水运工程声速剖面仪检测方法

窦春晖，曹玉芬，张璇

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

水运工程声速剖面仪检测方法

窦春晖，曹玉芬，张璇

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

声速剖面仪是用于测量声速在水中传播速度的测量设备，广泛应用于水运工程中声呐设备的声速修正，声速作为对于声呐设备的关键因素，对测量数据结果和精度有直接影响。为指导水运工程领域的声速剖面仪生产和使用，对声速剖面仪的检测方法开展研究，将研究成果用于声速剖面仪行业标准的制定。研究提出了声速和水深参数的技术要求，并给出了检测方法。研究将纯水中的声速公式与2个海水中声速公式进行分析比较，获得了声速检测中最优声速公式。声速检测在恒温水槽中进行，采用标准铂电阻作为温度测量标准，通过纯水中的声速公式将温度转换为标准声速值。水深测试采用利用压力公式将水深转换为压力的方法进行检测，标准器为数字精密压力表。

声速剖面仪；声速检测；声速公式

声速剖面仪是水运工程领域应用广泛的声速测量设备，主要用于声呐测量设备如单波束测深仪、多波束测深仪以及侧扫声呐等声学测量仪器的剖面声速修正。声速剖面仪作为水文资料测绘领域重要的声速测量设备，除在交通运输部广泛使用外，还在水利部和国家海洋局的项目中广泛使用。

目前，声速剖面仪作为声速测量设备，仅国家海洋局标准计量中心编制了HY/T101-2007《海水声速仪检测方法》，可依据该标准，在海水的条件下，对声速剖面仪开展声速、压力、电导率和温度的检测。在全国范围内，无其他机构开展声速剖面仪的检测工作。在这样的前提下，交通运输部开展了声速剖面仪计量标准技术研究工作，并开展了声速剖面仪的行业标准和计量检定规程的编制工作，对声速剖面仪的生产、使用以及检测声速剖面仪的性能是否满足水运工程领域需求具有较大的意义。

1 声速剖面仪的技术指标

在制定声速剖面仪水运工程行业标准的过程中，首先应当解决的是确定声速剖面仪的技术指标。行业标准编制的过程中，应当以声速剖面仪的技术指标为基础进行检测设备选择、检测方法的制定，并以声速剖面仪的技术指标作为判断声速剖面仪是否满足标准要求的依据。表1中列举了水运工程中常见的声速剖面仪的技术指标。

根据GB12327-1998《海道测量规范》中对声速剖面仪的技术要求，以及市面上声速剖面仪生产厂家的实际能力，结合水运工程使用的实际情况，在声速剖面仪的行业标准中对声速剖面仪的测量范围、功能要求、工作环境条件、外观、最大允许误差、重复性、密封要求和抗干扰性等技术指标进行规定。

表1常见声速剖面仪的技术指标Tab.1Technical specifications of common sound velocity profiler

声速剖面仪的计量技术指标是检测其测量数据是否满足要求的标准，声速剖面仪行业标准从测量范围、最大允许误差和重复性3个技术指标进行规定。声速剖面仪可以对水中的声速、水深（或压力）、温度和盐度进行测量，温度和盐度并不是所有声速剖面仪都会测量的物理量。因此，从行业标准的普遍适用的角度出发，仅对声速剖面仪中声速和水深的计量技术指标进行规定。声速剖面仪计量指标要求如表2所示。

表2声速剖面仪计量指标要求Tab.2Measurement index of sound velocity profile

2 声速的检测方法

2.1 声速的获得方法

速度是导出量，无法直接定义或复现这个量值。水中声速的获得主要有两种：一是通过测量声音通过水中固定距离的时间，利用速度的定义计算获得声速；一种是采用测量水的温度、压力和盐度等物理量，采用水中经验公式的方式计算获得声速。声速剖面仪主要依赖以上两种原理进行水中声速测量。

目前国内外生产的声速剖面仪，以利用速度公式直接测量声速的产品居多。直接测量方法主要采用环鸣法，通常是测量声波在已知距离内往返多次的时间（即用接收到的反射回波信号去触发发射电路，再发射下一个脉冲，这样不断地循环下去），以降低对测时精度的要求［1］。在大多数的声速剖面仪的产品中，换能器到反射平面的距离是难以测量的。从相关文献和厂家提供的信息可以得到：换能器到反射平面的距离的相对精确度不应低于声速的相对精度，声速测量的相对误差为0.2‰，换能器到反射平面的距离为70 mm，那么距离的测量精度要优于0.014 mm，传播距离参量只能通过标定来获得［2］。声音传播距离的标定，采用水中的声速公式计算或对照水中声速表的方式进行。无锡海鹰加科即采用纯水中的声速表的方式，对声速剖面仪进行声程标定。

