水運(yùn)工程聲速剖面儀檢測(cè)方法

竇春暉，曹玉芬，張璇

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

水運(yùn)工程聲速剖面儀檢測(cè)方法

竇春暉，曹玉芬，張璇

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

聲速剖面儀是用于測(cè)量聲速在水中傳播速度的測(cè)量設(shè)備，廣泛應(yīng)用于水運(yùn)工程中聲吶設(shè)備的聲速修正，聲速作為對(duì)于聲吶設(shè)備的關(guān)鍵因素，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果和精度有直接影響。為指導(dǎo)水運(yùn)工程領(lǐng)域的聲速剖面儀生產(chǎn)和使用，對(duì)聲速剖面儀的檢測(cè)方法開(kāi)展研究，將研究成果用于聲速剖面儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)方法。研究將純水中的聲速公式與2個(gè)海水中聲速公式進(jìn)行分析比較，獲得了聲速檢測(cè)中最優(yōu)聲速公式。聲速檢測(cè)在恒溫水槽中進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻作為溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)純水中的聲速公式將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)聲速值。水深測(cè)試采用利用壓力公式將水深轉(zhuǎn)換為壓力的方法進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)器為數(shù)字精密壓力表。

聲速剖面儀；聲速檢測(cè)；聲速公式

聲速剖面儀是水運(yùn)工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的聲速測(cè)量設(shè)備，主要用于聲吶測(cè)量設(shè)備如單波束測(cè)深儀、多波束測(cè)深儀以及側(cè)掃聲吶等聲學(xué)測(cè)量?jī)x器的剖面聲速修正。聲速剖面儀作為水文資料測(cè)繪領(lǐng)域重要的聲速測(cè)量設(shè)備，除在交通運(yùn)輸部廣泛使用外，還在水利部和國(guó)家海洋局的項(xiàng)目中廣泛使用。

目前，聲速剖面儀作為聲速測(cè)量設(shè)備，僅國(guó)家海洋局標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心編制了HY/T101-2007《海水聲速儀檢測(cè)方法》，可依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，在海水的條件下，對(duì)聲速剖面儀開(kāi)展聲速、壓力、電導(dǎo)率和溫度的檢測(cè)。在全國(guó)范圍內(nèi)，無(wú)其他機(jī)構(gòu)開(kāi)展聲速剖面儀的檢測(cè)工作。在這樣的前提下，交通運(yùn)輸部開(kāi)展了聲速剖面儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究工作，并開(kāi)展了聲速剖面儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)量檢定規(guī)程的編制工作，對(duì)聲速剖面儀的生產(chǎn)、使用以及檢測(cè)聲速剖面儀的性能是否滿足水運(yùn)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(biāo)

在制定聲速剖面儀水運(yùn)工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，首先應(yīng)當(dāng)解決的是確定聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)以聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)設(shè)備選擇、檢測(cè)方法的制定，并以聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)作為判斷聲速剖面儀是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的依據(jù)。表1中列舉了水運(yùn)工程中常見(jiàn)的聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)GB12327-1998《海道測(cè)量規(guī)范》中對(duì)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(shí)際能力，結(jié)合水運(yùn)工程使用的實(shí)際情況，在聲速剖面儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)聲速剖面儀的測(cè)量范圍、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(biāo)進(jìn)行規(guī)定。

表1常見(jiàn)聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)Tab.1Technical specifications of common sound velocity profiler

聲速剖面儀的計(jì)量技術(shù)指標(biāo)是檢測(cè)其測(cè)量數(shù)據(jù)是否滿足要求的標(biāo)準(zhǔn)，聲速剖面儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)從測(cè)量范圍、最大允許誤差和重復(fù)性3個(gè)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。聲速剖面儀可以對(duì)水中的聲速、水深（或壓力）、溫度和鹽度進(jìn)行測(cè)量，溫度和鹽度并不是所有聲速剖面儀都會(huì)測(cè)量的物理量。因此，從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的普遍適用的角度出發(fā)，僅對(duì)聲速剖面儀中聲速和水深的計(jì)量技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。聲速剖面儀計(jì)量指標(biāo)要求如表2所示。

