95第三章 船用回声测深仪船用回声测深仪（echo souder）是利用超声波在水中的传播物理特性而制成的一种测量水深的水声导航仪器船用回声 测深仪实现测深的基础是：通 过测量超声波（ultrasonic wave）自发射经水底反射至接收的 时间间隔，从而确定水深早期的船用回声测深仪设计与结构较为简单，如 闪光式测 深仪通过机械触发方式控制超声波的发射与计时，以模拟 刻度盘的方式显示水深读数，其特点是设备成本低，但测量精度差，设备故障率高，使用维护麻烦现代的船用回声测深仪普遍采用了先进的数字处理技术，通过软件控制超声波的发射和接收；同时使用高清晰度的液晶显示器（LCD）和菜单式的人机友好界面，可通过键盘操作来控制整机工作，而且可显 示回波图像或存储数字水深信息，实现深度报警、数据打印等功能，如南京新吉坡船用电 子有限公司生产的 ED-162 型测深仪、挪威 SKIPPER 电气公司生产的 GDS101 型测深仪、日本 JMC 公司生产的 F-3000 型测深仪等船用回声测深仪用于发射和接收超声波的设备是水声换能器（transducer），可实现电能与声能的相互转换，常用的水声 换能器有磁致伸缩换能器（ magnetostrictive transducer）和电致伸缩换能器（electrostrictive transducer ）两种。
在航海上，船用回声测深仪的主要用途是：1．在情况不明的海域或浅水航区航行时， 测量水深以确保船舶航行安全2．在其他导航仪器失效的特殊情况下，可通过测量水深来辨 认船位3．用于航道及港口测量方面，提供精确的水文资料4．现代化多功能的船用测深仪还 可实现水下勘测、 鱼群探 测跟踪等功能第一节 回声测深仪工作原理一、回声测深仪工作原理回声测深仪是利用测量超声波自发射至被反射接收的时间间隔来确定水深的测量水深的原理如图 3-1 所示在船底装有发射超声波的发射换能器A 和接收超声波的接收换能器 B，A与 B 之 间的距离为 S，S 称为基线发射换能器 A 以间歇方式向水下 发射频率为 20～200kHz 的超声波脉冲，声H水面hDSA BMO图 3-1 回声测深仪工作原理96波经海底反射后一部分能量被接收换能器 B 接收从 图 3-1 知，只要 测出声波自发射至接收所经历的时间，就可由下列公式求出水深：（3-222 )(SCtDAMODhH1）式中：H 为水面至海底的深度； D 为船舶吃水；h 为测量水深； S 为基线长度；C 为声波在海水中的传播速度，声波在海水中的 标准声速为 1500m/s；t 为声波自发射至接收所经历的时间。
若换能器是收发兼用换能器，即 AB=S=0，取 C=1500 m/s,则测量水深 h 可表示为（3-tCh750212）二、回声测深仪各部分组成及工作过程回声测深仪的整机方框图如图 3-2所示显示器是整机的中枢，其作用是控制协调整机工作，测量声波往返 时间并将其换算成水深加以显示发 射系统（transmit system）将显示器的 发射指令变为一定脉冲宽度、频率和输出功率的 电振荡脉冲去推动发射换能器工作发射换能器将电振荡信号转变为机械振动信号，即将电能转换为 声能，形成超声波信号向海底发射接收换能器的作用与发射换能器正好相反，它将从海底反射来的声波信号转变为电振荡信号，即将声能 转换为电能接收系统（receiver system）的作用是：将来自接收换能器的回波信号加以适当地放大、选择和处理，变换为适合显示器所需的回波脉冲信号电源设备通常为机器内部的电源或专用的变流机，目前大多数 测深仪都可直接接船电工作现代的回声测深仪，除换能器外，其它各部分均安装在同一机壳内，形显示器发射系统 接收系统发射换能器 接收换能器电源设备图 3-2 回声测深仪整机方框图图 3-3 回声测深仪工作时序图τtttttT触发脉冲发射脉冲接收脉冲深度显示零点信号回波信号97成测深仪的主机部分。
