第八章船用回声测深仪

第8章 船用回声测深仪
echo sounder--ESD
一．水声学的基础知识
1．水声的概念
（1）声波：声源振动在介质中的传播过程。

（2）声波的传播形式：纵波、横波、表面波
（3）声波的传播特性：P150
1．声波在水介质中的传播形式为纵波，其传播途径为直线；
2．声波在同一介质中的传播速度基本恒定，而在不同介质中的传播速度不同；
3. 声波从一种介质进入另一种介质时，将产生反射、折射、散射和绕射等物理现象；
4．声波在介质中传播过程中，由于扩散和吸收的作用，声波能量将逐渐衰减。

（4）超声波：高于20KHz
船用回声测深仪：20KHz ～200KHz
（5）水声：声波在水中传播的现象。

2．声波在水中的传播速度： 但海域不同，介质的弹性系数E 和密度也不同，故改用经验公式。

P150
可见，C 与海水的温度、含盐量、静压力有关。

根据实测资料得知，海水温度每增加1℃，声速增加约3，3m ／s ；含盐量每增加1％o ，声速增加约1.5m ／s ；海水的静压力是随着水深的增加而增大，水深每增加100m ，由于静压力的增大而引起声速增加约3.3m ／s 。

而在通常情况下，海水温度是随水深的增加而降低，所以由于水深的增加引起的静压力增大及温度降低而影响声速的变化量几乎相互抵消。

因而，在计算海水中的声速时，往往不计及海水深度变化引起的声速变化量，只需将海水表面温度和含盐量代入经验公式进行计算，所获得的结果足以满足航海的要求。

3．声波在水中的传播
（1）近似以直线传播
（2）具有反射与折射特性：要求海底具有好的反射性能。

岩石、石砾或碎石底、淤泥
（3）水层反射
4．声波在水中的传播损耗
（1）扩散损耗：指声能传播的扩散面增大而引起的损耗。

不是能量的损耗，主要是随传播距离和面积的增大而使单位面积上的能量强度变小的情形。

f ↑ → 扩散损耗↓
（2）衰减损耗：由于声波传播时的吸收和散射的作用引起的损耗。

是能量的损耗 f ↑ →衰减损耗↑
5．声的混响：散射声波所形成的干扰称之。

体积混响、海面混响、海底混响
二．回声测深仪的工作原理
1．回声测深仪基本原理
（1）回声测深原理要点
ⅰ）等速、反射原理 C 。

＝1500 m/s
ⅱ）收、发换能器
ⅲ）测定超声波在水中往返一次所需的时间t
ⅳ）计算：H ＝D ＋h
（2）测深机构 P152
（3）整机工作过程
ρE C =
（4）主要技术性能指标
最大测量深度Hmax ：
且与发射功率、换能器效率、工作频率有关。

一般地，远洋用的为400m ，特殊用途最大达2000m 。

最小测量深度Hmin ：
一般地，远洋用的为1～2m ，浅水测深为0.2～0.3m
工作频率f ： 超声波频率
脉冲宽度 ：
脉冲重复频率T ：一般为0.3～0.6s
（5）IMO 对测深仪的要求
a ）测量范围：应能测换能器以下2－400米之间的任意深度。

b ）显示方式：主要为记录器式或数字打印式；
c ）测量精度：浅水档误差±1米；深水档误差±5米或5％。

d ）在船舶横摇10°，纵摇5°的情况下，仪器能正常工作。

2．发射系统
（1）作用：根据显示器来的发射指令，产生具有一定宽度、频率和发射功率的电振荡脉冲，并用它推动发射换能器工作。

（2）组成 ：P154
3．换能器： 声←→电
（1）换能器分类：
（2）磁致伸缩换能器
基本原理：
①正向磁致伸缩效应：铁磁材料在外磁场作用下，沿着磁力线的方向产生相对变形的效应－－－？换能器
②反向磁致伸缩效应：已磁化的铁磁材料在外力的作用下，沿着其长度方向发生相对变形时，在其内部将引起磁场变化的效应－－－－－－ ？换能器
振动频率f ：要求 f=f 源
但末充磁前 f=2f 源
充磁的目的：使镍换能器预先磁化，以便获得较高的磁致伸缩效应和避免产生倍频。

