用于水下声速测量的装置及其使用方法

技术领域

本发明型涉及海洋科学领域，尤其涉及一种用于水下声速测量的装置及其使用方法。

背景技术

水下声速是进行水声研究和海洋工程实践所需要的最基本参数信息，它是反映海水介质特性的一个重要物理参量。水下声速指声波在水中的传播速度，由于海水介质的存在，对于除声信号以外的其他信号(如光信号、电磁信号等)的衰减十分严重，声波是目前已知的在海洋中唯一能实现远距离传播的能量信号。由于海水介质中温度、盐度分布的不均匀，形成了在海洋中不同区域、不同深度的声速之间存在着较大差别。精准的测量出水下声速，能够为鱼探仪、测深仪提供校正信息，减少仪器的测量误差，也是水下定位的重要基础信息之一，具有非常重要的意义。

当前，进行水下声速测量的方法主要有两类。一是直接测量的方法，通常利用收发换能器在固定的距离内测量声速，同时，以压力传感器和温度补偿装置进行水深测量。该方法工作原理是通过测定声脉冲通过一定距离内的时间间隔来求得声速。进行声速直接测量的声呐仪器称为“声速仪”。第二类是间接测量的方法，声速的主要影响因素是温度(T)、盐度(C)和压强(D)等，声速与上述三个参数之间存在着复杂的函数关系，诸多的海洋科学家基于此进行了不断探索，提出了多种经验公式。间接测量声速的方法就是使用仪器来测量海水中的温度、盐度和深度，然后利用相关的经验公式，进行声速的转换，进行间接声速测量时所使用的仪器。

但是海洋中声速的分布是多变的，既具有区域性变化，也具有季节性变化，甚至，同一区域不同周、不同天所测声速也各有不同。同时，温度、盐度和压力具有随深度变化的特征，因此海水声速主要在深度上会发生变化，而在深海中，进行不同深度声速测量十分困难。当前，也有诸多的经验公式，但不同经验公式所获声速差异较大。因此，研究一种通过控制水下压力、温度、盐度来模拟水下环境，从而确定不同深度水下声速的测量装置是非常有必要的。

当前，海洋中多使用温盐深仪进行间接式水中声速的测量，主要用来获取温度、盐度、深度信息，其中深度通过测量电导率获得。较常使用的温盐深仪为CTD，其主要由水中探头和记录显示器及连接电缆三大部分组成，水中探头由热敏元件和压敏元件等构成，与颠倒采水器一并安装在支架上，可投放到不同深度，进行温盐深等信息的采集以及水样采集；记录显示器放置在船舱之中，除接收、处理、记录和显示通过铠装电缆从海水中探头传来的各种信息数据外，还能起整套设备的操纵器功能；连接电脑起到连接探头和显示器，进行数据传输的作用。也有投掷式的温盐深仪XBT，其构造与CTD相似，只是探头与记录显示器之间由较细的信号传输线进行连接，而不是铠装电缆，探头测量到的相关信息通过导线传输到接收系统中，根据仪器下沉时间确定探测水层。

现有技术具有以下缺点：

1.在海洋深水域声速测量时，使用声速仪进行直接测量时，虽然所测声速准确度高，但仪器回收不方便，实施难度系数大，走航时无法测量，且设备贵重，测量效率低，获得参数单一，在大面积声速场测量中实施困难。

2.使用温盐深仪以间接方式进行声速测量时，需要参考经验公式进行声速转换，但不同地区有不同的经验公式，而且，常出现经验公式换算结果与实际声速直接存在较大差异，无法满足部分科研、工程需求。

3.当前，在进行深水域的声速测量时，往往需要较长的信号电缆，仪器回收不方便，且测量是操控难度大，特别是出现大海流、涌浪时，测量更加困难；当使用投掷式仪器进行声速测量时，进行确定水层声速测量较困难，且存在导线磨损、探头易碰撞等问题，引起数据错误。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明型提供一种用于水下声速测量的装置及其使用方法，通过该装置能模拟海洋中不同水深、不同温度、不同盐度下的声速测量，校正间接方式测量出的水中声速误差，提高CTD等仪器的测量精度。

为了实现上述目的，本发明型提供一种用于水下声速测量的装置，包括一声速测定装置、一增压泵和一控制装置；所述声速测定装置包括一声速测定容器、以及连接于所述声速测定容器的一声波发射换能器、一水听器、一温度控制器、一盐度指示器和一激光测距装置；所述控制装置连接所述声波发射换能器、所述水听器、所述温度控制器、所述盐度指示器和所述激光测距装置。

优选地，所述声速测定容器采用透明亚力克材料制成且内部形成一倒T形管道，所述倒T形管道包括一水平管道和一竖直管道，所述竖直管道的底部连通所述水平管道的中部顶面；所述竖直管道的顶部可拆卸地连接一管道转接头，所述管道转接头可拆卸地连接一增压软管并通过所述增压软管连接所述增压泵；所述水平管道的两端分别连接所述声波发射换能器和所述水听器；所述激光测距装置固定于所述声波发射换能器的一侧；所述温度控制器和所述盐度指示器固定于所述竖直管道的侧壁上。

优选地，还包括安装于所述增压软管的一第一压力显示器和一第二压力显示器；所述第一压力显示器邻近所述增压泵设置；所述第二压力显示器邻近所述管道转接头设置；所述控制装置连接所述第一压力显示器和所述第二压力显示器。

