聲速相關(guān)知識(shí)

1.聲速儀類型

（1）表面聲速儀：

測(cè)量聲速儀所處位置的水中聲速值,。

（2）聲速剖面儀：

測(cè)量水域環(huán)境下,，從水表面到水底不同深度環(huán)境下的水中聲速值,。

2.影響聲速的三大主要因素

（1）溫度：

水溫變化1度，聲速變化3m/s；

（2）鹽度：

鹽度變化1ppt，聲速變化1.3m/s,；

（3）深度：

深度變化165米相當(dāng)于水溫變化1度；

從上述幾個(gè)因素我們可以了解到,，對(duì)于常規(guī)淺水測(cè)量來(lái)說(shuō),，影響聲速最大的因素為溫度，即水溫,。

3.適用范圍

（1）單波束水深測(cè)量聲速補(bǔ)償,；

（2）多波束水深測(cè)量聲速補(bǔ)償；

01 單波束水深測(cè)量的聲速影響

1.單波束測(cè)深原理

單波束測(cè)深儀的測(cè)量過(guò)程是采用換能器垂直向下發(fā)射聲波，當(dāng)聲波遇到水底時(shí)發(fā)生發(fā)射,，發(fā)射回波信號(hào)返回?fù)Q能器位置并被其接收。其水深值由聲波在水中傳播的雙程時(shí)間和水中的平均聲速確定,；

圖 1｜單波束測(cè)深原理圖

H=C*T/2

上述公式中,，H為水深，C為平均聲速,，T為聲波傳播過(guò)程中的往返時(shí)間和,。

2.誤差來(lái)源

從上述公式中，我們得知,，水深H的準(zhǔn)確與否,，主要取決于平均聲速C的準(zhǔn)確度和往返時(shí)間T的準(zhǔn)確度。

其中,，T為測(cè)深儀時(shí)間系統(tǒng)探測(cè)的發(fā)射和接收聲波的時(shí)間差,，為硬件所決定，非人為因素所能左右,，因此,，H的準(zhǔn)確度則取決于另外一個(gè)變量C（平均聲速）。

3.常規(guī)聲速獲取方法---比對(duì)板法

所謂比對(duì)板法即為通過(guò)將比對(duì)板放置于特定某個(gè)固定深度下,，通過(guò)固定距離和系統(tǒng)采集時(shí)間差反推此深度下的平均聲速,，即在公式H=C*T/2中，H為固定值,，在固定某個(gè)深度下,，時(shí)間T也是固定值，反推平均聲速C,。

圖 2｜比對(duì)板法測(cè)平均聲速

3.1比對(duì)板法測(cè)平均聲速的潛在問(wèn)題

（1）對(duì)于流動(dòng)的江,、河等水域環(huán)境中，比對(duì)板下放的深度由于受到水流的影響,，很難處于靜止垂直狀態(tài),，因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程中的固定距離在測(cè)量上很難代表垂直水深，反推的平均聲速存在一定的誤差,，甚至在大流速環(huán)境下,，下放比對(duì)板的方法難以實(shí)施；

（2）對(duì)于海洋測(cè)量,，由于涌浪的影響,，比對(duì)板或者船只一直處于晃動(dòng)狀態(tài)，比對(duì)板在此情況下下放的水深一直處于變化中,，此種情況下反推的平均聲速同樣存在誤差,；

（3）所謂平均聲速為聲音從換能器到反射面之間水域環(huán)境下的平均聲速，而采用比對(duì)板法，所獲取的平均聲速為換能器到比對(duì)板之間的平均聲速,，在某些水域環(huán)境下,，此平均聲速難以代表不同水深環(huán)境的平均聲速，如比對(duì)板下放10米,，水域環(huán)境水聲介于5-15米之間,，那么獲取的聲速值并不代表5米水深的品均聲速，也不能代表15米處的平均聲速,，僅能代表10米處的平均聲速,；

（4）從影響聲速的主要因素可以獲知，影響最大的是水溫,，在特定季節(jié)和環(huán)境中,，水的溫度可能時(shí)刻在發(fā)生變化，因此通過(guò)比對(duì)板法獲取的聲速難以代表全天環(huán)境中的平均聲速,；

（5）水越深,，比對(duì)板法實(shí)施的難度越大，造成的誤差可能越大,。

4.常規(guī)聲速獲取方法---查表法

所謂查表法即在水深測(cè)量過(guò)程中,，通過(guò)測(cè)量水的溫度來(lái)對(duì)比聲速表中的聲速值，并應(yīng)用,，而聲速表為純水在一系列水溫下的聲速值表格,。

圖 3｜查表法-溫度與水中聲速對(duì)照表

4.1查表法測(cè)平均聲速的潛在問(wèn)題

（1）從事水深測(cè)量的水域環(huán)境分為淡水還海水，即便是淡水和純水仍有一定的差異,，查表法難免帶來(lái)一定的誤差,；甚至在海水環(huán)境中，難以找到準(zhǔn)確的聲速表,；

