声速计

声速测量仪

声速计（sound velocimeter）也叫声速测量仪或声速仪，是用来测量介质中声波传播速度的仪器。工作原理是基于测量声波通过两定点间的传播时间。常采用的方法有相位法和环鸣法等。相位法一般使用连续波，测量固定两点之间的相位差，再换算成为声速；环鸣法一般由发射器发射短脉冲，脉冲到达接收器后触发一次脉冲，利用脉冲重复频率换算为发射器与接收器之间介质的声速。

脉冲相位型

工作原理

图（1）为仪器方框图(不包括电源部分)，脉冲发生器产生一列50kc的电脉冲，加至发射换能器上，使其发射一列重复频率为50kc的声脉冲束，经过固定声程由接收换能器转变为电信号，经放大，整形得到一列接收脉冲，送至时间比较器。时间比较器输出的电压取决于声在海水中的传播速度和换能器之间的距离，如果换能器的距离固定不变，则只要测量接收脉冲与发射脉冲的相对时延，即可求得声速。

脉冲波经过固定声程D所需的时间为：

D为声程长度，C为声传播速度；

然而时间T可以用发射频率的时标表示，即

其中T0为发射脉冲周期

n为发射脉冲的整数倍

t为扣除脉冲整数倍后余下的时间,由(1)(2)式得

对应于不同的声速为

于是

为了使海中声速变化范围(1435~1542米/秒)落在一个量程上，拟定该仪器的声速测量范围扩展为1432~1545米/秒，

设C'1=1432米/秒，对应于t'1

C'2=1545米/秒，对应于t'2

如果发射脉冲的重复频率为50kc，即T0为20μs。必须使t'1-t'2=T0=20μs，从而得出声程的长度。

为了使声速1432米/秒落在记录纸 x 座标轴的起始端,必须选择整数倍的n。

由(4)A式得

选取n=14，则仪器声程D测=n·C1·T0=40.096厘米。

结构设计

为了有效地减少水下部件的体积，克服海流对声速测量精度的影响，采用字V字形声程结构，发射和接收换能器均采用频率相同的1.5MC的锆钛酸铅陶瓷压电晶体，从而提高接收的灵敏度，使接收放大器的电路更为简单，换能器的装配是用一根铜棒的端面和晶片的内平面硬接触，并作为换能器的引线，使晶片能在200米深的海水压力作用下，不至于发生位移或破裂。

为了便于维护和长时间的测量，拟定把水下部件的电源设置在水面读数装置，采用四芯电缆传输，其分配为，一芯传输发射脉冲和深度测量信号连线；一芯传输接收脉冲；一芯作为电源连线；一芯当作地线。为了防止输送到水面读数装置的发射脉冲与接收脉冲在长电缆中发生交连，拟定发射脉冲为负脉冲，接收脉冲为正脉冲。送至水面经放大、整形后，收、发脉冲均以负脉冲方式触发双稳态，控制测量管的导电时间，使其输出的平均电流正比于测量的声速值。

测量管的导通电流的峰值受电源电压、环境温度的影响比较大，它直接影响着声速的测量精度，为此，拟定把测量的常通电流作为声速测量的满标校准电流，测量前预先作一校正，使其在短时间内，对仪器测量精度的影响降低至最小数量级。

水面读数装置的双稳态触发器增加一个-6V的电源，使之能可靠的截止或导通，同时增加二只加速二极管，提高双稳态的翻转速度。

水面读数装置和接收放大器的输出级均采用射极互补管输出，使输出波形前后沿较陡，从而提高声速测量的线性度。为了便于维护，水上部件的电源和读数装置均采用插件式结构，水下部件采用“O”型橡皮圈水密，使其结构简单装卸方便。

环鸣型

工作原理

图2(a)和(b)是一种环鸣电路实现方案。现以图1(a)为例说明其工作原理：

环鸣工作时，由多谐振荡器提供始鸣信号，使脉冲发射器经收发换能器发射第一个短促声脉冲。声脉冲在传播中经由反射体一次反射后到达收发换能器，声程长为L；回波一旦到达，脉冲发射器立即发射第二个短促声脉冲；就这样，每一次回波的到达都立即导致下一次脉冲的发射，环鸣电路因而处于周而复始的“环鸣”状态。

环鸣电路输出波形如图3所示。图3(a)为无环鸣时即振荡器处于自激振荡状态时的输出波形，输出频率约为9.1kHz；图3(b)为环鸣时即振荡器处于受迫状态时的输出波形，输出频率就是环鸣频率f。

暂不考虑环鸣电路的电声延时，并设声脉冲在声程L(米)内以速度C(米/秒)传播了T(秒)时间，则环鸣频率f（1/秒）为

即

（7）式就是环鸣法测量声速的计算公式。关于声程L，在实施图2两种方案时，均设计成L=0.1米，且微量可调。当以L=0.1代入(7)式时，有

(8)式说明：环鸣电路输出之环鸣频率f(Hz)的十分之一就是声速C(m/s)；或者说：0.1秒内的环鸣次数就代表声速C(ms/)。显然，测量结果适于数字指示。

结构设计

图4所示为声速仪机械结构图(未画出保护罩部分)。环鸣电路板装在尺寸为φ98mm×55mm的不锈钢壳体内，并在三处采用O型橡胶密封圈防漏，外引一根三芯电缆。

声程组件是机械结构的关键部分。声程组件由收发共用探头和位置可微调的反射体组成；两者安装在壳体的盖板上，间距50mm，且±1mm连续可调。关于收发探头的设计方案见图5。试验和使用均已证明，收发探头的两种设计均能满足环鸣电路稳定工作的要求。两种设计均采用了φ12mm×0.4mm的压电陶瓷换能器作为电声转换器件，其负极直接与被测液体接触。

声程设计还考虑了温度变化对声程L的影响。设计中，盖板和反射体选用具有不同线胀系数的材料，以使温度变化对声程的影响减少至最小。

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