声速剖面仪中声速测量的结果主要来源于声速公式。开展声速剖面仪的检测工作，必须选择最佳的声速公式。

2.2 声速公式的选择

为了获得最优的水中声速公式，对目前常用的声速公式进行了比较。水中声速公式，按使用环境可以分为纯水中声速公式和海水中的声速公式，将两种声速公式进行比较，选择最优公式。海水声速公式选择最常用的2个国标公式进行比较。

2.2.1 声速公式的选择原则

在进行公式选择的时候，主要考虑公式自身的声速准确度以及公式的使用条件2个方面的内容。

（1）水中声速公式的准确度。现有的水中声速公式每个公式的使用精度是不相同的。水中声速公式是根据水中实际测量的声速结果，进行曲线拟合，再经过一定的修正而获得的。在曲线拟合的过程中，公式计算的声速值自然和实测值有一定的误差。当影响水中声速为多个参量时，由曲线拟合造成的误差会比单个参量时更大。因此，在选择水中声速公式时，公式自身的准确度应当满足声速剖面仪技术指标检测的要求。

（2）水中声速公式的使用条件。水中的声速公式是拥有一定的使用条件的：纯水中的声速公式和海水中的声速公式，对水的盐度值的要求不同；而分层声速公式，对水深度的要求也是不同的。水中声速的使用条件对于检测声速剖面仪的技术指标有着决定性的影响：公式的使用条件越多，在声速剖面仪声速检测的过程中，需要模拟的环境越多，越是难以实现。

2.2.2 纯水中的声速公式

纯水中声速测量的数学模型为

式中：Cj为第j个温度测点纯水中的声速，m/s；tj为标准铂电阻在第j个温度测点的温度值，℃。

式（1）是由国际组织NPL（National Physical Laboratory）提供，该公式在NPL的官方网站上名为“Techni⁃cal Guides-Speed of Sound in Pure Water”中提供。该公式是根据纯水中每个温度的声速值表中提供的0～100℃的纯水声速表进行148点拟合而成。在该公式下，水中声速具有±0.017 m/s的误差。

2.2.3 海水中的声速公式Chen-Millero-Li声速方程

1994 年，美国华盛顿大学应用物理实验室的几位专家提出了Chen-Millero-Li［1998］声速方程，在温度、盐度和压力范围方面有了进一步的扩展［3］。

式中：j为第j个温度检测点；Cjo为第j个温度点上恒温槽海水中标准声速值，m/s；Pj为声速仪第j个温度点上压力计算值，MPa；Tjo为标准测温电桥在第j个温度检测点上温度读数的算术平均值，℃；Sjo为恒温槽海水在第j个温度点上标准盐度值；

该公式的使用条件为：0℃＜T＜40℃，0 MPa＜P＜100 MPa，0＜S＜40。

该公式被认为是最准确的海水声速公式，在高压力的海水环境下，拥有较好的测量准确度［4］。同时，该公式为海洋行业技术标准HY/T 101-2007《海水声速仪检测方法》中推荐的声速公式［5］。

2.2.4 海水中的声速公式Wilson简化公式

1975 年，美国的Medwin在Wilson公式的基础上提出了简化Wilson声速公式［6］。

式中：C为声速，m/s；T为温度，℃；S为盐度，1‰；D为深度，m。

Wilson精确公式，在温度-4℃＜T＜30℃、压力1 kg/cm2＜P＜1 000 kg/cm2和盐度0＜S＜37的范围内，可获得精度优于0.3 m/s的声速，比较适合我国海区［7］。式（3）所示的Wilson与GB12372-1998《海道测量规范》附录G中规定的声速计算公式［8］，可以认为是国标公式。

2.2.5 声速公式的比较

从测量准确度上来说，纯水中的声速公式，由于输入的物理量少，仅有温度一个输入量，其准确度远高于海水中的声速公式的准确度。海水中的声速公式，式（2）Chen-Millero-Li声速方程的准确度高于式（3）Wilson的简化式，Wilson的简化公式仅可以在工程测量时作为声速校准时使用，不可作为检测声速剖面仪声速性能指标的公式使用。

式（2）Chen-Millero-Li声速方程中的Cw项为纯水中的声速公式，Chen-Millero-Li声速方程是在纯水中的声速公式的基础上，增加压力、盐度修正得来。将Cw中的压力P设为0，可对比2个纯水中的声速公式进行比较，选择比较的温度为5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，比较结果如表3所示。

