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海洋声学技术日期: 2011-01-20 总浏览:

  海洋研究和开发所用的水声技术,如回声探测、被动探测、水声通讯、水声遥测和水声遥控等。
  回声探测  利用一组换能器发射声信号,通过另一组换能器接收从目标反射的回声信号,再由处理后的信号判断目标的参数和性质。
  回声测深仪  它向海底发射一束较窄的声脉冲,测量此信号由海底反射并回到水听器的时间,在声速已知的条件下,就可测出船只所在处的水深。现代大功率的测深仪,能够描绘出最深洋底的形状。多波束式或多振子的测深仪,可同时获得多个水深点的数据,并往往采用数字显示,和计算机联用而自动绘制海底地形图。
  多普勒导航仪(多普勒声呐)  根据多普勒效应,若船只和海底有相对运动,回波信号就会产生频移。同时测量 4个波束中由于船只对海底相对运动而出现的频移,经信号处理后,就可精确地测出船只对海底的运动速度,并画出航迹来。多普勒声呐也是一种引导大型船只靠岸的有效工具。
  鱼探仪  由它获得的鱼群回波,可大致判断出鱼群的位置、范围和密集程度。通常使用的垂直鱼探仪,可以探测底层的鱼类;水平鱼探仪则以探测上层和中层的鱼类为主。采用电子扫描等先进技术之后,探测的范围就大得多。
  侧扫描声纳(海底地貌仪)  用以调查海底地质地貌的水声设备,种类很多,这是其中的一种。在船的两侧安装垂直方向角较宽而水平方向角很窄的一组换能器,记录海底的散射回波,就可获得离两侧船舷一定距离内精细的海底地貌声图。为了适应深水探测的需要,也可把换能器置于拖曳体中。此仪器还可用于海底油管的铺设检查和沉埋物的搜索等水下工程中。浅地层剖面仪使用低频声信号,可以穿透地层,从其回波的分析获得底质的结构资料,故广泛应用于水下工程的地质勘探。地震探测系统使用大功率低频声源、多道接收拖曳电缆和多道数据处理记录系统,可以取得深层地质结构的资料,用于海底石油及其他矿物的勘探等。爆炸声源发出的大功率低频声波,可以穿透到很深的底层。若在离爆炸源较远的海上放置一系列水听器,就可以接收到由不同地层传来的折射波,为海底地质结构、水下石油资源等提供有价值的数据。
  在海洋水文观测中,已越来越多地应用水声测量仪器。如果把回声探测仪作相应的修改,安放于海底,使它向海面发射声脉冲,就可以测量波高和周期等,并从波高平均值的变化,获得潮位的变化规律。若把换能器安装于船舷外侧,也可测出波浪的要素。利用随海流运动的散射体的回波会出现多普勒频移的特性,可制成多普勒海流计,它可以不破坏流场而测量瞬时的低速海流。根据声波通过固定距离的传输时间和声速成比例的关系,可制成声速计,它能实时地测量海水的声速。在海洋水文调查中广泛应用水声仪器设备,是一项重大的技术改进。
  被动探测  它探测水中传来的声信息,由此判断发声体的位置和特性。其所测听的声源可分为自然声源和人为声源两类。
  自然声源  不少海洋中的动物,能够发声(见海洋生物发声)。故可利用被动探测系统监视鱼群的回游特性,并根据鱼类声音的特性来判断鱼群的种类,为海洋捕捞提供有价值的数据。深海水下的水听器系统,还能准确地测出水下地震、水下火山爆发的位置和估计其强度等。
  人为声源  鱼类对声音很敏感,并有好恶之分。故可以发出它们喜欢的声音加以诱集,发出它们不喜欢听的声音加以驱逐。根据这原理制成的声诱鱼器和驱鱼器,已开始应用于海洋捕捞中。根据不同目的,分别采用连续的、脉冲的或其他调制方式的信号源,将一种小型的声信标缚于鱼体或纳入其胃中,用被动声呐跟踪,很适合于海洋生物习性的现场研究。跟踪放于海底的小型发声体,能够了解海底石砾等的移动状态,一种船只和飞机遇险的声信标,在船只和飞机沉没于水下的一定期间内,能发出声信号以指示它的位置。利用带有声信标的中性浮标,可以测量深层的海流,如赤道深层流等。
  水声通讯  利用声波在水下传递信息。通讯的双方在水下都设置有发射器和接收器。这种通讯有两种方式:①载波语言调制声波或直接辐射语言声波。后者用于距离较近的潜水员间的通信。②数字编码是水声设备中常作为指令和控制的通讯方式。目前广泛使用的水声应答器便是数字编码通讯的典型设备,它按事先安排好的程序,自行完成各应答器和主机间的通讯。水声应答器可用于水下载体的导航和跟踪,帮助钻探船和平台准确寻找井口位置,监视水下的施工,传递水下遥测系统各水文参数讯号等。
  水声遥测系统  把所要测量的水下环境参数变换成水声信息之后,传到处理船只或岸站来,经过水声接收机处理,重新转换成相应的环境参数信息。
  海洋水文参数的水声遥测仪  它以声传输代替了操作麻烦的电缆。可以把此仪器和遥测浮标系统结合起来,由一系列的水下浮标把测量的参数通过水声信道传输到母浮标,再由母浮标把它转换成无线电信号而传到调查船或岸站来,这种遥测方式具有实时、大面积、快速和连续测量等优点。
  网位仪  水下部件缚于拖网的网口上,把获得的信息变成水声信号发射到船上来,从而监测鱼网的高度、开口的状态、拖绳的拉力、鱼群入网和分布的状态及遥测网口周围的水温等,这对提高鱼获量很有帮助。
  水声遥控系统  包括船上声指令发射机、水下声指令接收机和相应的控制机构。例如,利用水声释放器按水声释放指令把水下浮筒放掉,使其浮出水面,以便船只跟踪回收。这种遥控技术,广泛应用于海洋调查、水下工程、石油钻探和地震测量等方面,对水下油井的流量、防喷器架、输油管道的阀门和水下爆炸等,都可采用水下遥控方式。各种海洋自动机,如无人深潜器、海底自走车的行动及机械手的动作,也可采用水声遥控。
  总之,水声技术已广泛应用于海洋研究和海洋开发的各个方面,但因海水介质是一种复杂多变和多途径的声信道,水声干扰又很强烈,如上水声信息的检测仍存在一系列困难,使水声仪器的可靠性、分辨率等性能的提高受到一定的限制。为此,今后必须加强水声传输规律等基础理论的研究,注意探索新技术在水声方面应用的可能性。