1、第09章 超声波传感器（以及船用超声波测深仪）声波在水中的传播声波在水中的传播v水声学在航海上的应用已越来越广，已逐步形成测深、测速、定位等水下导航系统。v超声波是声波的一种，它在海水介质中的传播性能是电磁波和光波无法取代的。声波的物理特性声波的物理特性v1声源：振动的物体称为声源。v2声波的定义：声波：质点振动的传播。声波的频率f：每秒钟内质点振动的次数。声波的波长：处在同一振动状态的两个相邻质点间的距离。声波的传播速度C：每秒钟声波传播的距离。C=f声波的频率界限图声波的频率界限图 v频率在l6Hz2104Hz之间，能为人耳所听到的机械波，称为声波；v低于16Hz的机械波，称为次声波；v高
2、于2104Hz的机械波，称为超声波，频率在3108Hz31011Hz之间的波，称为微波。v声波的种类：声波的物理特性声波的物理特性纵波、横波、表面波纵波、横波、表面波声波传播的特点声波传播的特点v在水中为纵波；直线传播；v同一介质中速度恒定，不同介质速度不同；v会产生反射、折射、散射和绕射等物理现象；v有传播损耗（扩散和衰减损耗，包括扩散、吸收和散射等）。反射、折射反射、折射v当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即12sinsincco介质1介质2折射波反射波入射波 当超声波经过性质不同的介质交界面时，一部分
3、会反射，其余的会穿透过去。这种反射或穿透的强度，由这两个交界介质的特性阻抗Z决定。所谓特性阻抗即为介质的密度（）与音速（c）的乘积。假设现在将超声波垂直地射入固有特性阻抗不同的交界面时，则音波的反射率可用下式表示：2121ZZZZ反射率、透射率反射率、透射率 由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也由上式可知两种介质的特性阻抗差越大，反射率也就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部就越大。超声波射入交界面除了部分反射外，其余的全部穿透过去，而超声波的穿透率穿透过去，而超声波的穿透率T T可以用下式表示：可以用下式表示：22211222121411ZZZ ZTZZZZ 超声波的反射
4、与透射超声波的反射与透射声波在水中的传播速度声波在水中的传播速度Ec E为介质的弹性模量；为介质的密度；声速只取决于介质的物理常数，而与声源的振动频率无关。上述的、Ba都是温度的函数，所以超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化。声速公式：aBc1Ba为绝对压缩系数超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波传播。或影响声波在海水中传播的因素影响声波在海水中传播的因素v 海水的介质密度和弹性E并不是一个常数，它是随温度T、含盐量和静压力的不同而变化的，其中以温度的影响最为显著。海水中声速经验公式海水中声速经验公式乌德公式：C=1450 4.206t 0.0366t2 1.13
5、7(35)我国港口工程测量规范采用威尔逊公式：C=1449.2 4.623t 0.0546t2 1.391(35)国际上比较普遍采用 海水中声波的标准声速海水中声波的标准声速v声波在海水中的标准设计声速：1500（14501550s）v一般的船用水声仪器均采用标准声速。v为了测量更精确，有些仪器设有温度和含盐量的调节机构或自动补偿电路。v在一般情况下，无需进行声速校正。声波的传播损耗声波的传播损耗v声波在海水中传播过程中因反射、折射、散射和吸收等现象，使来自声源的能量随时间和空间的推移而逐渐地减弱，这种声能的减弱和损失的现象称为传播损耗。v传播损耗有两种：衰减损耗、扩散损耗海洋中的噪声海洋中的
6、噪声v海洋自然噪声v目标辐射噪声v船舶本身在运动中产生的自噪声超声波的衰减超声波的衰减v声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为axxaxxeIIePP200式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强；x声波测量点与声源间的距离；衰减系数，单位为Np/cm（奈培/厘米）。超声波传感器工作原理超声波传感器工作原理v超声波传感器由发送器和接收器两部分组成，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。v专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器（接收器）既可发送超声波（
7、接收超声波），又可接收超声波（发送超声波）。市售超声波传感器的谐振频率（中心频率）为23kHz，40kHz，75kHz，200kHz，400kHz等。超声波发送器工作原理超声波发送器工作原理v它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面接到一个电极端，下面接到另一个电极端。v双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着，这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，高效应地产生高频电压。超声波发送器工作原理超声波发送器
8、工作原理超声波发送器工作原理超声波发送器工作原理v若在发送器的双晶振子（谐振频率为40kHz）上施加40kHz的同频电压，压电陶瓷片a、b就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就发送40kHz频率的超声波。v超声波以疏密波形式传播，送给超声波接收器就被其接收。超声波接收器工作原理超声波接收器工作原理v超声波接收器是利用压电效应的原理，产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压非常小，要用放大器进行放大。超声波传感器工作原理示意图超声波传感器工作原理示意图电致伸缩式超声波传感器电致伸缩式