从2个公式的比较结果来看，在30℃时，2个公式拥有最大的误差0.017 m/s，远小于声速剖面仪要求的声速最大允许误差±0.2 m/s，纯水中的声速公式数据可信。纯水中的声速公式，仅与纯水的温度相关，特别适合实验室中在较小水压力的恒温水槽条件下使用，检测时操作便捷。同时，采用纯水中的声速公式，有效地规避了温度、压力和盐度难以同时进行稳定控制和测量，水中盐度数据难以测量的难点。因此，选择纯水中的声速公式作为最终检测使用的公式。

声速剖面仪的厂家在声程标定的过程当中，多采用纯水中的声速公式，当时声速剖面仪在实际的使用过程中，大多是有盐度的条件下，难以达到纯水的要求。为了方便用户使用，声速剖面仪的行业标准中，提供了式（2）Chen-Millero-Li［1998］声速方程作为附录，供检测使用。

2.3 声速检测步骤

根据水运工程声速剖面仪行业标准的要求，声速的检测应当在恒温的水环境下进行。要求可以淹没声速剖面仪，并具有±0.02℃的温场均匀度。声速剖面仪的检测设备选择为恒温水槽、二等标准铂电阻和具有四线制电阻测量功能的数字万用表。

在恒温水槽的条件下，选择5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃作为温度检测点，在每个温度检定点处稳定3 min，读取温度值，代入纯水中的声速公式，进行温度检测。选择20℃温度检测点，连续测量的10个声速值，计算其标准偏差评价其重复性。

3 水深的检测方法

水深测量是几何量测量，采用标准水深直接比对的方法开展水深检测难以实现。声速剖面仪中的水深测量，大多利用了压电传感器进行压力测量，将压力数据转换成为水深数据，部分声速剖面仪可直接输出压力测量结果。因此，声速剖面仪水深检测时，可将声速剖面仪输出的压力结果直接与压力标准器的结果比较，或者将输出的水深值利用压力公式转换成为压力值，与压力标准器的结果比较。式（4）所示为纯水中的压力和深度转换公式。

式中：P为水深对应的压力值，MPa；ρ为1990年国际温标纯水密度值，kg/m3；g为当地的重力加速度值，m/s2；h为声速剖面仪测量的水深值，m。

在水运工程水文测绘领域，有若干压力-水深转换公式，这些公式与GPS定位数据、海水盐度等参数相关。由于实验室内的声速参数检测采用的是纯水中的声速公式，实验室内拥有纯水的检测条件，水运工程领域的水深测量在100 m以内可以满足绝大部分的测量需求，因此在水深-压力转换公式上选择式（4）。

表3纯水声速计算值比较结果Tab.3Comparison results of pure water velocity calculation

4 结论

声速剖面仪声速和水深的检测方法，经实验验证是可行的，检测方法写入声速剖面仪的声速行业标准中。声速剖面仪的行业标准JT/T 964－2015《水运工程声速剖面仪》于2015年7月31日起颁布实施。

声速剖面仪中声速的检测方法是通过纯水中的声速公式计算的方法获得，这种方法在当前的技术条件和设备条件下，可以满足当前标准的需要，和生产厂家使用的方法具有一致性。但是这种方法无法复现声速的量值，与声速剖面仪的实际使用条件有区别。因此，在今后的科研工作中，采用直接测量一段距离内的声速继续开展研究。

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［8］GB12372-1998，海道测量规范［S］.

Method for measuring sound velocity profile in water transport engineering

DOU Chun⁃hui,CAO Yu⁃fen，ZHANG Xuan
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

Sound velocity profiler is velocity measuring equipment,which is mainly used for velocity correc⁃tion of sonar measuring instrument.To guide the production and use of sound velocity profiler in water transport en⁃gineering,the testing method of sound velocity profiler was researched.Research results were used for the develop⁃ment of standards.The technical requirements of velocity and depth parameters were put forward in the research.In the research,the formula of sound velocity in pure water was compared with that of the two sea water,and the opti⁃mal velocity formula was obtained.Sound velocity measurement was carried out in a constant temperature water tank.Standard platinum resistance was used as temperature measurement standard.The temperature was converted to the standard velocity by the sound velocity formula in pure water.The method of measuring the depth of water by using the pressure formula was used to detect the depth of the water.Digital precision pressure gauge was used as pressure measurement standard.

sound velocity profiler;sound velocity test;velocity formula

TB 566；O 422.1

A

1005-8443（2015）06-0601-04

2015-08-11；

2015-11-05

交通运输部标准、计量及质量研究项目“声速剖面仪计量标准技术研究”（2013 459 221 280）

窦春晖（1983-），男，天津市人，工程师，主要从事水运工程检测设备计量工作。

Biography：DOU Chun⁃hui（1983-），male，engineer.