表2聲速剖面儀計(jì)量指標(biāo)要求Tab.2Measurement index of sound velocity profile

2 聲速的檢測(cè)方法

2.1 聲速的獲得方法

速度是導(dǎo)出量，無(wú)法直接定義或復(fù)現(xiàn)這個(gè)量值。水中聲速的獲得主要有兩種：一是通過(guò)測(cè)量聲音通過(guò)水中固定距離的時(shí)間，利用速度的定義計(jì)算獲得聲速；一種是采用測(cè)量水的溫度、壓力和鹽度等物理量，采用水中經(jīng)驗(yàn)公式的方式計(jì)算獲得聲速。聲速剖面儀主要依賴以上兩種原理進(jìn)行水中聲速測(cè)量。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的聲速剖面儀，以利用速度公式直接測(cè)量聲速的產(chǎn)品居多。直接測(cè)量方法主要采用環(huán)鳴法，通常是測(cè)量聲波在已知距離內(nèi)往返多次的時(shí)間（即用接收到的反射回波信號(hào)去觸發(fā)發(fā)射電路，再發(fā)射下一個(gè)脈沖，這樣不斷地循環(huán)下去），以降低對(duì)測(cè)時(shí)精度的要求［1］。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(cè)量的。從相關(guān)文獻(xiàn)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(duì)精確度不應(yīng)低于聲速的相對(duì)精度，聲速測(cè)量的相對(duì)誤差為0.2‰，換能器到反射平面的距離為70 mm，那么距離的測(cè)量精度要優(yōu)于0.014 mm，傳播距離參量只能通過(guò)標(biāo)定來(lái)獲得［2］。聲音傳播距離的標(biāo)定，采用水中的聲速公式計(jì)算或?qū)φ账新曀俦淼姆绞竭M(jìn)行。無(wú)錫海鷹加科即采用純水中的聲速表的方式，對(duì)聲速剖面儀進(jìn)行聲程標(biāo)定。

聲速剖面儀中聲速測(cè)量的結(jié)果主要來(lái)源于聲速公式。開(kāi)展聲速剖面儀的檢測(cè)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(duì)目前常用的聲速公式進(jìn)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(jìn)行比較，選擇最優(yōu)公式。海水聲速公式選擇最常用的2個(gè)國(guó)標(biāo)公式進(jìn)行比較。

2.2.1 聲速公式的選擇原則

在進(jìn)行公式選擇的時(shí)候，主要考慮公式自身的聲速準(zhǔn)確度以及公式的使用條件2個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）水中聲速公式的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)有的水中聲速公式每個(gè)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(shí)際測(cè)量的聲速結(jié)果，進(jìn)行曲線擬合，再經(jīng)過(guò)一定的修正而獲得的。在曲線擬合的過(guò)程中，公式計(jì)算的聲速值自然和實(shí)測(cè)值有一定的誤差。當(dāng)影響水中聲速為多個(gè)參量時(shí)，由曲線擬合造成的誤差會(huì)比單個(gè)參量時(shí)更大。因此，在選擇水中聲速公式時(shí)，公式自身的準(zhǔn)確度應(yīng)當(dāng)滿足聲速剖面儀技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)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(duì)水的鹽度值的要求不同；而分層聲速公式，對(duì)水深度的要求也是不同的。水中聲速的使用條件對(duì)于檢測(cè)聲速剖面儀的技術(shù)指標(biāo)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(cè)的過(guò)程中，需要模擬的環(huán)境越多，越是難以實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 純水中的聲速公式

純水中聲速測(cè)量的數(shù)學(xué)模型為

式中：Cj為第j個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)純水中的聲速，m/s；tj為標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻在第j個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的溫度值，℃。

式（1）是由國(guó)際組織NPL（National Physical Laboratory）提供，該公式在NPL的官方網(wǎng)站上名為“Techni?cal Guides-Speed of Sound in Pure Water”中提供。該公式是根據(jù)純水中每個(gè)溫度的聲速值表中提供的0～100℃的純水聲速表進(jìn)行148點(diǎn)擬合而成。在該公式下，水中聲速具有±0.017 m/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(guó)華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的幾位專家提出了Chen-Millero-Li［1998］聲速方程，在溫度、鹽度和壓力范圍方面有了進(jìn)一步的擴(kuò)展［3］。

式中：j為第j個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)；Cjo為第j個(gè)溫度點(diǎn)上恒溫槽海水中標(biāo)準(zhǔn)聲速值，m/s；Pj為聲速儀第j個(gè)溫度點(diǎn)上壓力計(jì)算值，MPa；Tjo為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫電橋在第j個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)上溫度讀數(shù)的算術(shù)平均值，℃；Sjo為恒溫槽海水在第j個(gè)溫度點(diǎn)上標(biāo)準(zhǔn)鹽度值；

該公式的使用條件為：0℃＜T＜40℃，0 MPa＜P＜100 MPa，0＜S＜40。

該公式被認(rèn)為是最準(zhǔn)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(cè)量準(zhǔn)確度［4］。同時(shí)，該公式為海洋行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)HY/T 101-2007《海水聲速儀檢測(cè)方法》中推薦的聲速公式［5］。