回声测深仪的工作过程可以由工作时序图予以描述，如 图 3-3 所示显示器内的发射触发器按一定时间间隔 T 产生触发脉冲，该脉冲触发发射系统产生一定宽度 τ 和一定输出功率的电振荡发射脉冲 发射换能器将 电振荡发射脉冲转变为工作频率为 20～200kHz 的超声波脉冲向海底发射在发射同时， 显示器将产生与发射脉冲同步的零点信号，表示计时开始接收换能器将来自海底的声波反射信号 转变为电振荡接收脉冲信号，经接收系统放大、处理后形成回波信号送至显示器显示器累计回波信号和零点信号间的时间间隔，并按深度公式 转换为深度予以显示三、闪光式测深仪工作原理闪光式回声测深仪是早期一种典型的回声测深仪，它的 结 构与设计较为简单其工作原理如图 3-4 所示时间电机是闪光式测深仪显示装置的驱动部分，它的 转速要求恒定时间电机的转速可通过变速箱内的变速齿轮予以变速， 变速比的不同决定了 测深仪量程的变化 带有氖灯的转盘在时间电机的驱动下匀速旋转，当 氖灯刚好转至固定刻度 盘的零位时， 氖灯被点亮一次，其光线透过转盘上的缝 隙在刻度盘零位处可看到一窄光 线，表示零点信号，即为计时开始与此同时，凸轮压合触片，使发射触发器产生触发脉冲送至发射系统，经发射系统形成发射脉冲后送至发射换能器向海底发射超声波脉冲。
接收换能器将反射来的回波信号送至接收系统放大处理后形成电脉冲回波信号，再次点亮氖灯，此 时氖灯随转盘转过的角度即对应着测量深度的大小四、回声测深仪的主要技术指标（一） 最大测量深度时间电机刻度盘 转盘发射触发器凸轮氖灯变速箱发射系统接收系统发射换能器接收换能器O图 3-4 闪光式测深仪工作原理98最大测量深度是测深仪可能测量到的最大深度国 际海事 组织（IMO ）建议，适用于远洋船舶的测深仪，其最大测量深度 为 400m；沿海船舶的测 深仪的最大测量深度为100～200m最大测量深度与发射功率、换能器效率和工作频率等因素有关，发射功率越大，测量深度越深；换能器效率越高，能量 损耗小， 测量深度越深；工作 频率低，传播损耗小，测量深度越深，所以在一定的发 射功率条件下， 应选用较低的工作 频率最大测量深度与脉冲重复周期也是密切相关的由于测量的最大 时间间隔只能是两次发射的间隔时间 T，即脉冲重复周期， 为了使显示器所显示的深度不会超过最大测量深度，实际设计的脉冲重复周期总是略大于最大测量深度所需要的声波往返时间，即 T>t二） 最小测量深度最小测量深度是测深仪能测量出来的最小深度 发射脉冲 宽度 τ是决定最小测量深度的主要因素，测深仪实际能测 出的最小深度应大于 τ所对应 的深度。
适用于远洋船舶的测深仪的最小测量深度一般为 1～2m ，而浅水测深仪的最小测量深度可达 0.2～0.3m三） 测深仪误差测深仪的误差包括声速误差、 时间电机转速误差、基 线误差、零点误差等，测深仪的误差在浅水范围内允许误差为±1m ，深水范 围内允许误差为 ±5m 或±5% 四） 显示方式IMO 规定记录式显示方式为测深仪必须具备的显示方式数字式显示方式在现代测深仪中应用较多常用的如发光二极管（ LED）显示方式，以及兼具探鱼与水下勘测功能的阴极射线管（CRT）显示方式和液晶（ LCD）显示方式五、水声换能器换能器（transducer）是实现电能与声能相互转换的器件用于将电振荡能量转换为声能向水下发射超声波的换能器称为发射换能器，用于将海底反射回来的超声波声能 转换为电振荡能量的换能器称为接收换能器 发射换能器和接收换 能器可以收发分开，也可收 发兼用一）换能器的种类及工作原理换能器按材料划分为两种：一种是以镍或镍铁合金为材料的磁致伸缩换能器（magnetostrictive transducer）；另一种是以钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷为材料的电致伸缩换能器（electrostrictive transducer）。
