聲學(xué)多普勒流速儀工作原理
發(fā)布時(shí)間：2014.02.26 新聞來(lái)源：超聲波流量計(jì)_超聲波明渠流量計(jì)_多普勒流速儀-南京卓瑪機(jī)電有限公司 瀏覽次數(shù)：
聲學(xué)多普勒丈量原理
采用多普勒頻移物理原理來(lái)丈量水流速度
多普勒效應(yīng)（多普勒頻移）：
某一個(gè)聲源（超聲波）發(fā)出的聲波被另一個(gè)接收體接收并反射
假如該聲源相對(duì)于接收體是移動(dòng)的，接收體接收到的聲波頻率將會(huì)與聲源的發(fā)射頻率有差異
假如兩個(gè)物體之間的相對(duì)間隔是減少的，接收的頻率會(huì)增加
假如兩個(gè)物體之間的相對(duì)間隔是增加的，接收的頻率就減小
聲學(xué)多普勒丈量原理
這樣的多普勒效應(yīng)在日常生活中經(jīng)常會(huì)發(fā)生
當(dāng)你聽(tīng)到迎面開(kāi)來(lái)的一列火車氣笛聲或者一輛警車的警報(bào)聲（一個(gè)聲源），聲音會(huì)顯得頻率較高；而當(dāng)火車或者警車離你遠(yuǎn)往時(shí)，則聽(tīng)到的聲音會(huì)變成較低的聲音
留意：
速度V代表了聲源和接收器之間的相對(duì)速度（也就是改變了二者之間間隔的運(yùn)動(dòng)）
垂直于聲源和接收器之間聯(lián)線的運(yùn)動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移
聲學(xué)多普勒丈量原理
超聲波在水中的傳播速度C會(huì)受到水溫的變化而變化
同樣的水流速度，會(huì)由于水溫的改變，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(gè)水溫傳感器
在丈量多普勒頻移的同時(shí)，丈量水溫，并在計(jì)算中對(duì)流速的計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償和修正
聲學(xué)多普勒丈量原理
超聲波傳播的間隔（包括反射回來(lái)的間隔），與超聲波發(fā)射的頻率有關(guān)
頻率越高，超聲波的聲能越輕易被水中的懸浮顆粒所吸收
這樣丈量的間隔就越小，但是丈量的精度會(huì)進(jìn)步
聲學(xué)多普勒丈量原理
超聲波傳播的間隔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(huì)減小儀器的丈量間隔
但是，由于含沙量?jī)H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丈量精度
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
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(huì)簡(jiǎn)稱為 ADCP
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
有多個(gè)超聲波換能器（探頭）同時(shí)向多個(gè)方向發(fā)射超聲波
由于自然界的水中都有一些懸浮顆粒，這些在不同間隔的懸浮顆粒會(huì)將傳播到該位置的部分聲波反射回發(fā)射的儀器
儀器收到不同間隔的反射信號(hào)之后就可以加以分析
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
假如這些懸浮顆粒是向著儀器迫近，反射的頻率會(huì)高于發(fā)射的頻率
假如是闊別則會(huì)低于發(fā)射頻率
ADCP借著這種頻率的微小差異，代進(jìn)上述的多普勒頻移方程式，就可以計(jì)算出水流的速度
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
儀器放進(jìn)水中并不清楚實(shí)際的水流流向。通常， ADCP會(huì)有二到三個(gè)發(fā)射探頭
根據(jù)幾何學(xué)原理，二個(gè)方向的丈量可以計(jì)算出平面的二維流速，而三個(gè)方向的丈量就可以計(jì)算出水中三維的流速流向
至于丈量不同深度流速的原理也很簡(jiǎn)單，水越深處的數(shù)據(jù)反射回來(lái)得越慢，將各個(gè)時(shí)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(lái)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(gè)換能器在發(fā)出一組超聲波后，等待接收從不同間隔的水中懸浮顆粒發(fā)射回來(lái)的超聲波信號(hào)；然后分段接收不同間隔水流的速度和方向。對(duì)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(huì)采用一種稱為底跟蹤的技術(shù)，在發(fā)射的途中碰到河底，會(huì)有一個(gè)很強(qiáng)信號(hào)的反射，用這種方法可以判定是否測(cè)到了河底或水面
剖面儀的工作原理
剖面儀可以丈量不同間隔、不同單元，或者說(shuō)不同剖面的流速流向
假如超聲波是垂直方向發(fā)射，還可以丈量水深或水位
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(huì)有一定范圍的聲波盲區(qū)，即在這部分的流速是丈量不到的
但是在軟件的均勻流速計(jì)算和流量計(jì)算中都會(huì)用流速分布的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，大大地減小了丈量誤差
同樣，剖面儀的探頭若是水平發(fā)射的，在離開(kāi)探頭前方的一定間隔內(nèi)也會(huì)有盲區(qū)，通常我們會(huì)避開(kāi)丈量這段間隔的流速
不同工作頻率所帶來(lái)的盲區(qū)也不同，工作頻率越低，可以丈量的范圍越大，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(hào)，而另外的二個(gè)或三個(gè)換能器接收固定點(diǎn)中的懸浮顆粒，反射回來(lái)的超聲波信號(hào)
