水運工程聲速剖面儀檢測方法.docx

1、第36卷第6期2015年12月水道德dJournalofWaterwayandHarborVol.36No.6Dec.2015水運工程聲速剖面儀檢測方法竇春暉，曹玉芬，張璇(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456)摘要:聲速剖面儀是用于測最聲速在水中傳播速度的測量:設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水運工程中聲吶設(shè)備的聲速修正，聲速作為對于聲吶設(shè)備的關(guān)鍵因素.對測量數(shù)據(jù)結(jié)果和精度有直接影響。為指導(dǎo)水運工程領(lǐng)域的聲速剖面儀生產(chǎn)和使用,對聲速剖面儀的檢測方法開展研究.將研究成果用于聲速剖面儀行業(yè)標準的制定。研究提出了聲速和水深參數(shù)的技術(shù)要求,并給出了檢測方法。研究將純水中的聲速公式與2個海水中聲速公式進

2、行分析比較，獲得聲速檢測中最優(yōu)聲速公式。聲速檢測在恒溫水槽中進行，采用標準鈕電阻作為溫度測量標準，通過純水中的聲速公式將溫度轉(zhuǎn)換為標準聲速值°水深測試采用利用壓力公式將水深轉(zhuǎn)換為壓力的方法進行檢測，標準器為數(shù)字精密壓力表。關(guān)鍵詞:聲速剖面儀;聲速檢測;聲速公式中圖分類號:TB566;0422.1文獻標識碼:A文章編號:1005-8443(2015)06-0601-04聲速剖面儀是水運工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的聲速測量設(shè)備，主要用于聲吶測量設(shè)備如單波束測深儀、多波束測深儀以及側(cè)掃聲吶等聲學測量儀器的剖面聲速修正。聲速剖面儀作為水文資料測繪領(lǐng)域重要的聲速測量設(shè)備.除在交通運輸部廣泛使用外,還在水

3、利部和國家海洋局的項目中廣泛使用。目前，聲速剖面儀作為聲速測量設(shè)備,僅國家海洋局標準計量中心編制了HYrri01-2007海水聲速儀檢測方法,可依據(jù)該標準，在海水的條件下，對聲速剖面儀開展聲速、壓力、電導(dǎo)率和溫度的檢測。在全國范圍內(nèi)，無其他機構(gòu)開展聲速剖面儀的檢測工作。在這樣的前提下，交通運輸部開展了聲速剖面儀計量標準技術(shù)研究工作，并開展了聲速剖面儀的行業(yè)標準和計量檢定規(guī)程的編制工作，對聲速剖面儀的生產(chǎn)、使用以及檢測聲速剖面儀的性能是否滿足水運工程領(lǐng)域需求具有較大的意義。1聲速剖面儀的技術(shù)指標在制定聲速剖面儀水運工程行業(yè)標準的過程中,首先應(yīng)當解決的是確定聲速剖面儀的技術(shù)指標。行業(yè)標準編制的過程

4、中，應(yīng)當以聲速剖面儀的技術(shù)指標為基礎(chǔ)進行檢測設(shè)備選擇、檢測方法的制定,并以聲速剖面儀的技術(shù)指標作為判斷聲速剖面儀是否滿足標準要求的依據(jù)。表1中列舉了水運工程中常見的聲速剖面儀的技術(shù)指標。根據(jù)GB12327-1998海道測量規(guī)范中對聲速剖面儀的技術(shù)要求,以及市面上聲速剖面儀生產(chǎn)廠家的實際能力，結(jié)合水運術(shù)指標作為判斷聲速剖面儀是否滿足標準要求的依據(jù)。表1中列舉了水運工程中常見的聲速剖面儀的技術(shù)指標。根據(jù)GB12327-1998海道測量規(guī)范中對聲速剖面儀的技術(shù)要求,以及市面上聲速剖面儀生產(chǎn)廠家的實際能力，結(jié)合水運表1常見聲速剖面儀的技術(shù)指標廠家聲速深度量程準確度分辨力址程精度分辨力無錫海鷹加科(14

