声波在水中的传播特性及其工程应用

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　　声波在水中的物理特性

　　我们能听到河流、湖泊或者海洋水下的声音，包括波形、船体噪声等，即使相隔一定的距离。事实上，声音在水中的传播速度比在空气中要快很多。如鲸鱼可以用声波进行通信和交流，即使相隔几十甚至上百公里的距离。利用声波可以远距离传播的特性可以运用到水文环境测量上。

　　为了更好的理解声呐，首先你必须理解声波在水中是如何传播的。声波在水中传播是一系列的压力波。这种压力波在水中是一个特定的速度，和盐度、压力、温度有关，而在典型的海洋环境中，声波速度接近于1500米每秒。由于声波携带一系列的能量，当有声波通过时，可以利用一些声学仪器检测到压力振荡。在声波传播过程中，一部分能量会变成热量从而会造成能量的损失，随着能量的衰减，幅度响应也变小。声波的衰减程度依赖于它自身的频率，高频声波信号衰减迅速，而低频信号可以在海洋中传输很长的距离。

　　声波在传播过程中，由于介质的存在会影响到波的传播。当声波在传播过程中，遇到介质时，一部分能量会传播到介质中。能量衰减程度和介质的声阻抗，波的传播方向，新介质的表面的粗糙程度等方面有关。而一部分不能传播的能量返回到原来的介质，而反射方向依赖于原来的入射角。其余的散射到各个方向。

　　声波的反射、散射、折射

　　声呐

　　声呐是充分利用声波在水中的特性来实现远程设备检测和定位对象的的装备，主要分无源声呐和主动声呐两种。

　　  · 无源声呐主要侦听水中的目标发射出的声波信号。用来侦听船只、潜艇等其他海运自身发出的声波信号。

　　  · 主动声纳是通过产生特定的频率的声波信号，接收发射声波遇到同介质反射回来的回波的装备，从而可以测量海底深度。


　　本文主要讨论主动声呐。通过产生一系列短的声波脉冲，然后侦听到海底返回的短脉冲。定义从发射脉冲到接收脉冲的时间为声波的旅行时间，知道声波在水中的传播速度，就能计算出声波所走的距离。声波在水中产生的声波脉冲是以球状向四周传播，随着声波的传播，覆盖越来越大的区域，会导致单位面积上能量的衰减，旅行时间越长，声波衰减越多。

　　1、单波束测深声呐
       早期的回声探测装置是单波束测深声呐，一次只能测量一个海底深度点。通过记录深度和他们的物理位置，建立一个三维的海底地图。单波束测深声呐主要由发射、接收、传感器、控制和显示几个部分组成。设在船底安装换能器A和B，两换能器间隔为S，M为AB的中点，船底到海底的垂直距离为h，船舶吃水为D，水深为H (H=D+h)。

　　单波束测深原理

　　船D已知，只要确定h就可以求得水深H。水中的传播速度C为常量，声波信号从换能器O发射后沿路径AO传播到海底，经O点反射后沿路径BO回到接收换能器B的往返时间

　　当为收发合置换能器，简化为

　　2、单波束的局限性
       单波束测深有很大的局限性，不适合开展大规模的测试工作。大规模的海底测深的目的是测量海底许多临近点，这样就能获得海底地形的地貌信息。为了提高效率，新的声呐测深必须满足两点：

　　  · 能获得正确的测量深度;

　　  · 一次测量可以同时测出许多深度点。


　　针对单波束来说，当海底是平的时候，接收到的第一个回波时刻就是船底正下方的海底回波反射回的波形的旅行时间，当海底是起伏状时，第一个接收到回波不一定是船底正下方的海底回波，这种情况要产生不准确的测量深度信息。

　　单波束测深仪在某种程度上可以处理这个问题，把大部分的声能量集中在一个狭小的立体角上，然后只有覆盖的小区域返回回波信息，从而可以比较准确的测量不规则的海底深度。但是仅仅发射通过窄区域的波束不能完全满足以上二两方面。由于传感器安装到船体上，会受到波动，狭长的波束会照到分散区域，而且窄的波束传感器价格更贵。

　　测量速度，单波束测深一次只能一个深度信息，要覆盖大区域的测量，浪费人力，物力，而且代价非常高。

　　单波束测深

　　3、多波束测量方案
       多波束声呐仪一ping可以测量海底多个位置，相对于传统的回波测深仪具有很高的分辨率。相当于单波束同时在几个不同的位置进行测量。这些底的位置在地图上排列成一个连续的区域。通常是垂直于船的航向方向。

　　多波束测深工作示意图和测深原理

　　多波束一次测量可以覆盖船底下方的大片区域，相当于单波束的多次测量，在很大程度上降低船体的运营时间，但多波束系统比单波束更复杂。利用发射换能器阵列向海底发射宽扇区覆盖的声波，利用接收换能器阵列对声波进行窄波束接收，通过发射、接收扇区指向的正交性形成对海底地形的照射脚印，对这些脚印进行恰当的处理，一次探测就能给出与航向垂直的垂面内上百个甚至更多的海底被测点的水深值，从而能够精确、快速地测出沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状和高低变化，比较可靠地描绘出海底地形的三维特征。

　　总结

　　测深仪是水声领域中常用的测深设备，经常用于海水深度的测量，对船舶的运输、地形测绘及海洋工程有重要的意义。单波束波束垂直向下发射，覆盖面积小，而多波束呈扇形发射，通过舰艇航行，产生扫海的效果。多波束测深技术从原先的点线状扩展到面状，并进一步发展到立体测图，从而使海底地形测量技术发展到一个较高的水平。

　　多波束测深能够对水下地行进行全覆盖测量，具有同步测深点多、测量快捷、全覆盖等特点，能完成常规方法无法完成的测量任务，尤其适用于大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量等。因而在堤防安全、溃口、崩岸监测、水下工程施工监测、港口及疏浚工程监测、水下物体摸探及打捞等方面具有其他方法不可替代的作用。

　　参考文献：

　　[1] 李国庆.单波束测深仪设计与实现哈尔滨：哈尔滨工程大学硕士学位论文，2009

　　[2] 樊小涛.多波束与单波束测深技术应用精度对比及实用性分析.测绘学报.2014

　　[3] 郑庆涛.多波束与单频测深技术应用比较.水利水文自动化.2007;3(1): 25-28

　　来源： 海洋信息(ID：)Hi-marine，作者：常小磊