超聲波測深技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用

周俊峰

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，信息化技術(shù)被應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，促進(jìn)了各個領(lǐng)域的發(fā)展。在水文領(lǐng)域進(jìn)行信息化的建設(shè)，水文領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。在生物技術(shù)與信息化技術(shù)的影響下，水文領(lǐng)域利用高新技術(shù)改造水利行業(yè)，并運用自動化技術(shù)、超聲波技術(shù)等高科技，促進(jìn)了水文領(lǐng)域的全面性的科技發(fā)展。本文分析了超聲波探測技術(shù)在水文監(jiān)測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超聲波；水文監(jiān)測

各國科學(xué)家們自十九世紀(jì)便開始了超聲波技術(shù)的研究，距今已有上百年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，超聲波技術(shù)得以繼續(xù)發(fā)展，如今更是被應(yīng)用到了各個領(lǐng)域。其中在湖泊、江河等水文監(jiān)測中應(yīng)用超聲波技術(shù)，有利于提高水深和水流速及流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性。我國先后研發(fā)了船用回聲探深儀、水文纜道探深儀、以及超聲波流速儀和水位計等。HSH-L型號的探測儀正式依據(jù)超聲波探測技術(shù)研發(fā)的，不需專門的導(dǎo)線，只需水體與纜道的鋼繩，即可成為傳輸信號的通道。并分析信號的疊加概率，從而使超聲波監(jiān)測水域深度和精度以及監(jiān)測結(jié)果的可靠性提升。

1 原理

機械振動所產(chǎn)生的機械波的其中一種即為聲波，而機械的震動頻率通常為幾赫到幾兆赫。當(dāng)頻率小于10赫時我們稱之為次聲波，而頻率在10赫至10000赫的能夠被人耳所聽見的是聞聲波也就是通稱的聲波，頻率高于聲波的即為超聲波，不為人耳索能聽見。

通過質(zhì)點的振動可以實現(xiàn)超聲波的傳播，聲波可以在具有彈性的任何物質(zhì)中進(jìn)行傳播，因為聲波穿過物體時，使質(zhì)點的順序發(fā)生了改變，且按照固定的軌道進(jìn)行移動。

直接由機械振動所產(chǎn)生的即為超聲波，通過能量轉(zhuǎn)換，可以使超聲波被控制。發(fā)射超聲波時，電能逐漸轉(zhuǎn)化為機械能從而發(fā)生震動，而在接收超聲波時，則是機械能逐漸轉(zhuǎn)成電能，對電能進(jìn)行進(jìn)一步的處理，并將相應(yīng)的結(jié)果利用數(shù)據(jù)進(jìn)行表示。

超聲波的特點為直線的傳播、折射、吸收、反射等以及波束效應(yīng)。在水文監(jiān)測中應(yīng)用超聲波測探技術(shù)的前提是對超聲波各種特性的深刻理解。

2 超聲波測流速

江河中水的流速的測量目前大都用測船或過河纜道將轉(zhuǎn)子式流速儀投入水中，記錄流速儀在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)動的次數(shù)來推算流速，所需測量時間長，效率低，勞動強度大。用超聲波測流速的方法很多，主要的有時差法、頻差法、相位差法、多普勒法等等。國內(nèi)常用的是時差法，它利用超聲波在順流和逆流中傳播速度的差異來測定水體中某一水層的平均流速的。

超聲波測流速的主要優(yōu)點是測量速度快，效率高；節(jié)省人力，減輕勞動強度；不破壞水體原有狀態(tài)，測量精度較高；便于自動控制和實現(xiàn)無人自動測量；不影響河道通航等。但超聲波測速技術(shù)要求較高，河道斷面要整齊穩(wěn)定。當(dāng)流速很大、含沙量很高時，超聲波衰減嚴(yán)重，噪音千擾也大。測速技術(shù)還需進(jìn)一步提高。