5、00-1600)m/s»±0.2m/s0.01m/s0-200m0.4m0.01mAML公司SVPLCSV2(1400-1600)m/8±0.05in/s0.01m/s060MPa±0.05%FS±0.01%FSAML公司SVPLUS-15(1400-1600)m/s±0.06m/«0.015m/s050MPa0.15%FS±0.005%FSValeport公司MIDASSVX2(1400-1600)m/s±0.03m/s0.001m/s06MPa0.01%0.001%美國ODOMDigibarPro(I

6、400-1600)m/s士0.3m/s0.01m/s0100m0.31m0.01mTab.1Technicalspecificationsofcommonsoundvelocityprofiler收稿日期：2015-08-11；修回日期：2015-11-05基金項目：交通運輸部標準、計最及質(zhì)量研究項目“聲速剖面儀計量標準技術(shù)研究”(2013459221280)作者簡介:竇春暉(1983-)，男，天津市人,工程師，主要從事水運工程檢測設(shè)備計最工作。Biography:DOliChun-hui(1983-),male,engineer.工程使用的實際情況，在聲速剖面儀的行業(yè)標準中對聲速剖面儀的測量

7、范圍、功能要求、工作環(huán)境條件、外觀、最大允許誤差、重復(fù)性、密封要求和抗干擾性等技術(shù)指標進行規(guī)定。聲速剖面儀的計量技術(shù)指標是檢測其測量數(shù)據(jù)是否滿足要求的標準，聲速剖面儀行業(yè)標準從測量范圍、最大允許誤差和重復(fù)性3個技術(shù)指標進行規(guī)類別聲速深度測雖范圍1400-1600m/so0*100m.0*200m,0-500m。最大允許誤差±0.2m/s±1%F-SHi復(fù)性實驗標準差應(yīng)不大重復(fù)性實驗標準差應(yīng)不大重夏性于最大允許誤差絕對值的于最大允許誤差絕對值的0.3倍0.3倍表2聲速割面儀計量指標要求Tab.2Measurementindexofsoundvelocityprofile定。聲

8、速剖面儀可以對水中的聲速、水深(或壓力)、溫度和鹽度進行測量，溫度和鹽度并不是所有聲速剖面儀都會測量的物理量。因此，從行業(yè)標準的普遍適用的角度出發(fā)，僅對聲速剖面儀中聲速和水深的計量技術(shù)指標進行規(guī)定。聲速剖面儀計量:指標要求如表2所示。2聲速的檢測方法2.1聲速的獲得方法速度是導(dǎo)出量，無法直接定義或復(fù)現(xiàn)這個量值。水中聲速的獲得主要有兩種：一是通過測量聲音通過水中固定距離的時間，利用速度的定義計算獲得聲速;一種是采用測量水的溫度、壓力和鹽度等物理量，采用水中經(jīng)驗公式的方式計算獲得聲速。聲速剖面儀主要依賴以上兩種原理進行水中聲速測量。目前國內(nèi)外生產(chǎn)的聲速剖面儀，以利用速度公式直接測量聲速的產(chǎn)品居多。

9、直接測量方法主要采用環(huán)鳴法，通常是測量聲波在已知距離內(nèi)往返多次的時間(即用接收到的反射回波信號去觸發(fā)發(fā)射電路,再發(fā)射下一個脈沖，這樣不斷地循環(huán)下去)，以降低對測時精度的要求。在大多數(shù)的聲速剖面儀的產(chǎn)品中,換能器到反射平面的距離是難以測量的。從相關(guān)文獻和廠家提供的信息可以得到:換能器到反射平面的距離的相對精確度不應(yīng)低于聲速的相對精度,聲速測量的相對誤差為0.2知,換能器到反射平面的距離為70mm,那么距離的測量精度要優(yōu)于0.014mm,傳播距離參量只能通過標定來獲得。聲音傳播距離的標定，采用水中的聲速公式計算或?qū)φ账新曀俦淼姆绞竭M行。無錫海鷹加科即采用純水中的聲速表的方式,對聲速剖面儀進行聲程

