第二章 船用回声测深仪

第二章船用回声测深仪

回声测深仪（echo souder ）是利用超声波在水中传播的物理特性而制成的一种测量水深的水声导航仪器。在航海上，船用回声测深仪的主要用途是：

1．在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。

2．在其他导航仪器失效的特殊情况下，可通过测量水深来辨认船位。

3．用于航道及港口测量方面，提供精确的水文资料。

4．现代化多功能的船用测深仪还可实现水下勘测、鱼群探测跟踪等功能。

第一节水声学基础

一、声波及其物理特性

声波（sound wave）是由机械振动产生的，声能是机械能的一种。声波的产生离不开两个因素，即声源和弹性介质。

声源是振动的物体，如振动的音叉和声带。弹性介质是声波传播的媒介，如空气、水等都可传播声波。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即称之为声波。

质点每秒钟振动的次数称为声波的频率ƒ，频率的单位为赫兹（Hz）。

声波的频率低于20Hz，称为次声波，人耳听觉无法辨别。声波频率在20Hz～20KHz 之间的，称为可闻声波。超过20KHz以上的，称为超声波。回声测深仪及后面要介绍的多普勒计程仪、声相关计程仪等水声仪器使用的均为超声波。

声波在介质中传播的物理特性可归纳为如下几点：

1．声波在同一种介质中的传播速度基本恒定，在不同的介质中传播速度不同；

2．声波在水介质中的传播途径为直线；

3．声波传播经过不同介质时，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，由于扩散和吸收的作用，声波的能量将逐渐衰减。

二、声波在海水中的传播速度

根据物理学知识，声波在介质中的传播速度的大小与声波的振动频率无关，只取决于介质本身的物理参数，即介质的密度ρ和介质的弹性系数E。因此，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。而这两个参数不是常数，它们随着海水的温度（t）、含盐量（δ）和静压力（P）的变化而变化，其中尤以温度变化的影响最为显著。显然，声波在海水中的传播速度并非一个常量，它一般需要通过大量的实测数据进行分析计算得到。

为了统一口径和简化设计，船用水声导航仪器如回声测深仪、多普勒计程仪和声相关计程仪等通常以1500m/s作为标准声速。

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，会使来自声源的能量随着时间和空间的推移而逐渐减弱，这种声能减弱的现象称为传播损耗（attenuation）。

传播损耗有两种，即衰减损耗和扩散损耗。衰减损耗是声波的反射、折射、散射和吸收共同作用的结果；扩散损耗是因声能的直接扩散所引起的。

混响（reverberation ）是指声源停止反射后收到的来自海水中各种散射波的总和。根据海洋中的散射体所处位置不同将混响分为海面混响、体积混响和海底混响三种。海面混响的散射体位于海水表面或靠近海面层的各种海生物、悬浮颗粒、气泡等；体积混响的散射体位于海水中层；海底混响则位于海底或海底附近。

混响对于水声仪器而言是一种干扰，尤其是混响发生在靠近声源和接收点时，当混响的信号足够大时，将淹没目标的反射回波。混响也有其可被利用的有利方面，如在深水情况下，体积混响则被某些计程仪用来测量船舶相对于水层的速度。

第二节 回声测深仪原理

一、回声测深原理

回声测深仪是利用测量超声波自发

射至被反射接收的时间间隔来确定水深

的。

测量水深的原理如图6-1所示。在船

底装有发射超声波的发射换能器A 和接收

超声波的接收换能器B ，A 与B 之间的距

离为S ，S 称为基线。发射换能器A 以间

歇方式向水下发射频率为20-200KHz 的超

声波脉冲，声波经海底发射后一部分能量被接收换能器B 接收。从图6-1知，只要测出声

波自发射至接收所经历的时间，就可由下列公式求出水深： 2222)2

()2(s ct D AM AO D h D H -+=-+=+= （6-1） 式中：H 为水面至海底的深度；D 为船舶吃水；h 为测量水深；S 为基线长度；C 为声波在海水中的传播速度，标准声速为1500m/s ；t 为声波自发射至接收所经历的时间。

显然，只要测出时间t,即可求出水深H ，若换能器是收发兼用换能器，即AB=S=0，取C=1500 m/s,则测量深度h 可表示为：

t ct h 7502

1==

（6-2） 二、回声测深仪整机方框图及工作过程：

回声测深仪的整机方框图如图6-2所示。

显示器是整机的中枢，其作用是控制协调整机

工作；测量声波往返时间并将其换算成水深加以显

示。

发射系统将显示器的发射指令变为一定脉冲图6-1 图6-2

宽度、频率和输出功率的电振荡脉冲去推动发射换能器工作。

发射换能器将电振荡信号转变为机械振动信号，即将电能转换为声能，形成超声波信号向海底发射。

接收换能器的作用与发射换能器正好相反，它将从海底反射来的声波信号转变为电振荡信号，即将声能转换为电能。

接收系统的作用是：将来自接收换能器的回波信号加以适当地放大、选择和处理，变换为适合显示器所需要的回波脉冲信号。

电源设备通常为机器部的电源或专用的变流机，目前大多数测深仪都可直接接船电工作。

回声测深仪的工作过程可以由工作时序图（图6-3）予以描述：

显示器的发射触发器按一

定时间间隔T （称为脉冲重复周

期）产生触发脉冲，该脉冲触发

发射系统产生一定宽度τ（称为

脉冲宽度）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

20～200KHz 的超声波脉冲向海

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。显示器累计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予以显示。

三、闪光式测深仪工作原理：

闪光式回声测深仪是早期一种典型的回声测深仪，它的结构与设计较为简单。其工作原理如图6-4所示：

图6-3

t t t t

发射脉冲

图6-4