聲學(xué)多普勒流速儀工作原理

聲學(xué)多普勒流速儀工作原理

聲學(xué)多普勒測量原理
采用多普勒頻移物理原理來測量水流速度
多普勒效應(yīng)（多普勒頻移）：
某一個聲源（超聲波）發(fā)出的聲波被另一個接收體接收并反射
如果該聲源相對于接收體是移動的，接收體接收到的聲波頻率將會與聲源的發(fā)射頻率有差異
如果兩個物體之間的相對距離是減少的，接收的頻率會增加
如果兩個物體之間的相對距離是增加的，接收的頻率就減小
聲學(xué)多普勒測量原理
這樣的多普勒效應(yīng)在日常生活中經(jīng)常會發(fā)生
當(dāng)你聽到迎面開來的一列火車氣笛聲或者一輛警車的警報聲（一個聲源），聲音會顯得頻率較高；而當(dāng)火車或者警車離你遠(yuǎn)去時，則聽到的聲音會變成較低的聲音
注意：
速度V代表了聲源和接收器之間的相對速度（也就是改變了二者之間距離的運(yùn)動）
垂直于聲源和接收器之間聯(lián)線的運(yùn)動不會導(dǎo)致多普勒頻移
聲學(xué)多普勒測量原理
超聲波在水中的傳播速度C會受到水溫的變化而變化
同樣的水流速度，會因為水溫的改變，而產(chǎn)生不同的多普勒頻移
所有的多普勒儀器都帶有一個水溫傳感器
在測量多普勒頻移的同時，測量水溫，并在計算中對流速的計算進(jìn)行補(bǔ)償和修正
聲學(xué)多普勒測量原理
超聲波傳播的距離（包括反射回來的距離），與超聲波發(fā)射的頻率有關(guān)
頻率越高，超聲波的聲能越容易被水中的懸浮顆粒所吸收
這樣測量的距離就越小，但是測量的精度會提高
聲學(xué)多普勒測量原理
超聲波傳播的距離還與水中的懸浮顆粒的含量（通常稱為含沙量）有關(guān)
含沙量越大，超聲波被吸收的聲能就越多，同樣的也會減小儀器的測量距離
但是，由于含沙量僅僅是吸收超聲波的聲能，并不改變超聲波的傳播速度，所以并不影響超聲波的測量精度
聲學(xué)多普勒水流剖面儀測量原理
聲學(xué)多普勒水流剖面儀的英文名字：Acoustic Doppler Current Profiler
通常，我們會簡稱為 ADCP
聲學(xué)多普勒水流剖面儀測量原理
有多個超聲波換能器（探頭）同時向多個方向發(fā)射超聲波
因為自然界的水中都有一些懸浮顆粒，這些在不同距離的懸浮顆粒會將傳播到該位置的部分聲波反射回發(fā)射的儀器
儀器收到不同距離的反射信號之后就可以加以分析
聲學(xué)多普勒水流剖面儀測量原理
如果這些懸浮顆粒是向著儀器迫近，反射的頻率會高于發(fā)射的頻率
如果是遠(yuǎn)離則會低于發(fā)射頻率
ADCP借著這種頻率的微小差異，代入上述的多普勒頻移方程式，就可以計算出水流的速度
聲學(xué)多普勒水流剖面儀測量原理
儀器放進(jìn)水中并不清楚實際的水流流向。通常， ADCP會有二到三個發(fā)射探頭
根據(jù)幾何學(xué)原理，二個方向的測量可以計算出平面的二維流速，而三個方向的測量就可以計算出水中三維的流速流向
至于測量不同深度流速的原理也很簡單，水越深處的數(shù)據(jù)反射回來得越慢，將各個時段傳回的數(shù)據(jù)分別運(yùn)算就可以知道各層次的流速流向
剖面儀的工作原理
SonTek的產(chǎn)品，從它們的工作原理方面來劃分，可以分為二大類
其中的一類稱為多普勒剖面儀
另一類則稱為多普勒流速儀
剖面儀的工作原理
多普勒剖面儀是采用了收發(fā)兼容的聲學(xué)換能器
同一個換能器在發(fā)出一組超聲波后，等待接收從不同距離的水中懸浮顆粒發(fā)射回來的超聲波信號；然后分段接收不同距離水流的速度和方向。對于安裝在水面或海底的垂直方向發(fā)射的多普勒剖面儀，通常會采用一種稱為底跟蹤的技術(shù)，在發(fā)射的途中遇到河底，會有一個很強(qiáng)信號的反射，用這種方法可以判斷是否測到了河底或水面
剖面儀的工作原理
剖面儀可以測量不同距離、不同單元，或者說不同剖面的流速流向
如果超聲波是垂直方向發(fā)射，還可以測量水深或水位
剖面儀的工作原理
剖面儀的探頭若是安裝成向下或向上發(fā)射超聲波，在水面部分和靠近底部都會有一定范圍的聲波盲區(qū)，即在這部分的流速是測量不到的
但是在軟件的平均流速計算和流量計算中都會用流速分布的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，大大地減小了測量誤差
同樣，剖面儀的探頭若是水平發(fā)射的，在離開探頭前方的一定距離內(nèi)也會有盲區(qū)，通常我們會避開測量這段距離的流速
不同工作頻率所帶來的盲區(qū)也不同，工作頻率越低，可以測量的范圍越大，但是相應(yīng)的盲區(qū)也增加
流速儀的工作原理
多普勒流速儀是采用了收發(fā)分置的聲學(xué)換能器（探頭）
發(fā)射超聲波的換能器只是發(fā)射信號，而另外的二個或三個換能器接收固定點中的懸浮顆粒，反射回來的超聲波信號
流速儀的工作原理
由于收發(fā)分置的多普勒流速儀產(chǎn)品只是測量換能器附近點的流速
這類儀器的工作頻率通常是較高
測量的精度很高，通常用于科學(xué)研究中