（2）水域環(huán)境中的水溫可能時(shí)刻在發(fā)生變化,，真實(shí)聲速值也時(shí)刻在發(fā)生變化，因此查表法的溫度不能代表全天候的聲速值,，其使用中,，隨著水溫的變化，必定會(huì)有相應(yīng)的誤差產(chǎn)生,；

（3）查表法只能采集水表面的水溫,，而實(shí)際水域環(huán)境中，尤其靜水中,，不同水深環(huán)境下,，水溫不同，聲速也必定不同,，因?yàn)橥ㄟ^(guò)查表法難以獲取平均聲速值,；

02 多波束水深測(cè)量的聲速影響

1.多波束測(cè)深原理

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理是利用發(fā)射換能器陣列向海底發(fā)射寬扇區(qū)覆蓋的聲波,，利用接收換能器陣列對(duì)聲波進(jìn)行窄波束接收，通過(guò)發(fā)射,、接收扇區(qū)指向的正交性形成對(duì)海底地形的照射腳印,，對(duì)這些腳印進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚恚淮翁綔y(cè)就能給出與航向垂直的垂面內(nèi)上百個(gè)甚至更多的海底被測(cè)點(diǎn)的水深值,，從而能夠精確,、快速地測(cè)出沿航線一定寬度內(nèi)水下目標(biāo)的大小、形狀和高低變化,，比較可靠地描繪出海底地形的三維特征。與現(xiàn)場(chǎng)采集的導(dǎo)航定位及姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合,，繪制出高精度,、高分辨率的數(shù)字成果圖。

圖 4｜多波束測(cè)深原理圖

2.誤差來(lái)源

多波束測(cè)深儀的誤差來(lái)源比較多,，潮位,、姿態(tài)、表面聲速和聲速剖面都會(huì)造成不同的深度影響,。下面簡(jiǎn)單介紹表面聲速和聲速剖面在多波束測(cè)量過(guò)程中的影響,。

3.多波束測(cè)深中表面聲速的作用

在多波束測(cè)量過(guò)程中，表面聲速值決定了非垂直波束的波束的指向角度,。聲速不同,，波束的方向也不同，歸算的水深也會(huì)不同,。如下圖為不同表面聲速值的情況下,，各個(gè)波束的方向變化示意圖：

圖 5｜不同聲速值，各個(gè)波束的方向變化示意圖

4.聲速剖面數(shù)據(jù)的作用

在多波束測(cè)量過(guò)程中,，如果存在不同深度不同聲速的情況,，即存在明顯的聲速剖面數(shù)據(jù)變化時(shí)，聲波在水中傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生折射,，即聲音在水中傳播并非沿直線傳播,，因?yàn)槁曀倨拭娌煌瑐鞑プ叩穆窂揭膊煌?，歸算的水深和位置自然也會(huì)不同,。

圖 6｜多波束測(cè)量過(guò)程中未使用聲速剖面數(shù)據(jù)改正和使用后的斷面對(duì)比情況

03 不同類型聲速儀在水深測(cè)量中的應(yīng)用

鑒于不同水域環(huán)境中，聲速值受到影響因素不同,，從使用上可能存在僅需要使用表面聲速儀一種設(shè)備和表面聲速儀,、聲速剖面儀同時(shí)使用兩種情況：

1.僅需表面聲速儀的水域環(huán)境：流動(dòng)的淡水環(huán)境

表面聲速值能夠代表平均聲速的使用場(chǎng)景，即不同水深環(huán)境下聲速變化很小的水域環(huán)境,。典型的水域環(huán)境為江河等流動(dòng)的水域環(huán)境,。

流動(dòng)的水域,，不同水深下的水溫基本一致，都是淡水,，鹽度不變,，水不太深，深度造成的聲速變化影響很小,，相當(dāng)于溫度,、鹽度不變，深度影響很小,，所以可以認(rèn)為表面聲速即為平均聲速,。

2.需表面聲速和聲速剖面儀兩種設(shè)備的水域環(huán)境：不流動(dòng)的淡水環(huán)境

當(dāng)表面聲速值不能代表平均聲速時(shí)，則建議使用表面聲速儀和聲速剖面儀兩種設(shè)備,，典型的水域環(huán)境為水庫(kù),、湖泊等靜水環(huán)境。

主要原因?yàn)殪o水環(huán)境中,，水表和以下不同水深的水溫變化較大,，表面聲速值不能代表平均聲速值。

3.海水中水深測(cè)量需要同時(shí)使用表面聲速儀和聲速剖面儀

4.表面聲速儀優(yōu)勢(shì)

