原创 声学多普勒流速仪工作原理

声学多普勒流速仪工作原理

声学多普勒测量原理
采用多普勒频移物理原理来测量水流速度
多普勒效应（多普勒频移）：
某一个声源（超声波）发出的声波被另一个接收体接收并反射
如果该声源相对于接收体是移动的，接收体接收到的声波频率将会与声源的发射频率有差异
如果两个物体之间的相对距离是减少的，接收的频率会增加
如果两个物体之间的相对距离是增加的，接收的频率就减小
声学多普勒测量原理
这样的多普勒效应在日常生活中经常会发生
当你听到迎面开来的一列火车气笛声或者一辆警车的警报声（一个声源），声音会显得频率较高；而当火车或者警车离你远去时，则听到的声音会变成较低的声音
注意：
速度V代表了声源和接收器之间的相对速度（也就是改变了二者之间距离的运动）
垂直于声源和接收器之间联线的运动不会导致多普勒频移
声学多普勒测量原理
超声波在水中的传播速度C会受到水温的变化而变化
同样的水流速度，会因为水温的改变，而产生不同的多普勒频移
所有的多普勒仪器都带有一个水温传感器
在测量多普勒频移的同时，测量水温，并在计算中对流速的计算进行补偿和修正
声学多普勒测量原理
超声波传播的距离（包括反射回来的距离），与超声波发射的频率有关
频率越高，超声波的声能越容易被水中的悬浮颗粒所吸收
这样测量的距离就越小，但是测量的精度会提高
声学多普勒测量原理
超声波传播的距离还与水中的悬浮颗粒的含量（通常称为含沙量）有关
含沙量越大，超声波被吸收的声能就越多，同样的也会减小仪器的测量距离
但是，由于含沙量仅仅是吸收超声波的声能，并不改变超声波的传播速度，所以并不影响超声波的测量精度
声学多普勒水流剖面仪测量原理
声学多普勒水流剖面仪的英文名字：Acoustic Doppler Current Profiler
通常，我们会简称为 ADCP
声学多普勒水流剖面仪测量原理
有多个超声波换能器（探头）同时向多个方向发射超声波
因为自然界的水中都有一些悬浮颗粒，这些在不同距离的悬浮颗粒会将传播到该位置的部分声波反射回发射的仪器
仪器收到不同距离的反射信号之后就可以加以分析
声学多普勒水流剖面仪测量原理
如果这些悬浮颗粒是向着仪器迫近，反射的频率会高于发射的频率
如果是远离则会低于发射频率
ADCP借着这种频率的微小差异，代入上述的多普勒频移方程式，就可以计算出水流的速度
声学多普勒水流剖面仪测量原理
仪器放进水中并不清楚实际的水流流向。通常， ADCP会有二到三个发射探头
根据几何学原理，二个方向的测量可以计算出平面的二维流速，而三个方向的测量就可以计算出水中三维的流速流向
至于测量不同深度流速的原理也很简单，水越深处的数据反射回来得越慢，将各个时段传回的数据分别运算就可以知道各层次的流速流向
剖面仪的工作原理
SonTek的产品，从它们的工作原理方面来划分，可以分为二大类
其中的一类称为多普勒剖面仪
另一类则称为多普勒流速仪
剖面仪的工作原理
多普勒剖面仪是采用了收发兼容的声学换能器
同一个换能器在发出一组超声波后，等待接收从不同距离的水中悬浮颗粒发射回来的超声波信号；然后分段接收不同距离水流的速度和方向。对于安装在水面或海底的垂直方向发射的多普勒剖面仪，通常会采用一种称为底跟踪的技术，在发射的途中遇到河底，会有一个很强信号的反射，用这种方法可以判断是否测到了河底或水面
剖面仪的工作原理
剖面仪可以测量不同距离、不同单元，或者说不同剖面的流速流向
如果超声波是垂直方向发射，还可以测量水深或水位
剖面仪的工作原理
剖面仪的探头若是安装成向下或向上发射超声波，在水面部分和靠近底部都会有一定范围的声波盲区，即在这部分的流速是测量不到的
但是在软件的平均流速计算和流量计算中都会用流速分布的关系进行补偿，大大地减小了测量误差
同样，剖面仪的探头若是水平发射的，在离开探头前方的一定距离内也会有盲区，通常我们会避开测量这段距离的流速
不同工作频率所带来的盲区也不同，工作频率越低，可以测量的范围越大，但是相应的盲区也增加
流速仪的工作原理
多普勒流速仪是采用了收发分置的声学换能器（探头）
发射超声波的换能器只是发射信号，而另外的二个或三个换能器接收固定点中的悬浮颗粒，反射回来的超声波信号
流速仪的工作原理
由于收发分置的多普勒流速仪产品只是测量换能器附近点的流速
这类仪器的工作频率通常是较高
测量的精度很高，通常用于科学研究中
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