磁致伸缩换能器是利用具有磁致伸缩效应的铁磁材料制成的所谓的磁致伸缩效应是指已磁化的铁磁材料在磁场的作用下，沿磁力 线方向会产 生相应的伸缩形变；或在外力作用下，伸缩形变的铁磁材料会引起其内部磁 场强度的变化这种可逆的物理现象正好被用来实现电能（磁能）和声能间的相互转换目前的磁致伸 缩换 能器一般都采用镍和镍铁合金材料制作，它们具有不易受海水腐 蚀且加工容易等特点物理实验表明，未经磁化的镍换 能器，其振 动频率是外加电 源频率的 2 倍，而预先经过适当磁化的镍换能器的振动频率与外加电源频率相同作为接收换能器的镍材料，若未经预先磁化，则在接收反射回波 发生机械振动时，就不可能有磁场的变化而产生电信号99所以，必须对新的或长期不用的 镍换能器事先向其绕组通以直流 电，使其具有或恢复磁性，该措施称为充磁充磁的目的是 为了避免产生倍频和获得 较高的磁致伸缩效应电致伸缩换能器是利用压电陶瓷材料的电致伸缩效应制成的自然界中某些压电陶瓷材料，如钛酸钡和锆钛酸铅，在外力的作用下，沿外力方向产生相对伸缩形变时，将引起其内部电场强度的变化，或者在外加 电场的作用下，沿 电场方向 产生相对伸缩形变，这种现象称为电致伸缩效应。
这种可逆性效 应实质上就是电能与机械能（声能） 间的相互转换，正好被用来制作回声测深仪的换能器因 为锆钛酸铅材料来源丰富、成本低、性能 优良、稳定性好，所以目前选用锆钛酸铅压电 陶瓷材料制成的电致伸 缩换能器很普遍二） 换能器的安装换能器的安装要求有如下几点：1. 换能器在船底的安装位置应使其周围杂声干扰最小应尽量远离机舱、螺旋 桨，也不能靠近船首，同时应避开排水口、海底阀及其他有碍水流平 顺的凸出物换能器一般装于距离船首 1/2～1/3 船长处2. 换能器的安装不能降低船体结构强度和水密性能 换能器安装于船底，无论是开启式或密封式安装，均需在船底开洞，因此应在开洞处采用法兰盘进行加固；同时，在安装换能器的舱室内，应增设便于安装和 维护的水密舱，以保 证船舶安全和防止渗漏3. 换能器的工作面应力求与船底水平面平行4. 换能器的工作面不得涂敷油漆油漆对声能吸收很大，将使回波信号显著减弱，甚至使测深仪不能工作若发现换 能器表面有油漆或其他油 污， 应彻底予以清除干净5. 换能器的引出电缆应使用屏蔽 电缆；换能器的两根引出 导线之间应有良好的绝缘，屏蔽层与钢管应良好接地第二节 回声测深仪误差回声测深仪的误差是指测深仪测量显示的水深与实际水深之差值。
回声测深仪的误差有的可借助仪器本身予以调整，有的只能凭使用人 员的经验 、技 术水平予以修正测深仪的误差主要有：声速误差、时间电 机转速误差、零点 误差和基 线误差等此外，船舶 摇摆、海水中气泡、海底底质与坡度、船速、换能器工作面附着物等因素也会对测深仪工作产生一定的影响一、声速误差声波在海水中的传播速度随着海水的温度（t）、含 盐量（δ）和静压力（P）的上升而变快，其中尤以温度变化的影响最为显著 显然，声波在海水中的传播速度并非一个常量，它一般需要通过大量的实测数据进行分析计算得到 为了统一口径和 简化设计，船用水声 导航仪器通常以 1500m/s 作为标准 设计声速由于船舶所在海域实际声速与测深仪的设计声速不一致而产生的测量误差称为声速误差声速误差的修正公式如下表示： 显 示 水 深标 准 声 速实 际 声 速实 际 水 深 100实际声速大于标准声速时，则实际 深度要大于显示深度；反之，则实际深度小于显示深度商船的声速误差一般无须进行修正，但在声速 变化显著的航区航行 时， 驾驶员应加以留意如船舶从海洋驶入内河航行 时，可能因含 盐量变化引起 实际声速小于标准声速而导致显示深度大于实际水深，从而影响船舶安全航行。
二、时间电机转速误差时间电机转速误差是指闪光式和记录式测深仪中的时间电机转速与其额定转速不一致所产生的测量误差在闪光式和记录式测深仪中， 时间电机。