2.2.4 海水中的聲速公式Wilson簡(jiǎn)化公式

1975 年，美國(guó)的Medwin在Wilson公式的基礎(chǔ)上提出了簡(jiǎn)化Wilson聲速公式［6］。

式中：C為聲速，m/s；T為溫度，℃；S為鹽度，1‰；D為深度，m。

Wilson精確公式，在溫度-4℃＜T＜30℃、壓力1 kg/cm2＜P＜1 000 kg/cm2和鹽度0＜S＜37的范圍內(nèi)，可獲得精度優(yōu)于0.3 m/s的聲速，比較適合我國(guó)海區(qū)［7］。式（3）所示的Wilson與GB12372-1998《海道測(cè)量規(guī)范》附錄G中規(guī)定的聲速計(jì)算公式［8］，可以認(rèn)為是國(guó)標(biāo)公式。

2.2.5 聲速公式的比較

從測(cè)量準(zhǔn)確度上來(lái)說(shuō)，純水中的聲速公式，由于輸入的物理量少，僅有溫度一個(gè)輸入量，其準(zhǔn)確度遠(yuǎn)高于海水中的聲速公式的準(zhǔn)確度。海水中的聲速公式，式（2）Chen-Millero-Li聲速方程的準(zhǔn)確度高于式（3）Wilson的簡(jiǎn)化式，Wilson的簡(jiǎn)化公式僅可以在工程測(cè)量時(shí)作為聲速校準(zhǔn)時(shí)使用，不可作為檢測(cè)聲速剖面儀聲速性能指標(biāo)的公式使用。

式（2）Chen-Millero-Li聲速方程中的Cw項(xiàng)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)上，增加壓力、鹽度修正得來(lái)。將Cw中的壓力P設(shè)為0，可對(duì)比2個(gè)純水中的聲速公式進(jìn)行比較，選擇比較的溫度為5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，比較結(jié)果如表3所示。

從2個(gè)公式的比較結(jié)果來(lái)看，在30℃時(shí)，2個(gè)公式擁有最大的誤差0.017 m/s，遠(yuǎn)小于聲速剖面儀要求的聲速最大允許誤差±0.2 m/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(shí)驗(yàn)室中在較小水壓力的恒溫水槽條件下使用，檢測(cè)時(shí)操作便捷。同時(shí)，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(shí)進(jìn)行穩(wěn)定控制和測(cè)量，水中鹽度數(shù)據(jù)難以測(cè)量的難點(diǎn)。因此，選擇純水中的聲速公式作為最終檢測(cè)使用的公式。

聲速剖面儀的廠家在聲程標(biāo)定的過(guò)程當(dāng)中，多采用純水中的聲速公式，當(dāng)時(shí)聲速剖面儀在實(shí)際的使用過(guò)程中，大多是有鹽度的條件下，難以達(dá)到純水的要求。為了方便用戶使用，聲速剖面儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，提供了式（2）Chen-Millero-Li［1998］聲速方程作為附錄，供檢測(cè)使用。

2.3 聲速檢測(cè)步驟

根據(jù)水運(yùn)工程聲速剖面儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，聲速的檢測(cè)應(yīng)當(dāng)在恒溫的水環(huán)境下進(jìn)行。要求可以淹沒(méi)聲速剖面儀，并具有±0.02℃的溫場(chǎng)均勻度。聲速剖面儀的檢測(cè)設(shè)備選擇為恒溫水槽、二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻和具有四線制電阻測(cè)量功能的數(shù)字萬(wàn)用表。

在恒溫水槽的條件下，選擇5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃作為溫度檢測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)溫度檢定點(diǎn)處穩(wěn)定3 min，讀取溫度值，代入純水中的聲速公式，進(jìn)行溫度檢測(cè)。選擇20℃溫度檢測(cè)點(diǎn)，連續(xù)測(cè)量的10個(gè)聲速值，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)價(jià)其重復(fù)性。

3 水深的檢測(cè)方法

水深測(cè)量是幾何量測(cè)量，采用標(biāo)準(zhǔn)水深直接比對(duì)的方法開(kāi)展水深檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。聲速剖面儀中的水深測(cè)量，大多利用了壓電傳感器進(jìn)行壓力測(cè)量，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(cè)量結(jié)果。因此，聲速剖面儀水深檢測(cè)時(shí)，可將聲速剖面儀輸出的壓力結(jié)果直接與壓力標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。

