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(lái)測量水流速度
多普勒效應（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
如果該聲源相對于接收體是移動(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
如果兩個(gè)物體之間的相對距離是減少的，接收的頻率會(huì )增加
如果兩個(gè)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
這樣的多普勒效應在日常生活中經(jīng)常會(huì )發(fā)生
當你聽(tīng)到迎面開(kāi)來(lái)的一列火車(chē)氣笛聲或者一輛警車(chē)的警報聲（一個(gè)聲源），聲音會(huì )顯得頻率較高；而當火車(chē)或者警車(chē)離你遠去時(shí)，則聽(tīng)到的聲音會(huì )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動(dòng)）
垂直于聲源和接收器之間聯(lián)線(xiàn)的運動(dòng)不會(huì )導致多普勒頻移
聲學(xué)多普勒測量原理
超聲波在水中的傳播速度C會(huì )受到水溫的變化而變化
同樣的水流速度，會(huì )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(gè)水溫傳感器
在測量多普勒頻移的同時(shí)，測量水溫，并在計算中對流速的計算進(jìn)行補償和修正
聲學(xué)多普勒測量原理
超聲波傳播的距離（包括反射回來(lái)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(huì )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(chēng)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 )減小儀器的測量距離
但是，由于含沙量?jì)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(huì )簡(jiǎn)稱(chēng)為 ADCP
聲學(xué)多普勒水流剖面儀測量原理
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
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(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(zhù)儀器迫近，反射的頻率會(huì )高于發(fā)射的頻率
如果是遠離則會(huì )低于發(fā)射頻率
ADCP借著(zhù)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(shí)際的水流流向。通常， ADCP會(huì )有二到三個(gè)發(fā)射探頭
根據幾何學(xué)原理，二個(gè)方向的測量可以計算出平面的二維流速，而三個(gè)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(jiǎn)單，水越深處的數據反射回來(lái)得越慢，將各個(gè)時(shí)段傳回的數據分別運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(lèi)
其中的一類(lèi)稱(chēng)為多普勒剖面儀
另一類(lèi)則稱(chēng)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，等待接收從不同距離的水中懸浮顆粒發(fā)射回來(lái)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(huì )采用一種稱(chēng)為底跟蹤的技術(shù)，在發(fā)射的途中遇到河底，會(huì )有一個(gè)很強信號的反射，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(shuō)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(huì )有一定范圍的聲波盲區，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(huì )用流速分布的關(guān)系進(jìn)行補償，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(kāi)探頭前方的一定距離內也會(huì )有盲區，通常我們會(huì )避開(kāi)測量這段距離的流速
不同工作頻率所帶來(lái)的盲區也不同，工作頻率越低，可以測量的范圍越大，但是相應的盲區也增加
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(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
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(diǎn)的流速
這類(lèi)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