竇春暉，曹玉芬，張璇

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

水運工程聲速剖面儀檢測方法

竇春暉，曹玉芬，張璇

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

聲速剖面儀是用于測量聲速在水中傳播速度的測量設備，廣泛應用于水運工程中聲吶設備的聲速修正，聲速作為對于聲吶設備的關鍵因素，對測量數據結果和精度有直接影響。為指導水運工程領域的聲速剖面儀生產和使用，對聲速剖面儀的檢測方法開展研究，將研究成果用于聲速剖面儀行業(yè)標準的制定。研究提出了聲速和水深參數的技術要求，并給出了檢測方法。研究將純水中的聲速公式與2個海水中聲速公式進行分析比較，獲得了聲速檢測中最優(yōu)聲速公式。聲速檢測在恒溫水槽中進行，采用標準鉑電阻作為溫度測量標準，通過純水中的聲速公式將溫度轉換為標準聲速值。水深測試采用利用壓力公式將水深轉換為壓力的方法進行檢測，標準器為數字精密壓力表。

聲速剖面儀；聲速檢測；聲速公式

聲速剖面儀是水運工程領域應用廣泛的聲速測量設備，主要用于聲吶測量設備如單波束測深儀、多波束測深儀以及側掃聲吶等聲學測量儀器的剖面聲速修正。聲速剖面儀作為水文資料測繪領域重要的聲速測量設備，除在交通運輸部廣泛使用外，還在水利部和國家海洋局的項目中廣泛使用。

目前，聲速剖面儀作為聲速測量設備，僅國家海洋局標準計量中心編制了HY/T101-2007《海水聲速儀檢測方法》，可依據該標準，在海水的條件下，對聲速剖面儀開展聲速、壓力、電導率和溫度的檢測。在全國范圍內，無其他機構開展聲速剖面儀的檢測工作。在這樣的前提下，交通運輸部開展了聲速剖面儀計量標準技術研究工作，并開展了聲速剖面儀的行業(yè)標準和計量檢定規(guī)程的編制工作，對聲速剖面儀的生產、使用以及檢測聲速剖面儀的性能是否滿足水運工程領域需求具有較大的意義。

1 聲速剖面儀的技術指標

在制定聲速剖面儀水運工程行業(yè)標準的過程中，首先應當解決的是確定聲速剖面儀的技術指標。行業(yè)標準編制的過程中，應當以聲速剖面儀的技術指標為基礎進行檢測設備選擇、檢測方法的制定，并以聲速剖面儀的技術指標作為判斷聲速剖面儀是否滿足標準要求的依據。表1中列舉了水運工程中常見的聲速剖面儀的技術指標。

根據GB12327-1998《海道測量規(guī)范》中對聲速剖面儀的技術要求，以及市面上聲速剖面儀生產廠家的實際能力，結合水運工程使用的實際情況，在聲速剖面儀的行業(yè)標準中對聲速剖面儀的測量范圍、功能要求、工作環(huán)境條件、外觀、最大允許誤差、重復性、密封要求和抗干擾性等技術指標進行規(guī)定。

表1常見聲速剖面儀的技術指標Tab.1Technical specifications of common sound velocity profiler

聲速剖面儀的計量技術指標是檢測其測量數據是否滿足要求的標準，聲速剖面儀行業(yè)標準從測量范圍、最大允許誤差和重復性3個技術指標進行規(guī)定。聲速剖面儀可以對水中的聲速、水深（或壓力）、溫度和鹽度進行測量，溫度和鹽度并不是所有聲速剖面儀都會測量的物理量。因此，從行業(yè)標準的普遍適用的角度出發(fā)，僅對聲速剖面儀中聲速和水深的計量技術指標進行規(guī)定。聲速剖面儀計量指標要求如表2所示。

表2聲速剖面儀計量指標要求Tab.2Measurement index of sound velocity profile

2 聲速的檢測方法

2.1 聲速的獲得方法

速度是導出量，無法直接定義或復現這個量值。水中聲速的獲得主要有兩種：一是通過測量聲音通過水中固定距離的時間，利用速度的定義計算獲得聲速；一種是采用測量水的溫度、壓力和鹽度等物理量，采用水中經驗公式的方式計算獲得聲速。聲速剖面儀主要依賴以上兩種原理進行水中聲速測量。