（1）聲速儀位置的聲速值實(shí)時(shí)采集,，任何細(xì)微的溫度變化,，或者鹽度變化等造成的聲速變化都會(huì)實(shí)時(shí)獲知；

（2）精度可靠,，SVS1500表面聲速儀的聲速測(cè)量精度為0.05m/s,，不存在測(cè)溫查表、垂放比對(duì)板等人為因素造成的誤差情況產(chǎn)生,；

（3）使用簡(jiǎn)單,，僅需將聲速儀探頭放置水中某處，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件即可自動(dòng)獲取水中的聲速值,。

圖 7｜聲速儀軟件圖片

5.聲速剖面儀的優(yōu)勢(shì)

（1）設(shè)備為自容式聲速采集設(shè)備,，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在設(shè)備中，以供后續(xù)使用,；

（2）設(shè)備內(nèi)含高精度壓力傳感器,，能夠精確獲知采集的聲速值與之對(duì)應(yīng)的深度值；

（3）靈活方便的聲剖軟件,，能夠自動(dòng)計(jì)算出各個(gè)深度下的平均聲速值,；

圖 8｜聲速曲線

相關(guān)產(chǎn)品：海卓SV系列聲速儀簡(jiǎn)介

海卓SVS1500表面聲速儀

產(chǎn)品簡(jiǎn)介

SVS1500表面聲速儀采用了目前最先進(jìn)的“時(shí)間飛躍”技術(shù)進(jìn)行聲速測(cè)量，并結(jié)合先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),，使聲速的測(cè)量精度達(dá)到0.05m/s的世界先進(jìn)水平,。基于先進(jìn)的集成電路和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了體積小,、易攜帶,、使用方便的聲速測(cè)量?jī)x,，讓外業(yè)測(cè)繪人員徹底解決了查表法帶來(lái)的誤差巨大風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)又?jǐn)[脫了原始檢測(cè)板比對(duì)法的繁瑣操作的苦惱,。

海卓SVS1500表面聲速儀

產(chǎn)品特點(diǎn)

>精度高：采用先進(jìn)的“時(shí)間飛躍”技術(shù)何數(shù)字信號(hào)處理算法,，結(jié)合新材料、新工藝和全新的參數(shù)校準(zhǔn)方法,，.使聲速測(cè)量精度達(dá)到0.05m/s的國(guó)際先進(jìn)水平,。

>響應(yīng)快：高達(dá)30Hz的數(shù)據(jù)輸出速率，能夠快速響應(yīng)異常水流,、水域聲速的快速變化,，為聲納系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的聲速修正。

>測(cè)量穩(wěn)：采用了先進(jìn)的聲速測(cè)量方法,、傳感器和新材料,，最大程度降低環(huán)境因素對(duì)聲速測(cè)量的影響，保證聲速測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,。

>方便用：上電即可工作的即插即用模式,，適合各類外業(yè)設(shè)備使用,，專門的手部,、筆記本電腦、各類測(cè)深儀都可直接使用,，同時(shí)提供的聲速測(cè)量組件,，更適于專業(yè)用戶集成應(yīng)用。

應(yīng)用場(chǎng)景

多波束測(cè)繪,、單波束測(cè)繪,、水聲試驗(yàn)、教學(xué)研究,、海洋調(diào)查,、石油勘探、系統(tǒng)集成等,。

海卓SVP1500聲速剖面儀

產(chǎn)品簡(jiǎn)介

水中聲速剖面是諸多聲納設(shè)備工作的重要物理參量,。聲速剖面儀在海洋調(diào)查、水下工程,、水下測(cè)繪,、水下導(dǎo)航定位等諸多軍事、民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。SVP1500聲速剖面儀采用“時(shí)間飛躍”技術(shù)進(jìn)行聲速測(cè)量,，聲速測(cè)量精度達(dá)到0.05m/s，集成高精度壓力傳感器,，深度測(cè)量精度達(dá)到0.15m,，指標(biāo)達(dá)到世界先進(jìn)水平,。

海卓SVS1500聲速剖面儀

產(chǎn)品特點(diǎn)

>精度高：采用國(guó)際上最先進(jìn)的“時(shí)間飛躍”技術(shù)，提升聲速測(cè)量精度至0.05m/s,。集成高精度壓力傳感器,，深度測(cè)量精度達(dá)到0.15m。

>高采樣：聲速測(cè)量時(shí)間間隔小,，提高聲速剖面采集效率,，極大縮小單次聲速剖面測(cè)量時(shí)間。

>長(zhǎng)續(xù)航：內(nèi)置高性能鋰電池,，連續(xù)工作續(xù)航超過(guò)8個(gè)小時(shí),，便于維護(hù)。

>方便用：16G海量存儲(chǔ)空間,，可存儲(chǔ)至少4000小時(shí)數(shù)據(jù),。

使用場(chǎng)景

多波束測(cè)繪、單波束測(cè)繪,、水聲定位,、水聲試驗(yàn)、教學(xué)研究,、海洋調(diào)查,、石油勘探