式中：P為水深對(duì)應(yīng)的壓力值，MPa；ρ為1990年國(guó)際溫標(biāo)純水密度值，kg/m3；g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?，m/s2；h為聲速剖面儀測(cè)量的水深值，m。

在水運(yùn)工程水文測(cè)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)的聲速參數(shù)檢測(cè)采用的是純水中的聲速公式，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擁有純水的檢測(cè)條件，水運(yùn)工程領(lǐng)域的水深測(cè)量在100 m以內(nèi)可以滿足絕大部分的測(cè)量需求，因此在水深-壓力轉(zhuǎn)換公式上選擇式（4）。

表3純水聲速計(jì)算值比較結(jié)果Tab.3Comparison results of pure water velocity calculation

4 結(jié)論

聲速剖面儀聲速和水深的檢測(cè)方法，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的，檢測(cè)方法寫入聲速剖面儀的聲速行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。聲速剖面儀的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 964－2015《水運(yùn)工程聲速剖面儀》于2015年7月31日起頒布實(shí)施。

聲速剖面儀中聲速的檢測(cè)方法是通過(guò)純水中的聲速公式計(jì)算的方法獲得，這種方法在當(dāng)前的技術(shù)條件和設(shè)備條件下，可以滿足當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)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(wú)法復(fù)現(xiàn)聲速的量值，與聲速剖面儀的實(shí)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(cè)量一段距離內(nèi)的聲速繼續(xù)開(kāi)展研究。

［1］趙先龍.聲速儀的設(shè)計(jì)［J］.海洋測(cè)繪,2002（1）：54-56. ZHAO X L.Design of sound velocity meter［J］.Hydrographic Surveying and Charting,2002（1）：54-56.

［2］關(guān)致和，趙先龍，王莉娜，等.HY1200系列聲速剖面儀及其應(yīng)用［J］.海洋測(cè)繪,2003（3）：430-434. GUAN Z H,ZHAO X L,WANG L N,et al.HY 1200 Sound Velocity Profiler and its Application［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2003（3）：430-434.

［3］周豐年，趙建虎,周才揚(yáng).多波束測(cè)深系統(tǒng)最優(yōu)聲速公式的確定［J］.臺(tái)灣海峽,2001,20（4）：411-418. ZHOU F N,ZHAO J H,ZHOU C Y.Determination of classic experiential sound speed formulae in multibeamecho sounding system［J］.Journal of Oceanography In Taiwan Strait,2001，20（4）：411-418.

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［5］HY/T 101-2007,海水聲速儀檢測(cè)方法［S］.

［6］申家雙,王瑞,謝錫君.回聲測(cè)深儀的聲速改正［J］.海洋測(cè)繪,1995（1）：47-51. SHEN J S,WANG R,XIE X J.Sound Velocity Correction of Echo Sounder［J］.Hydrographic Surveying and Charting,1995（1）：47-51.

［7］管錚.在我國(guó)使用聲速改正公式的精度分析［J］.海洋測(cè)繪,1990（3）：32-37. GUAN Z.Accuracy Analysis of the Sound Velocity Correction Formula in China［J］.Hydrographic Surveying and Charting,1990（3）：32-37.

［8］GB12372-1998，海道測(cè)量規(guī)范［S］.

Method for measuring sound velocity profile in water transport engineering

DOU Chun?hui,CAO Yu?fen，ZHANG Xuan
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Sound velocity profiler is velocity measuring equipment,which is mainly used for velocity correc?tion of sonar measuring instrument.To guide the production and use of sound velocity profiler in water transport en?gineering,the testing method of sound velocity profiler was researched.Research results were used for the develop?ment of standards.The technical requirements of velocity and depth parameters were put forward in the research.In the research,the formula of sound velocity in pure water was compared with that of the two sea water,and the opti?mal velocity formula was obtained.Sound velocity measurement was carried out in a constant temperature water tank.Standard platinum resistance was used as temperature measurement standard.The temperature was converted to the standard velocity by the sound velocity formula in pure water.The method of measuring the depth of water by using the pressure formula was used to detect the depth of the water.Digital precision pressure gauge was used as pressure measurement standard.

sound velocity profiler;sound velocity test;velocity formula

TB 566；O 422.1

A

1005-8443（2015）06-0601-04

2015-08-11；

2015-11-05

交通運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量及質(zhì)量研究項(xiàng)目“聲速剖面儀計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究”（2013 459 221 280）

竇春暉（1983-），男，天津市人，工程師，主要從事水運(yùn)工程檢測(cè)設(shè)備計(jì)量工作。

Biography：DOU Chun?hui（1983-），male，engineer.