10、標定。聲速剖面儀中聲速測量的結(jié)果主要來源于聲速公式。開展聲速剖面儀的檢測工作，必須選擇最佳的聲速公式。2.2聲速公式的選擇為了獲得最優(yōu)的水中聲速公式，對目前常用的聲速公式進行了比較。水中聲速公式，按使用環(huán)境可以分為純水中聲速公式和海水中的聲速公式，將兩種聲速公式進行比較，選擇最優(yōu)公式。海水聲速公式選擇最常用的2個國標公式進行比較。2.2.1聲速公式的選擇原則在進行公式選擇的時候，主要考慮公式自身的聲速準確度以及公式的使用條件2個方面的內(nèi)容。(1) 水中聲速公式的準確度?，F(xiàn)有的水中聲速公式每個公式的使用精度是不相同的。水中聲速公式是根據(jù)水中實際測量的聲速結(jié)果,進行曲線擬合，再經(jīng)過一定的修正而獲得

11、的。在曲線擬合的過程中，公式計算的聲速值自然和實測值有一定的誤差。當影響水中聲速為多個參量時，由曲線擬合造成的誤差會比單個參量時更大。因此，在選擇水中聲速公式時,公式自身的準確度應(yīng)當滿足聲速剖面儀技術(shù)指標檢測的要求。(2) 水中聲速公式的使用條件。水中的聲速公式是擁有一定的使用條件的:純水中的聲速公式和海水中的聲速公式，對水的鹽度值的要求不同;而分層聲速公式，對水深度的要求也是不同的。水中聲速的使用條件對于檢測聲速剖面儀的技術(shù)指標有著決定性的影響:公式的使用條件越多，在聲速剖面儀聲速檢測的過程中，需要模擬的環(huán)境越多，越是難以實現(xiàn)。2.2.2純水中的聲速公式純水中聲速測量的數(shù)學模型為C,=1.4

12、0238744x1()3+5.03836170-5.81172916x1002+7''(1)3.34638117x10-'；-1.48259672xIO%+3.16585020xl0_9t/式中:C為第，個溫度測點純水中的聲速,m/s由為標準鉗電阻在第/個溫度測點的溫度值,勾。式(1)是由國際組織NPL(NationalPhysicalLaboratory)提供，該公式在NPL的官方網(wǎng)站上名為"TechnicalGuides-SpeedofSoundinPureWater"中提供。該公式是根據(jù)純水中每個溫度的聲速值表中提供的0100幻的純水聲速表進行

13、148點擬合而成。在該公式下,水中聲速具有±0.017m/s的誤差。2.2.3海水中的聲速公式Chen-Millero-Li聲速方程1994年,美國華盛頓大學應(yīng)用物理實驗室的幾位專家提出了Chen-Millero-Li1998聲速方程，在溫度、鹽度和壓力范圍方面有了進一步的擴展。G=喝以)+"£)+叫料+D(P)S；(2)式中j為第j個溫度檢測點；G為第，個溫度點上恒溫槽海水中標準聲速值,m/s;R為聲速儀第/個溫度點上壓力計算值,MPa;7；為標準測溫電橋在第/個溫度檢測點上溫度讀數(shù)的算術(shù)平均值，弋;為恒溫槽海水在第j個溫度點上標準鹽度值；CJTeP)=1402

14、.388+5.037117；-5.80852x1O'2?；2+3.3420x1-1.4780x10_67；4+3.1464xIO9?；5+(1.53563+6.8982x10'37；-8.1788xlO52+1.3621x10_67；3-6.1185xW9T,)Pj+(3.126OxlOT；-1.7107x10_X+2.5927xIO-6/；2-2.5335xIO8?,3+1.0405x+(-9.7729x106+3.8504x10"7；-2.3643x10-9)P；C(7；，H)=(0.029-2.19x10-7；+1.4x1(T7；2)P,+(-4.76x10&q

15、uot;+3.47x1(TX-2.59x107；2罔2+2.68乂10一64(7；,P)=1.389-1.262x10'27；+7.164x10_57；2+2.006x10'67；3-3.21x10'87；4+(9.4742x10"-1.2580xlO'X-6.4885x1072+1os。7x】O'7?；3-2.0122x10”；比+(-3.9064x105+9.1041x10'7T；-1.6002x10-+7>988xlOyZ+fl.lOOx10-7+6.649xW97；-3.389xIQ-'XV/B(以,P,)=-1.

