反射、折射、散射和绕射；4）由于扩散和吸收作用，能量逐渐衰减。二、声波在海水中传播2.传播速度：只取决于介质的弹性和介质密度，与声波的频率无关。海水的弹性和密度并不是常数，而是随着海水的温度、含盐量和静压力不同而变化，温度影响最为显著。E——介质的弹性；ρ——介质的密度传播速度C=ρE声速与海水温度、含盐量和静压力的关系：无法用准确的式子表达，只能通过大量的实测数据总结出有足够精度的经验公式。实测资料：温度增加1°C→声速C增加约3.3m/s含盐量增加1‰→声速C增加约1.5m/s水深增加100m→声速C增加约3.3m/s通常，水深增加，静压力增加，但温度降低，二者引起引起的声速变化几乎相抵。用经验公式计算时只考虑海水表面温度和含盐量。经验公式：我国C=1450+4.206t−0.0366t2+1.137(σ−35)+······国际C=1449.2+4.623t−0.0546t2+1.391(σ−35)+······通常水声仪器如回声测深仪、多普勒计程仪、声相关计程仪以1500m/s作为标准声速。3.传播损耗1）扩散损耗：声波扩散引起2）衰减损耗：声能吸收和散射引起混响：来自散射体的散射波的总和。混响是一种水声仪器的背景干扰，可能淹没回波。散射体分布位置分：1）海面混响；2）体积混响；3）海底混响。第一节回声测深仪工作原理一、回声测深原理应用声波在海水中传播时所具有的直线传播、传播速度基本恒定以及反射性等物理特性来测量水深的。ABhHSDO脉冲式h=−C·t22S22若忽略S，则h=C·t2忽略S引起的误差称为基线误差H=D+h=D+C·t2若吃水为D，二、回声测深仪组成及工作时序1.回声测深仪的原理构成显示器发射系统接收系统换能器1）显示器：中枢，控制协调整机工作，测定时间并转为深度显示。2）发射系统（推动器）：在触发脉冲控制下产生一定宽度、频率和功率电振荡脉冲推动换能器工作。3）接收系统（放大器）：微弱回波信号放大、选择处理后变换为适合显示器需要的信号。4）换能器：发射：电能转换为声能；接收：声能转换为电能。2.工作时序关系（工作过程）三、回声测深仪主要技术指标1.最大测量深度hmax：400m；近内河200m；测量＞2000m2.最小测量深度hmin：hmin＞750τ。远洋1∼2m，浅水0.2∼0.3m3.工作频率f：20kHz∼200kHz；f↑→损耗大4.脉冲宽度τ：ms，决定最小测量深度hmin=750τ5.脉冲重复频率F（周期T）：T=hmax/750；t＞T无法显示7.发射功率P：脉冲功率几十~几百瓦，10.显示方式：闪光式、记录式、数字式、指示式。9.换能器：结构、材料及指向性。6.误差：深水±5m或±5%；浅水±1m。8.接收机增益：dB。四、显示器1.机电显示系统：定速电机和机械传动A.种类2.电气显示系统：只有电气连接1）闪光式：利用氖灯闪光在刻度盘上显示水深2）记录式：通过记录设备将水深信号标绘在记录纸上，通过水深比例尺读取水深数据。图片3）数字式：将水深信号模拟转换，数字显示4）指示式：用仪表指针来指示水深B.闪光式显示器转盘的转速就是发射脉冲的重复频率。量程不同，转盘转速不同；转速改变是通过变速箱转换的。转数计算公式：N=60/t=60C/2hmax式中hmax为各档量程。五、换能器实现电能和声能互换的设备1.换能器种类图片1）磁致伸缩换能器2）电致伸缩换能器利用铁磁材料所具有的磁致伸缩效应制成的。在铁磁材料中，铁、镍、钴及其合金等都具有良好的磁致伸缩效应。磁致伸缩换能器一般都采用镍和镍铁合金材料制作，因不易受海水腐蚀且加工容易。利用压电陶瓷材料的电致伸缩效应制成的。普遍使用的有钛酸钡和锆钛酸铅。锆钛酸铅材料来源丰富、成本低、压电性能优良、稳定性好，故普遍选用其制作电致伸缩换能器。2.换能器指向性换能器把声能集中在一定方向上辐射出去的能力，或指其在一定方向上接收声能具有最大值的特性。θ0—半扩散角（或半波束开角）θ0角越小，波束越尖锐，指向性越好，其大小与声波的波长和换能器工作面的几何尺寸有关。测深仪换能器指向性一般不宜过于尖锐，否则会因为船舶摇摆而接收不到回波信号。通常，测深仪和声相关计程仪θ0=10°~15°多普勒计程仪θ0=1.5°~3°3.换能器安装注意事项1）安装位置应选择船底平坦、杂声干扰及紊流最小的地方。尽量远离机舱、螺旋桨，也不要靠近船首；附近不应有排水口、海底阀及其它有碍于水流平顺的凸出物；换能器一般装于离船首1/2~1/3船长处，工作面与船壳齐平，对于舷挂式应加流线型的导流罩。2）安装换能器不应降低船体结构强度和水密性。3）换能器工作面力求与水平面保持一致，偏离角不能超过0.5°或符合规范标准。4）换能器工作面决不准涂油漆。