9、超声波传感器超声波流量传感器超声波流量传感器v如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则1Ltcv2Ltcv超声波流量传感器超声波流量传感器21222Lvtttcv 22cvtL超声波流量传感器超声波流量传感器1cossinDtcv2cossinDtcv超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，尤其适合测超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，尤其适合测量高粘度的流体的流量。量高粘度的流体的流量。超声波流量传感器超声
10、波流量传感器物位、料位物位、料位测速、测速、B超超无损探伤无损探伤超声测距、测厚度超声测距、测厚度其它应用其它应用探鱼器、声纳探鱼器、声纳回声测深仪回声测深仪v是应用超声波在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。v1）在特殊情况下，可通过测量水深来辨认船位；v2）在开辟新航区或浅水航行时，可用于导航，以确保船舶航行安全；v3）在航道及港口测量方面，它可提供准确可靠的水深资料。回声测深原理回声测深原理回声测深仪组成回声测深仪组成回声测深仪各部分作用回声测深仪各部分作用测深仪工作概况测深仪工作概况v显示器中的脉冲触发器以脉冲重复频率产生触发脉冲，控制计时器计时
11、和发射系统工作；v发射系统产生具有一定功率和宽度的电脉冲送到发射换能器；v发射换能器将电脉冲转换为超声波脉冲向海底发射，经海底反射回来的超声波回波被接收换能器所接收，并转换为电信号送到接收系统；v接收系统将来自接收换能器的回波信号放大处理后送到显示器；v显示器的计时装置计算超声波脉冲的传播时间t并转换为水深h，以一定的方式显示；v电源系统供给各部分所需要的工作电源。回声测深仪的主要技术指标回声测深仪的主要技术指标 v1）最大测深深度（maximum detectable depth,hmax）v由发射功率和发射脉冲的重复周期T决定，在发射功率足够大的情况下，由脉冲重复周期T所决定。同时，还必须
12、考虑工作频率和发射功率的关系。vhmax 750Tv2）最小测深深度（minimum detectable depth,hmin）v由发射脉冲的宽度决定。vhmin 750回声测深仪的主要技术指标回声测深仪的主要技术指标v3）脉冲重复频率（pulse repetition frequency-PRF，F）v每秒钟发射脉冲的个数，它的倒数称为脉冲重复周期T(pulse repetition period-PRP)，是决定回声测深仪最大测深深度的因素之一，一般为0.3 s0.6s。v4）脉冲宽度（pulse duration，）v持续发射超声波脉冲的时间称为脉冲宽度。脉冲宽度越窄，最小测深深度越小
13、，但脉冲宽度越窄往往平均发射功率越小，影响最大测深深度。v近海船舶回声测深仪一般采用窄脉冲发射，其最小测深深度和最大测深深度都较小。v远洋船舶回声测深仪一般采用较宽脉冲发射，其最小测深深度和最大测深深度都较大。v5）工作频率(operating frequency)v超声波的低频段频率即20KHz 60KHz，最大为200KHz。v6）发射功率(transmitting power)v是决定最大测深深度的因素之一，一般为几十瓦至几百瓦。国际海事组织国际海事组织(IMO)对测深仪要求对测深仪要求v1）测量范围：v应能测换能器以下2400m之间的任意深度；v2）显示方式：v主要为图表显示即记录式或
14、数字打印式；v3）测量精度：v浅水档，误差1m；深水档，误差5m或5%；v4）在船舶横摇10，纵摇5的情况下，仪器应能正常工作。影响测深精度的因素影响测深精度的因素v1）水中气泡(bubble)的影响v当船舶倒车或处在风浪中时，船底换能器周围水层中存在大量气泡，吸收换能器发射的超声波能量和海底反射回来的微弱的超声波回波。v2）船舶倾斜（摇摆）的影响v船舶倾斜或摇摆角度大于波束开角的一半时（/2），海底反射回来的超声波回波，将不能到达接收换能器的接收面即接收不到回波信号，测不到水深。回声测深仪发射超声波的波束开角一般为20 30。v3）海底底质(undersea sediment)的影响v光滑的
15、岩石对超声波的反射效果最好，淤泥对超声的反射效果最差，碎石、沙子对超声波的反射效果一般。v4）海底地形的影响v从回声测深原理可知，回声测深仪是测量船底到海底的水深，严格地说应该是测量船底换能器位置到海底的水深，如果海底地形不平坦时，回声测深仪显示的水深并不是整个船底的水深。当船舶处于浅水区时，应充分注意这种影响，防止船舶搁浅。v5）船底污物、杂草等的影响 v将使换能器发射的超声波能量被衰减而减小了测深能力，或直接将超声波反射回到接收换能器被接收，使显示的水深不是海底水深而只是某一水层的水深。回声测深仪指向性回声测深仪指向性与发射平面相垂直声能最集中的声波方向。回声测深仪发射的波束是一个圆锥形；
16、波束的开角称为换能器的指向角。与声波波长和换能器发射面的几何尺寸有关。一般30左右，通常用半扩散角来表示。回声测深误差及补偿回声测深误差及补偿v1）声速误差(acoustic velocity error)v实际声速与设计声速不相等。实际声速大于设计声速，测量水深小于实际水深；实际声速小于设计声速，测量水深大于实际水深。设置“温度补偿”、“盐分补偿”、“水深补偿”，来消除声速误差。v2）零点误差(zero point error)v有的回声测深仪显示水深时，若显示的发射零点标志不在水深刻度零点的位置上，使读取的水深数据存在误差。是一种固定误差。通过零点调整装置将显示的发射零点标志调整到水深刻度
17、的零点上，零点误差就被消除。回声测深误差及补偿回声测深误差及补偿v3）基线误差(base line error)v使用发射换能器与接收换能器分离的测深仪，换能器基线是不为零的，由此而产生的测深误差称为测深仪的基线误差。v当测量水深小于5m时，基线误差较大，应考虑其对测深精度的影响。v4）时间电机转速误差(speed of revolution error of timing-motor)v采用闪光式或记录式显示方式的回声测深仪，时间电机就是计时器件,由于时间电机实际转速不等于设计转速而产生的测深误差称为回声测深仪的时间电机转速误差。v时间电机实际转速小于设计转速，测量水深小于实际水深；时间电机实际转速大于设计转速时，测量水深大于实际水深。v当发现存在时间电机转速误差时，可通过时间电机调速装置将时间电机的转速调整为设计转速，时间电机转速误差就被消除了。回声测深仪回声测深仪回声测深仪回声测深仪