16、922xIO"-4.42xlO*5+(7.3637x10“+1.7945x1甘丁此D(P)=1.727xIO,-7.9836x10"該公式的使用條件為：0r<r<40r,0MPa<P<100MPa,0<S<40c該公式被認為是最準確的海水聲速公式，在高壓力的海水環(huán)境下,擁有較好的測量準確度。同時，該公式為海洋行業(yè)技術(shù)標準HYAT101-2007<海水聲速儀檢測方法中推薦的聲速公式。2.2.4海水中的聲速公式Wilson簡化公式1975年,美國的Medwin在Wilson公式的基礎(chǔ)上提出了簡化Wilson聲速公式。C=1449.2+4

17、.67-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.01T)(S-35)+0.017(3)式中:C為聲速,m/s;T為溫度，勾澎為鹽度，1%。;。為深度,m°Wilson精確公式,在溫度-4龍<T<309、壓力1kg/cm2<P<l000kg/cm2和鹽度0<S<37的范圍內(nèi)，可獲得精度優(yōu)于0.3m/s的聲速，比較適合我國海區(qū)。式所示的Wilson與GB12372-1998海道測量規(guī)范附錄G中規(guī)定的聲速計算公式，可以認為是國標公式。2.2.5聲速公式的比較從測量準確度上來說，純水中的聲速公式，由于輸入的物理量少，僅有溫度一個輸入量,其準確度

18、遠高于海水中的聲速公式的準確度。海水中的聲速公式，式(2)Chen-Millero-Li聲速方程的準確度高于式(3)Wilson的簡化式,Wilson的簡化公式僅可以在工程測量時作為聲速校準時使用,不可作為檢測聲速剖面儀聲速性能指標的公式使用。式(2)Chen-Millero-Li聲速方程中的Q項為純水中的聲速公式,Chen-Millero-Li聲速方程是在純水中的聲速公式的基礎(chǔ)E,增加壓力、鹽度修正得來。將。中的壓力P設(shè)為0,可對比2個純水中的聲速公式進行比較，選擇比較的溫度為5T,10Y,15T,20T,25T,30T,比較結(jié)果如表3所示。從2個公式的比較結(jié)果來看,在30Y時,2個公式擁有

19、最大的誤差0.017m/s,遠小于聲速剖面儀要求的聲速最大允許誤差±0.2m/s,純水中的聲速公式數(shù)據(jù)可信。純水中的聲速公式，僅與純水的溫度相關(guān),特別適合實驗室中在較小水壓力的恒溫水槽條件下使用,檢測時操作便捷。同時，采用純水中的聲速公式,有效地規(guī)避了溫度、壓力和鹽度難以同時進行穩(wěn)定控制和測量，水中鹽度數(shù)據(jù)難以測量的難點。因此，選擇純水中的聲速公式作為最終檢測使用的公式。聲速剖面儀的廠家在聲程標定的過程當中，多采用純水中的聲速公式，當時聲速剖面儀在實際的使用過程中，大多是有鹽度的條件下，難以達到純水的要求。為了方便用戶使用，聲速剖面儀的行業(yè)標準中，提供了式Chen-Millero-L

20、i1998速方程作為附錄,供檢測使用。2.3聲速檢測步驟根據(jù)水運工程聲速剖面儀行業(yè)標準的要求，聲速的檢測應(yīng)當在恒溫的水環(huán)境下進行。要求可以淹沒聲速剖面儀,并具有±0.02弋的溫場均勻度。聲速剖面儀的檢測設(shè)備選擇為恒溫水槽、二等標準伯電阻和具有四線制電阻測扭功能的數(shù)字萬用表。在恒溫水槽的條件下，選擇5Y,10T,15Y,20T,25T,30°C,35T作為溫度檢測點，在每個溫度檢定點處穩(wěn)定3min,讀取溫度值，代入純水中的聲速公式，進行溫度檢測。選擇20弋溫度檢測點，連續(xù)測量的10個聲速值，計算其標準偏差評價其重復(fù)性。3水深的檢測方法(4)水深測量是幾何量測量,采用標準水深直