3 超聲波測水深

超聲波在某種物質(zhì)中傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)另一種物質(zhì)分界面時，一部分能量透過分界面進(jìn)入第二種物質(zhì)，另一部分能量則返回到第一種物質(zhì)內(nèi)并改變其相角，.向相反的方向傳播。將收發(fā)超聲波的換能器置放在水中一定位置，向河底或水面發(fā)射，因超聲波在水體中傳播速度是已知的，接收并記錄超聲波往返所需的時間，就很容易得到水深的數(shù)據(jù)。利用超聲波這一基本原理，可以研制出各種不同精度和用途的超聲波測深儀器。目前國內(nèi)生產(chǎn)的超聲波測深儀主要有二類：一類是船用回聲測深儀；另一類是水文纜道超聲波測深儀。

4 超聲波水位計

應(yīng)用超聲波觀測水位，其原理與超聲波測水深基本相同，但超聲波測水位的換能器是固定安設(shè)的，其方式有二種：一種是設(shè)置在江河或水庫的最枯水位以下的固定點上，并測量出固定點基準(zhǔn)高程，只要用超聲波測出換能器以_L水的深度就可以知道水位了；另一種是把換能器安設(shè)在最高水位以上的固定點上，同樣測出固定點的基準(zhǔn)高程，用超聲波觀測固定點至水面的距離也就可以知道水位了。我國目前多采用前一種。由于聲速受到溫度的影響，因此超聲波水位計都還要有溫度改正裝置超聲波觀測水位的優(yōu)點主要是不需建自記測井，節(jié)約經(jīng)費；安裝使用靈活方便，因江河中沖淤變化影響水位觀測時，儀器設(shè)備容易搬遷；便于遙測遙控。但是，目前生產(chǎn)的儀器還不適用于泥沙多、流速大的江河。

5 未來展望

加強水聲基礎(chǔ)技術(shù)的研究。我國地域廣闊，江河水庫很多，水文特性各不相同。深入研究超聲波在各種不同水文特性中的傳播、衰減、噪聲干擾等基礎(chǔ)技術(shù)，才能為超聲波儀器的設(shè)計提供正確可靠的數(shù)據(jù)，才能比較理想的選擇合理的功率、頻率和脈寬，克服盲目性，使超聲波技術(shù)在水文測驗中的應(yīng)用得到進(jìn)一步提高。

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在超聲波測探技術(shù)上應(yīng)順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，將其與計算機技術(shù)相結(jié)合，充分利用微處理機的技術(shù)，并逐漸由軟件取代儀器硬件，有利于儀器結(jié)構(gòu)的簡化，并有利于提高探測儀器的可靠性與穩(wěn)定性。還可以將超聲波測探技術(shù)與Zig Bee技術(shù)、GPS技術(shù)、RS技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合使用。從而取各技術(shù)的長處，降低各技術(shù)存在的弊端。

在水文監(jiān)測中應(yīng)用超聲波測探技術(shù)，除了可以測水深和水底地勢外，還應(yīng)拓展其他領(lǐng)域。如利用超聲波測探技術(shù)測量水底的含沙量，利用多普勒法則對水流速度進(jìn)行測量，對相關(guān)的水文儀器進(jìn)行檢測，還可以用超聲波測探技術(shù)對土壤中的含水量進(jìn)行測量。

6 結(jié)束語

對水文進(jìn)行監(jiān)測，并測量水深的重要方式之一便是通過超聲波測探技術(shù)。同以往的河底指示器進(jìn)行測量的方式進(jìn)行比較，利用超聲波進(jìn)行水文監(jiān)測具有精度較高、反復(fù)測量、并具有實時性的特點，并且超聲波測探技術(shù)正日臻成熟，其發(fā)展前景十分可觀。但是在運用超聲波測探技術(shù)時，應(yīng)注意將水下探頭水平安裝，并參照鉛魚儀器的中軸線。并且超聲波測探技術(shù)目前階段主要適用于含有較少的泥沙、儀器盲區(qū)小于水深、水流不過與湍急紊亂的水域，進(jìn)而取得較好的監(jiān)測效果。因此對超聲波測探技術(shù)應(yīng)進(jìn)行逐步完善，從而使該技術(shù)可以應(yīng)用范圍更加廣泛。

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