船舶下水或出坞前必须严格检查，清除干净。5）换能器连接电缆必须是屏蔽电缆，并穿于钢管内。引出导线应绝缘良好，屏蔽层和钢管应可靠接地。第二节回声测深仪误差一、声速误差实际声速与设计声速不一致所产生的测量误差。修正公式：实际水深=×显示水深实际声速设计声速二、基线误差忽略收、发分开换能器之间距离（基线）造成的误差。收、发共用一个换能器没有基线误差。水深大于5米可忽略基线误差。四、时间电机转速误差测深仪时间电机的实际转速与其额定转速不一致所产生的测量误差。只有闪光式和记录式测深仪才存在这种误差。可通过数零点信号办法来确定时间电机转速是否正确。实际水深=×显示水深额定转速实际转速三、零点误差测深仪发射零点标志的显示位置与刻度盘（或刻度标尺）的零位不一致所产生的测量误差。只有闪光式和记录式的显示器存在此误差。零点信号超前：显示水深＜实际水深零点信号滞后：显示水深＞实际水深1）船舶摇摆：摇摆误差、丢失回波2）水中气泡：削弱声能、混响干扰3）船速高：干扰噪声；海水空化，削弱回波。4）换能器工作面附着物：油漆、海生物，吸收声能。5）磁致伸缩换能器剩磁消失：充磁。6）海底反射能力：岩石＞砂底＞淤泥。适时调节灵敏度。7）海底不平、坡度：回波信号带宽。前沿读取水深数据。五、其它影响因素第三节回声测深仪使用一、使用1.主要开关控钮及作用1）电源开关2）指示—记录转换开关（旋钮）：选择“闪光”或“记录”3）量程转换开关（旋钮）：选择测深范围4）增益旋钮：改变信号放大倍数使清晰显示5）衰减旋钮：衰减杂波干扰信号6）零点熄灭开关：熄灭抑制零点信号保证浅水显示清晰。通常水深小于5米熄灭零点。7）固定标志按钮：记录式，用途：①记录开始与结束；②检查接收系统输出；③检查记录笔接触状况。8）报警深度选择：预置报警深度SPEERYED-162型测深仪1）电源/增益控钮：顺时针旋转至第一档即接通电源，继续转动逐渐增大增益。关机时逆时针到底。2）照明控钮：调节记录器和控制面板照明亮度。量程处于O1和O2档时，记录器不工作，照明灯不亮。3）量程选择及记录器开关：O1、O2、A、B、C、D档量程O1和O2档为数字显示，记录器关闭；量程余档，记录器和显示器同时工作。4）报警深度预置：10个数字键，1~500m。打开面板盖，内部尚有一些控钮：1）记录纸速度控钮：调节记录纸移动速度。2）时间增益控钮：抑制浅水回波接收增益。逆时针到底，增益抑制作用最大。3）定位标志按钮：按下使记录纸上划出一条连续的直线。4）深度报警开关：接通或断开蜂鸣器。5）零位线调节：调节零位线与刻度板的零位一致。6）电源选择开关：选择直流或交流电源。图片2.使用注意事项1）开机前选择工作状态；2）深度、海底底质变化，适当调节“增益”和“衰减”旋钮；3）检查零点标志，修正零点误差；4）注意数零点信号次数确定电机转速是否正常；5）浅水域、水底坡形，回波先后返回，应以回波前沿为准读取水深数据；并接通零点熄灭开关；6）船舶在大风浪中航行或倒车或变速及船舶摇摆时，不宜测深；7）船舶进出港、狭水道航行时，接通危险深度警报开关；8）船舶长期停泊，每隔半月通电一次，时间大于4小时，目的是驱潮、防附着海生物，进坞时应清洁表面；9）具有磁致伸缩换能器的测深仪，长期闲置不使用，则在使用前应通直流电流予以充磁思考问题1．基本概念：回声测深仪；声波；设计标准声速；换能器；半扩散角；声速误差；基线误差；零点误差；时间电机转速误差；摇摆误差；危险深度。2．回声测深仪在航海上的用途。3．影响声波在海水中传播速度的因素。4．水声仪器使用超声波的原因。5．测深仪组成部分及其作用；工作过程。6．显示系统种类。7．危险深度设置根据。8．换能器种类及其常用材料，换能器的指向性。9．换能器安装注意事项。10．测深仪误差种类及其处理。危险深度（浅水报警）：视、听报警根据船舶吃水、航道底质和所要求的富裕水深设置危险水深。电致伸缩效应已极化的介电材料在外力的作用下，沿外力方向产生相对伸缩形变时，将引起其内部电场强度的变化，此现象称之为正向电致伸缩效应；反之，在外加电场的作用下，沿电场方向产生相对的伸缩形变，这种现象称之为反向电致伸缩效应。即可逆。介电材料形变相对变化量与电场的平方成正比，与电场的极性无关。为了获得形变与电场成正比的关系，必须将具有电致伸缩效应的介电材料在强直流电场下进行极化，经过极化的介电材料称为压电陶瓷材料。磁致伸缩效应已磁化的铁磁材料在磁场作用下，沿磁力线方向产生相应的伸缩变形的现象称之为正向磁致伸缩效应；反之，已磁化的铁磁材料在外力的作用下发生伸缩变形时，将引起其内部磁场强度的相应变化称之为反向磁致伸缩效应。即具有可逆性。磁致伸缩换能器若长时间未使用，用前需充磁。