21、接比對的方法開展水深檢測難以實現(xiàn)。聲速剖面儀中的水深測量，大多利用了壓電傳感器進行壓力測鼠，將壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為水深數(shù)據(jù)，部分聲速剖面儀可直接輸出壓力測量結(jié)果。因此，聲速剖面儀水深檢測時，可將聲速剖面儀輸出的壓力結(jié)果直接與壓力標準器的結(jié)果比較，或者將輸出的水深值利用壓力公式轉(zhuǎn)換成為壓力值,與壓力標準器的結(jié)果比較。式（4）所示為純水中的壓力和深度轉(zhuǎn)換公式。P=pgh式中:P為水深對應(yīng)的壓力值,MPa;p為1990年國際溫標純水密表3純水聲速計算值比較結(jié)果度值，kg/m'g為當?shù)氐闹亓铀俣戎担?/i為聲速削面儀測Tab.3Comparisonresultsofpurewaterveloci

22、ty5I426.1671426.1620.005101447.2791447.270.009151465.9431465.9310.012201482.3581482.3430.014251496.7041496.6880.016301509.1441509.1270.017calculation出成NPL純水聲速CML純水聲速同速誤差睡成E（M）（M）（m/«）最的水深值,在水運工程水文測繪領(lǐng)域,有若干壓力-水深轉(zhuǎn)換公式,這些公式與GPS定位數(shù)據(jù)、海水鹽度等參數(shù)相關(guān)。由于實驗室內(nèi)的聲速參數(shù)檢測采用的是純水中的聲速公式，實驗室內(nèi)擁有純水的檢測條件，水運工程領(lǐng)域的水深測母在100m以內(nèi)

23、可以滿足絕大部分的測量需求,因此在水深-壓力轉(zhuǎn)換公式上選擇式（4）。4結(jié)論聲速剖面儀聲速和水深的檢測方法，經(jīng)實驗驗證是可行的,檢測方法寫入聲速剖面儀的聲速行業(yè)標準中。聲速剖面儀的行業(yè)標準JT/T964-2015水運工程聲速剖面儀于2015年7月31日起頒布實施。聲速剖面儀中聲速的檢測方法是通過純水中的聲速公式計算的方法獲得,這種方法在當前的技術(shù)條件和設(shè)備條件下，可以滿足當前標準的需要，和生產(chǎn)廠家使用的方法具有一致性。但是這種方法無法復(fù)現(xiàn)聲速的量值，與聲速剖面儀的實際使用條件有區(qū)別。因此，在今后的科研工作中,采用直接測量一段距離內(nèi)的聲速繼續(xù)開展研究。參考文獻：1趙先龍.聲速儀的設(shè)計J.海洋測,2

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26、TIANChunhe(TianjinResearchInstitutefarWaterTransportEngineering,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)Abstract：Theoceannoise,thechangeoftheworkingenvironmentandtheinstallationoftheequipmentcouldcausethepositioningerrorintheultrashortbaselineunderwaterpositioning.Thepositionerrorcouldbedivergedbypr

27、opagationoferrorinmorethanafewhundredmeters,resultingintheeffectivepositioningdistancecouldnotbetoofar.Theapplicationofultrashortbaselinewouldbeaffecteddirectlyintheunderwaterpositioning.Inthispaper,acomprehensiveanalysisoftheerrorsourcesoftheultrashortbaselineunderwaterpositioningsystemwascarriedou

28、t,andacomprehensiveevaluationoftheerrorofthepositioningerrorwascarriedout.Severalmethodsforimprovingtheaccuracyoftheultrashortbaselinepositioningwereproposedbyanalyzingtheerroroftheultrashortbaselinepositioning,theexperimentandthedataprocessing.Keywords:ultrashortbaseline(USBL);accuracy;error;experi

29、ment(上接第604頁)echosoundingsystemIJ1JournalofOceanographyInTaiwanStrait,2001,20(4)：411-418.4ChenCT,MilleroFJ.SpeedofsoundinseawaterathighpressureJ.Acoust.Soc.Am.,1977,62(5)：1129-1136.HY/T101-2007,海水聲速儀檢測方法S.申家雙，王瑞，謝錫君.FH聲測深儀的聲速改正J.海洋測繪，1995(1):47-51.SHENJS,WANGR,X1EXJ.SoundVelocityCorrectionofEchoSoun

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