聲學多普勒流速儀工作原理

聲學多普勒測量原理
采用多普勒頻移物理原理來測量水流速度
多普勒效應（多普勒頻移）：
某一個聲源（超聲波）發出的聲波被另一個接收體接收并反射
如果該聲源相對于接收體是移動的，接收體接收到的聲波頻率將會與聲源的發射頻率有差異
如果兩個物體之間的相對距離是減少的，接收的頻率會增加
如果兩個物體之間的相對距離是增加的，接收的頻率就減小
聲學多普勒測量原理
這樣的多普勒效應在日常生活中經常會發生
當你聽到迎面開來的一列火車氣笛聲或者一輛警車的警報聲（一個聲源），聲音會顯得頻率較高；而當火車或者警車離你遠去時，則聽到的聲音會變成較低的聲音
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）
垂直于聲源和接收器之間聯線的運動不會導致多普勒頻移
聲學多普勒測量原理
超聲波在水中的傳播速度C會受到水溫的變化而變化
同樣的水流速度，會因為水溫的改變，而產生不同的多普勒頻移
所有的多普勒儀器都帶有一個水溫傳感器
在測量多普勒頻移的同時，測量水溫，并在計算中對流速的計算進行補償和修正
聲學多普勒測量原理
超聲波傳播的距離（包括反射回來的距離），與超聲波發射的頻率有關
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，但是測量的精度會提高
聲學多普勒測量原理
超聲波傳播的距離還與水中的懸浮顆粒的含量（通常稱為含沙量）有關
含沙量越大，超聲波被吸收的聲能就越多，同樣的也會減小儀器的測量距離
但是，由于含沙量僅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
聲學多普勒水流剖面儀測量原理
聲學多普勒水流剖面儀的英文名字：Acoustic Doppler Current Profiler
通常，我們會簡稱為 ADCP
聲學多普勒水流剖面儀測量原理
有多個超聲波換能器（探頭）同時向多個方向發射超聲波
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將傳播到該位置的部分聲波反射回發射的儀器
儀器收到不同距離的反射信號之后就可以加以分析
聲學多普勒水流剖面儀測量原理
如果這些懸浮顆粒是向著儀器迫近，反射的頻率會高于發射的頻率
如果是遠離則會低于發射頻率
ADCP借著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
聲學多普勒水流剖面儀測量原理
儀器放進水中并不清楚實際的水流流向。通常， ADCP會有二到三個發射探頭
根據幾何學原理，二個方向的測量可以計算出平面的二維流速，而三個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單，水越深處的數據反射回來得越慢，將各個時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的產品，從它們的工作原理方面來劃分，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兼容的聲學換能器
同一個換能器在發出一組超聲波后，等待接收從不同距離的水中懸浮顆粒發射回來的超聲波信號；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射的多普勒剖面儀，通常會采用一種稱為底跟蹤的技術，在發射的途中遇到河底，會有一個很強信號的反射，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，或者說不同剖面的流速流向
如果超聲波是垂直方向發射，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射超聲波，在水面部分和靠近底部都會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用流速分布的關系進行補償，大大地減小了測量誤差
同樣，剖面儀的探頭若是水平發射的，在離開探頭前方的一定距離內也會有盲區，通常我們會避開測量這段距離的流速
不同工作頻率所帶來的盲區也不同，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分置的聲學換能器（探頭）
發射超聲波的換能器只是發射信號，而另外的二個或三個換能器接收固定點中的懸浮顆粒，反射回來的超聲波信號
流速儀的工作原理
由于收發分置的多普勒流速儀產品只是測量換能器附近點的流速
這類儀器的工作頻率通常是較高
測量的精度很高，通常用于科學研究中