目前國內外生產的聲速剖面儀，以利用速度公式直接測量聲速的產品居多。直接測量方法主要采用環(huán)鳴法，通常是測量聲波在已知距離內往返多次的時間（即用接收到的反射回波信號去觸發(fā)發(fā)射電路，再發(fā)射下一個脈沖，這樣不斷地循環(huán)下去），以降低對測時精度的要求［1］。在大多數的聲速剖面儀的產品中，換能器到反射平面的距離是難以測量的。從相關文獻和廠家提供的信息可以得到：換能器到反射平面的距離的相對精確度不應低于聲速的相對精度，聲速測量的相對誤差為0.2‰，換能器到反射平面的距離為70 mm，那么距離的測量精度要優(yōu)于0.014 mm，傳播距離參量只能通過標定來獲得［2］。聲音傳播距離的標定，采用水中的聲速公式計算或對照水中聲速表的方式進行。無錫海鷹加科即采用純水中的聲速表的方式，對聲速剖面儀進行聲程標定。

聲速剖面儀中聲速測量的結果主要來源于聲速公式。開展聲速剖面儀的檢測工作，必須選擇最佳的聲速公式。

2.2 聲速公式的選擇

為了獲得最優(yōu)的水中聲速公式，對目前常用的聲速公式進行了比較。水中聲速公式，按使用環(huán)境可以分為純水中聲速公式和海水中的聲速公式，將兩種聲速公式進行比較，選擇最優(yōu)公式。海水聲速公式選擇最常用的2個國標公式進行比較。

2.2.1 聲速公式的選擇原則

在進行公式選擇的時候，主要考慮公式自身的聲速準確度以及公式的使用條件2個方面的內容。

（1）水中聲速公式的準確度?，F有的水中聲速公式每個公式的使用精度是不相同的。水中聲速公式是根據水中實際測量的聲速結果，進行曲線擬合，再經過一定的修正而獲得的。在曲線擬合的過程中，公式計算的聲速值自然和實測值有一定的誤差。當影響水中聲速為多個參量時，由曲線擬合造成的誤差會比單個參量時更大。因此，在選擇水中聲速公式時，公式自身的準確度應當滿足聲速剖面儀技術指標檢測的要求。

（2）水中聲速公式的使用條件。水中的聲速公式是擁有一定的使用條件的：純水中的聲速公式和海水中的聲速公式，對水的鹽度值的要求不同；而分層聲速公式，對水深度的要求也是不同的。水中聲速的使用條件對于檢測聲速剖面儀的技術指標有著決定性的影響：公式的使用條件越多，在聲速剖面儀聲速檢測的過程中，需要模擬的環(huán)境越多，越是難以實現。

2.2.2 純水中的聲速公式

純水中聲速測量的數學模型為

式中：Cj為第j個溫度測點純水中的聲速，m/s；tj為標準鉑電阻在第j個溫度測點的溫度值，℃。

式（1）是由國際組織NPL（National Physical Laboratory）提供，該公式在NPL的官方網站上名為“Techni?cal Guides-Speed of Sound in Pure Water”中提供。該公式是根據純水中每個溫度的聲速值表中提供的0～100℃的純水聲速表進行148點擬合而成。在該公式下，水中聲速具有±0.017 m/s的誤差。

2.2.3 海水中的聲速公式Chen-Millero-Li聲速方程

1994 年，美國華盛頓大學應用物理實驗室的幾位專家提出了Chen-Millero-Li［1998］聲速方程，在溫度、鹽度和壓力范圍方面有了進一步的擴展［3］。

式中：j為第j個溫度檢測點；Cjo為第j個溫度點上恒溫槽海水中標準聲速值，m/s；Pj為聲速儀第j個溫度點上壓力計算值，MPa；Tjo為標準測溫電橋在第j個溫度檢測點上溫度讀數的算術平均值，℃；Sjo為恒溫槽海水在第j個溫度點上標準鹽度值；

該公式的使用條件為：0℃＜T＜40℃，0 MPa＜P＜100 MPa，0＜S＜40。

該公式被認為是最準確的海水聲速公式，在高壓力的海水環(huán)境下，擁有較好的測量準確度［4］。同時，該公式為海洋行業(yè)技術標準HY/T 101-2007《海水聲速儀檢測方法》中推薦的聲速公式［5］。

2.2.4 海水中的聲速公式Wilson簡化公式

1975 年，美國的Medwin在Wilson公式的基礎上提出了簡化Wilson聲速公式［6］。

式中：C為聲速，m/s；T為溫度，℃；S為鹽度，1‰；D為深度，m。

Wilson精確公式，在溫度-4℃＜T＜30℃、壓力1 kg/cm2＜P＜1 000 kg/cm2和鹽度0＜S＜37的范圍內，可獲得精度優(yōu)于0.3 m/s的聲速，比較適合我國海區(qū)［7］。式（3）所示的Wilson與GB12372-1998《海道測量規(guī)范》附錄G中規(guī)定的聲速計算公式［8］，可以認為是國標公式。