流速儀的工作原理
由于收發(fā)分置的多普勒流速儀產(chǎn)品只是丈量換能器四周點(diǎn)的流速
這類儀器的工作頻率通常是較高
采用多普勒頻移物理原理來(lái)丈量水流速度
多普勒效應(yīng)（多普勒頻移）：
某一個(gè)聲源（超聲波）發(fā)出的聲波被另一個(gè)接收體接收并反射
假如該聲源相對(duì)于接收體是移動(dòng)的，接收體接收到的聲波頻率將會(huì)與聲源的發(fā)射頻率有差異
假如兩個(gè)物體之間的相對(duì)間隔是減少的，接收的頻率會(huì)增加
假如兩個(gè)物體之間的相對(duì)間隔是增加的，接收的頻率就減小
聲學(xué)多普勒丈量原理
這樣的多普勒效應(yīng)在日常生活中經(jīng)常會(huì)發(fā)生
當(dāng)你聽(tīng)到迎面開(kāi)來(lái)的一列火車氣笛聲或者一輛警車的警報(bào)聲（一個(gè)聲源），聲音會(huì)顯得頻率較高；而當(dāng)火車或者警車離你遠(yuǎn)往時(shí)，則聽(tīng)到的聲音會(huì)變成較低的聲音
留意：
速度V代表了聲源和接收器之間的相對(duì)速度（也就是改變了二者之間間隔的運(yùn)動(dòng)）
垂直于聲源和接收器之間聯(lián)線的運(yùn)動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移
聲學(xué)多普勒丈量原理
超聲波在水中的傳播速度C會(huì)受到水溫的變化而變化
同樣的水流速度，會(huì)由于水溫的改變，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(gè)水溫傳感器
在丈量多普勒頻移的同時(shí)，丈量水溫，并在計(jì)算中對(duì)流速的計(jì)算進(jìn)行補(bǔ)償和修正
聲學(xué)多普勒丈量原理
超聲波傳播的間隔（包括反射回來(lái)的間隔），與超聲波發(fā)射的頻率有關(guān)
頻率越高，超聲波的聲能越輕易被水中的懸浮顆粒所吸收
這樣丈量的間隔就越小，但是丈量的精度會(huì)進(jìn)步
聲學(xué)多普勒丈量原理
超聲波傳播的間隔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(huì)減小儀器的丈量間隔
但是，由于含沙量?jī)H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丈量精度
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
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(huì)簡(jiǎn)稱為 ADCP
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
有多個(gè)超聲波換能器（探頭）同時(shí)向多個(gè)方向發(fā)射超聲波
由于自然界的水中都有一些懸浮顆粒，這些在不同間隔的懸浮顆粒會(huì)將傳播到該位置的部分聲波反射回發(fā)射的儀器
儀器收到不同間隔的反射信號(hào)之后就可以加以分析
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
假如這些懸浮顆粒是向著儀器迫近，反射的頻率會(huì)高于發(fā)射的頻率
假如是闊別則會(huì)低于發(fā)射頻率
ADCP借著這種頻率的微小差異，代進(jìn)上述的多普勒頻移方程式，就可以計(jì)算出水流的速度
聲學(xué)多普勒水流剖面儀丈量原理
儀器放進(jìn)水中并不清楚實(shí)際的水流流向。通常， ADCP會(huì)有二到三個(gè)發(fā)射探頭
根據(jù)幾何學(xué)原理，二個(gè)方向的丈量可以計(jì)算出平面的二維流速，而三個(gè)方向的丈量就可以計(jì)算出水中三維的流速流向
至于丈量不同深度流速的原理也很簡(jiǎn)單，水越深處的數(shù)據(jù)反射回來(lái)得越慢，將各個(gè)時(shí)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(lái)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(gè)換能器在發(fā)出一組超聲波后，等待接收從不同間隔的水中懸浮顆粒發(fā)射回來(lái)的超聲波信號(hào)；然后分段接收不同間隔水流的速度和方向。對(duì)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(huì)采用一種稱為底跟蹤的技術(shù)，在發(fā)射的途中碰到河底，會(huì)有一個(gè)很強(qiáng)信號(hào)的反射，用這種方法可以判定是否測(cè)到了河底或水面
剖面儀的工作原理
剖面儀可以丈量不同間隔、不同單元，或者說(shuō)不同剖面的流速流向
假如超聲波是垂直方向發(fā)射，還可以丈量水深或水位
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(huì)有一定范圍的聲波盲區(qū)，即在這部分的流速是丈量不到的
但是在軟件的均勻流速計(jì)算和流量計(jì)算中都會(huì)用流速分布的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，大大地減小了丈量誤差
同樣，剖面儀的探頭若是水平發(fā)射的，在離開(kāi)探頭前方的一定間隔內(nèi)也會(huì)有盲區(qū)，通常我們會(huì)避開(kāi)丈量這段間隔的流速
不同工作頻率所帶來(lái)的盲區(qū)也不同，工作頻率越低，可以丈量的范圍越大，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(hào)，而另外的二個(gè)或三個(gè)換能器接收固定點(diǎn)中的懸浮顆粒，反射回來(lái)的超聲波信號(hào)
流速儀的工作原理
由于收發(fā)分置的多普勒流速儀產(chǎn)品只是丈量換能器四周點(diǎn)的流速
這類儀器的工作頻率通常是較高
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