优选地，所述控制装置包括一显示器和多个控制按钮。

本发明的一种基于本发明所述的用于水下声速测量的装置的使用方法，包括步骤：

S1：将所述管道转接头自所述竖直管道顶部拆下并向所述倒T形管道内注入流体样本，所述流体样本的液面高于所述温度控制器和所述盐度指示器；

S2：在所述竖直管道顶部密封安装上所述管道转接头并通过所述管道转接头依次连接所述增压软管和所述增压泵；打开所述控制装置，所述控制装置接收盐度指示器测量的所述流体样本的盐度并显示；若所述盐度不符合所需实验条件，通过卸下所述管道转接头自所述竖直管道顶部加注淡水或盐水进行调节，直至所述盐度符合所需实验条件，再在所述竖直管道顶部密封安装上所述管道转接头并通过所述管道转接头依次连接所述增压软管和所述增压泵；

S3：启动所述增压泵并通过所述控制装置查看所述倒T形管道内的压力和温度，通过调节所述温度控制器和增放压的方式调节所述倒T形管道内的压力和温度直至满足所需实验条件；

S4：通过所述激光测距装置实时测量并纠正所述换能器和所述水听器之间的距离L；

S5：启动所述水听器，确定所述水听器工作正常；然后启动声波发射换能器发射声波，记录下发射声波的声波发射时间与所述水听器采集到声波的声波采集时间，实时测量并计算所述声波采集时间与所述声波发射时间的时间差T；

S6：对所述倒T形管道进行释压，然后等温度降低至预设温度后，排出所述流体样本；

S7：所述控制装置根据公式(1)计算所述流体样本的声速V并显示：

优选地，所述流体样本包括待测区域采集或自行配置的不同盐度和酸碱度的模拟水样或其他流体样本。

优选地，还包括步骤：改变所述倒T形管道内的压力、温度和盐度，实时显示不同状态下所述流体样本的声速。

本发明型由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

1、通过本发明可进行实验室内模拟不同环境下水中声速的测量；

2、可与CTD等温盐深仪测得的声速数据相互验证，减少了经验公式的转换误差；

3、减少船只调查时的停靠；不存在数据采集困难的问题。

附图说明

图1为本发明型实施例的用于水下声速测量的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图图1，给出本发明型的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明型的功能、特点。

请参阅图1，本发明型实施例的一种用于水下声速测量的装置，包括一声速测定装置1、一增压泵2和一控制装置3；声速测定装置1包括一声速测定容器11、以及连接于声速测定容器11的一声波发射换能器12、一水听器13、一温度控制器14、一盐度指示器15和一激光测距装置16；控制装置3连接声波发射换能器12、水听器13、温度控制器14、盐度指示器15和激光测距装置16。

声速测定容器11采用透明亚力克材料制成且内部形成一倒T形管道111，倒T形管道111包括一水平管道和一竖直管道，竖直管道的底部连通水平管道的中部顶面；竖直管道的顶部可拆卸地连接一管道转接头4，管道转接头4可拆卸地连接一增压软管5并通过增压软管5连接增压泵2；水平管道的两端分别连接声波发射换能器12和水听器13；激光测距装置16固定于声波发射换能器12的一侧；温度控制器14和盐度指示器15固定于竖直管道的侧壁上。

还包括安装于增压软管5的一第一压力显示器6和一第二压力显示器7；第一压力显示器6邻近增压泵2设置；第二压力显示器7邻近管道转接头4设置；控制装置3连接第一压力显示器6和第二压力显示器7。

控制装置3包括一显示器31和多个控制按钮32。

本实施例的一种基于本实施例的用于水下声速测量的装置的使用方法，包括步骤：

S1：将管道转接头4自竖直管道顶部拆下并向倒T形管道111内注入流体样本，流体样本的液面高于温度控制器14和盐度指示器15；

S2：在竖直管道顶部密封安装上管道转接头4并通过管道转接头4依次连接增压软管5和增压泵2；打开控制装置3，控制装置3接收盐度指示器15测量的流体样本的盐度并显示；若盐度不符合所需实验条件，通过卸下管道转接头4自竖直管道顶部加注淡水或盐水进行调节，直至盐度符合所需实验条件，再在竖直管道顶部密封安装上管道转接头4并通过管道转接头4依次连接增压软管5和增压泵2；

S3：启动增压泵2并通过控制装置3查看倒T形管道111内的压力和温度，通过调节温度控制器14和增放压的方式调节倒T形管道111内的压力和温度直至满足所需实验条件；本实施例中，倒T形管道111内的压力可通过第二压力显示器7检测获得；

S4：通过激光测距装置16实时测量并纠正换能器和水听器13之间的距离L；

S5：启动水听器13，确定水听器13工作正常；然后启动声波发射换能器12发射声波，记录下发射声波的声波发射时间与水听器13采集到声波的声波采集时间，实时测量并计算声波采集时间与声波发射时间的时间差T；

S6：对倒T形管道111进行释压，然后等温度降低至预设温度后，排出流体样本；

S7：控制装置3根据公式(1)计算流体样本的声速V并显示：

本实施例中，流体样本包括待测区域采集或自行配置的不同盐度和酸碱度的模拟水样或其他流体样本。

本实施例中，还包括步骤：改变倒T形管道111内的压力、温度和盐度，实时显示不同状态下流体样本的声速。

以上结合附图实施例对本发明型进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明型做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明型的限定，本发明型将以所附权利要求书界定的范围作为本发明型的保护范围。