2.2.5 聲速公式的比較

從測量準確度上來說，純水中的聲速公式，由于輸入的物理量少，僅有溫度一個輸入量，其準確度遠高于海水中的聲速公式的準確度。海水中的聲速公式，式（2）Chen-Millero-Li聲速方程的準確度高于式（3）Wilson的簡化式，Wilson的簡化公式僅可以在工程測量時作為聲速校準時使用，不可作為檢測聲速剖面儀聲速性能指標的公式使用。

式（2）Chen-Millero-Li聲速方程中的Cw項為純水中的聲速公式，Chen-Millero-Li聲速方程是在純水中的聲速公式的基礎上，增加壓力、鹽度修正得來。將Cw中的壓力P設為0，可對比2個純水中的聲速公式進行比較，選擇比較的溫度為5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，比較結果如表3所示。

從2個公式的比較結果來看，在30℃時，2個公式擁有最大的誤差0.017 m/s，遠小于聲速剖面儀要求的聲速最大允許誤差±0.2 m/s，純水中的聲速公式數據可信。純水中的聲速公式，僅與純水的溫度相關，特別適合實驗室中在較小水壓力的恒溫水槽條件下使用，檢測時操作便捷。同時，采用純水中的聲速公式，有效地規(guī)避了溫度、壓力和鹽度難以同時進行穩(wěn)定控制和測量，水中鹽度數據難以測量的難點。因此，選擇純水中的聲速公式作為最終檢測使用的公式。

聲速剖面儀的廠家在聲程標定的過程當中，多采用純水中的聲速公式，當時聲速剖面儀在實際的使用過程中，大多是有鹽度的條件下，難以達到純水的要求。為了方便用戶使用，聲速剖面儀的行業(yè)標準中，提供了式（2）Chen-Millero-Li［1998］聲速方程作為附錄，供檢測使用。

2.3 聲速檢測步驟

根據水運工程聲速剖面儀行業(yè)標準的要求，聲速的檢測應當在恒溫的水環(huán)境下進行。要求可以淹沒聲速剖面儀，并具有±0.02℃的溫場均勻度。聲速剖面儀的檢測設備選擇為恒溫水槽、二等標準鉑電阻和具有四線制電阻測量功能的數字萬用表。

在恒溫水槽的條件下，選擇5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃，35℃作為溫度檢測點，在每個溫度檢定點處穩(wěn)定3 min，讀取溫度值，代入純水中的聲速公式，進行溫度檢測。選擇20℃溫度檢測點，連續(xù)測量的10個聲速值，計算其標準偏差評價其重復性。

3 水深的檢測方法

水深測量是幾何量測量，采用標準水深直接比對的方法開展水深檢測難以實現。聲速剖面儀中的水深測量，大多利用了壓電傳感器進行壓力測量，將壓力數據轉換成為水深數據，部分聲速剖面儀可直接輸出壓力測量結果。因此，聲速剖面儀水深檢測時，可將聲速剖面儀輸出的壓力結果直接與壓力標準器的結果比較，或者將輸出的水深值利用壓力公式轉換成為壓力值，與壓力標準器的結果比較。式（4）所示為純水中的壓力和深度轉換公式。

式中：P為水深對應的壓力值，MPa；ρ為1990年國際溫標純水密度值，kg/m3；g為當地的重力加速度值，m/s2；h為聲速剖面儀測量的水深值，m。

在水運工程水文測繪領域，有若干壓力-水深轉換公式，這些公式與GPS定位數據、海水鹽度等參數相關。由于實驗室內的聲速參數檢測采用的是純水中的聲速公式，實驗室內擁有純水的檢測條件，水運工程領域的水深測量在100 m以內可以滿足絕大部分的測量需求，因此在水深-壓力轉換公式上選擇式（4）。

表3純水聲速計算值比較結果Tab.3Comparison results of pure water velocity calculation

4 結論

聲速剖面儀聲速和水深的檢測方法，經實驗驗證是可行的，檢測方法寫入聲速剖面儀的聲速行業(yè)標準中。聲速剖面儀的行業(yè)標準JT/T 964－2015《水運工程聲速剖面儀》于2015年7月31日起頒布實施。

聲速剖面儀中聲速的檢測方法是通過純水中的聲速公式計算的方法獲得，這種方法在當前的技術條件和設備條件下，可以滿足當前標準的需要，和生產廠家使用的方法具有一致性。但是這種方法無法復現聲速的量值，與聲速剖面儀的實際使用條件有區(qū)別。因此，在今后的科研工作中，采用直接測量一段距離內的聲速繼續(xù)開展研究。

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［8］GB12372-1998，海道測量規(guī)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

交通運輸部標準、計量及質量研究項目“聲速剖面儀計量標準技術研究”（2013 459 221 280）

竇春暉（1983-），男，天津市人，工程師，主要從事水運工程檢測設備計量工作。

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