换能器的结构简介： ①矩形 ②环形
均由片状且相互绝缘片构成目的是避免涡流损耗。

（3）电致伸缩换能器
基本原理：
①正向电致伸缩效应：压电陶瓷材料表面在受力作用时，便在其上下表面产生正、负电荷而呈电位的效应－－－？换能器
②反向电致伸缩效应：压电陶瓷材料加上电场后，便产生较显著的尺寸大小的变化（形变）－－－－－－－－ ？换能器
换能器结构： ①片状 ②管状
③换能器基阵
（3）换能器的指向性：要求在一个方向上发射，与雷达的发射一致。

P157
⎪⎩
⎪⎨⎧（锆钛酸铅或钛酸钡）陶瓷电致伸缩换能器：压电镍铁合金磁致伸缩换能器：镍或材料 ⎪⎩⎪⎨⎧收、发合置换能器接收换能器
发射换能器功能
用声能的半扩散角↓来表示其方向性↑的好坏。

（4）换能器的安装
安装形式：船内式和舷挂式
安装注意事项：P157
①换能器应安装于噪声最小处（1/2～1/3船长处），以提高发射与接收灵敏度。

②不能降低船体的结构强度，应有良好的水密，常采用加强法兰盘等加固措施。

③换能器的发射面应与水平面保持平行，不平行度不应超过半度。

④换能器表面不能油漆，否则会影响发射与接收的效果。

⑤出坞前要检查电源电缆，求其绝缘性能良好，大于50兆欧，清洗，充磁。

4．接收系统
（1）作用：放大、选择（抑制干扰在）、变换处理
（2）组成：P158
5．显示系统：整机的中枢
（1）作用 ：协调整机工作、检测声波往返的时间并将该时间自动换算成水深读数。

（2）种类：
闪光式、记录式、数字式和指示式
三．回声测深仪的误差（测量误差）
（1）声速误差：由于实际声速与设计声速不符所引起测量深度的误差。

校正方法：测深水时误差不大；测浅水时需修正，公式
（2）基线误差：对收、发分开的换能器，发射换能器与接收换能器的安装位置相隔有一定距离（基线）而引起的测量深度的计算误差。

校正方法：当水深≥5m 时可忽略不计；否则修正公式为
（3）零点误差：由于发射零点显示不准确或因发射脉冲波形引起的发射时间不准确所产生的读数误差。

校正方法：前者引起的需进行零点调整
后者需调节“增益”旋钮使之正常。

（4）时间电机的转速误差：由于显示器中时间电机转速与设计转速不符所引起测量深度的误差。

校正方法：调整时间电机离心调速器的触点间隙，使两者转速相等。

或用修正公式：
（5）水底坡度误差：由于水底不平坦时声波反射回来的信号时间不一致，造成在显示器上出现一个相当宽的回波信号带而引起的测量深度的读数误差。

校正方法：若回波信号带较大，从安全的角度考虑，应取回波的前沿值。

一般地，在使用中，若不要求十分精确的水深读数时，通常可忽略(1)(2)的影响，但(3)(4)(5)要引注意。

此外，在使用中，由于量程选择不当（特别是在浅水测量）会引起测量读数误差，故需特别注意。

四．影响测深仪工作的其它因素
00
h C C h w w =00h V V h w
w =
（1）船舶摇摆对测深仪工作的影响
（2）水中气泡对测深仪工作的影响
（3）换能器的表面附有杂物时对测深仪工作的影响
（4）接收换能器的剩磁不足时对测深仪工作的影响
（5）船速过高对测深仪工作的影响
（6）海底性质不同及海底坡度对测深仪工作的影响
故为使测深仪正常工作，必须根据反射回波信号的强弱来调节放大器增益的大小。

五．扬子江型回声测深仪简介
1．主要技术指标及其结构和电路的特点
2．正确操作使用
注意“增益”和“衰减器”旋钮以及“零点熄灭”开关的正确使用
3．维护与保养。