声速测量实验精选(九篇)

第1篇：声速测量实验范文

【关键词】中小河流；水文测验；ADCP

1.工作原理与测量方式

ADCP利用声脉冲波、声波换能器，展开河流流速流量的测量装置，ADCP测量河流的流速时，将声波换能器置于水下，通过其发射一定数据的频率声脉冲波导水体，声脉冲波通过水体颗粒进行移动，水体颗粒物不断被声波换能器吸收，不同位置均可反射出声脉冲，对不同频率之间频率差值进行计算，从而确定河流水体流速。因ADCP通常配置4个声波换能器，在测量水体流速过程中，可对流速进行实时、动态的测量。由于声波换能器的数量较多，可从不同角度发射出声脉冲，为河流流速提供多组的测量数值，有利于提高数据测量的精度。利用声脉冲的测量方式，ADCP可测量水体流速，同时可测量断面流速剖面，利用声波换能器发射、接收声脉冲，可使测量数据的稳定性、精确性得以明显提高，ADCP可短时间内实现大范围流速测量。目前，针对水体流速测量，ADCP主要包含定点式、走航式两种测量方式，定点式测量是在水流固定点上安装ADCP，例如水面桥墩，利用ADCP测量水体，因仪器在固定一点上测量数值，所以，测定水体所得数值为真实值，可直接应用于数据处理。而走航式测量将ADCP安装于船体水下部分，通过船体移动检测水体，因ADCP在移动状态下测量数据，所以测定数据是一种以船体作为参照物的相对测定值。假设水体流速与水体颗粒物的运动速度相同，ADCP对颗粒物运动进行水跟踪，获得速度与ADCP速度相对。如果ADCP平台安装固定，水跟踪所得流速就是水流绝对速度。若ADCP为移动安装，水跟踪所得相对速度扣除平台移动速度，即可获得水流绝对速度。

2.ADCP在水文监测中的应用

针对水文监测而言，ADCP可准确测定水流流速、水流截面流速，可估算测定岸边的水体流速。首先，中小河流的水文测验目的、特点。通常而言的中小河流主要指与人们生活相关水体、日常生活河流与湖泊。可以说，中小河流发生的水文运动，对人们日常生活具有十分重要的影响。对中小河流进行水体治理、水文测样，可有效促进农业发展，为防洪抗旱提供重要保障。中小河流的水体灵活性特点，水体极易收到外界影响，引起水体水质、水流速、水流量变化，进一步影响了周边居民生活、农业发展。所以，对中小河流进行水文测验，可有利于掌握水体变化规律，有利于在水体发生变化前，做好相应的预防工作，降低周边环境受水体变化的影响。因中小河流的灵活性特点，水文测验中小河流时，测量极易受到水体运动影响，在水文测验中需尤其注意。其次，中小河流中的ADCP水文测验。对中小河流展开水文测验时，首先ADCP发射固定频率数值的声脉冲到水体，声脉冲通过与水体悬浮物发生碰撞，接着ADCP接收反射波，对声脉冲原频率与反射波频率的差值进行计算，利用ADCP方程式计算，获得水体流速。实际水文测验工作，许多因素均会干扰声脉冲频率，引起反射声脉冲频率发生波动，引起测定水流流速出现失真。测定中小河流流量时，因水文运动导致水体变化，对ADCP测定水流流量造成影响。在测定流量时，水体杂质影响了声脉冲反射频率，同时在杂质表层会有一层粘性物质，声脉冲接触杂质时，不能完成脉冲反射，影响测定水流流量。测定流量时，因ADCP的频率范围较为固定，只可反射出范围固定的声脉冲，所以对于剧烈运动水体，在声脉冲发射过程中，由于水体内的脉冲反射物质增加，对声脉冲反射频率造成影响。

3.ADCP的误差控制

和常规流速仪一样ADCP流量测验遵循“流速―面积法”，因此ADCP流量的误差主要由水深、剖面宽度、流速等方面的误差造成。（1）水深测量误差。从ADCP与流速仪比测成果可以知道，ADCP最大水深与流速仪最大水深相对误差为-4.5%。ADCP是根据回波强度沿深度曲线在河底处突起的峰值来识别河底的。高含沙量高速水流河床表层产生运动浮泥，当声波遇到这层浮泥时，回波强度突然增强，认为是河底了，此时所测的水深比实际的水深偏小。此外，高含沙水流使声波能量的反射和吸收都增强，在离换能器较近的区域，回波强度增大；但在离换能器较远的区域，回波强度很快衰减至本底噪音，这使得ADCP剖面深度（或范围）减小。高含沙水流使得ADCP水深测量误差增大甚至失效。（2）河床“动底”造成流速测验误差。ADCP对流速流向测量的最终结果是由测船速度矢量和水层速度矢量的合成矢量与测船航行的速度矢量之差而得。测船的速度由底跟踪求得，即通过流量船与河底的相对运动，由ADCP内部罗经测算出测船的速度矢量。河底稳定不动时，用底跟踪方式测定船速是可行的。当河底泥沙在高流速时随水流迁移形成“动底”时，ADCP所测得的测船航行速度偏大，因而所测得的水层流速将小于实际流速，流向也将产生偏差，ADCP所测流量将小于实际流量。当流速越大河底床沙运动速度也越大，所测流速小于实际流速的误差也就越大，因此随着流量的增大ADCP与流速仪的相对误差也随之增大。上游干支流不同来水、来沙对断面的流态、“动底”造成不同的影响，造成ADCP流量的误差也各不相同。（3）ADCP 内置罗经磁偏角引起剖面宽的误差。根据ADCP测流原理，ADCP底跟踪方式测流时，ADCP磁偏角只对流向及航向有影响，对流量测验结果没有影响，这是在一次测流过程中假设磁偏角不变的结果。ADCP内置磁罗经容易受外部磁环境的影响而产生磁偏角。

ADCP 测量产生误差的主要原因是河床“动底”造成的。解决因底沙运动产生的船速失真造成流速、流向错误的问题，最直接的方法就是外接GPS（全球卫星定位系统）测定测船在航迹上运动的任意两点的距离来测定船速。一般来说通过GPS测定的船速是真实的，基本上可以解决ADCP“底跟踪”方式测量的船速失真问题，同时也解决了河床“动底”产生的剖面宽以及水面总宽度误差的问题。ADCP内置罗经受外界磁场影响而失效可通过外接高精度罗经解决。高含沙量大水深条件下ADCP水深测量误差和失效的问题。可以通过ADCP测量配套软件外接测深仪，能有效地解决高含沙量水流中不能正常进行“底跟踪”测量水深问题。对于ADCP非实测区中表层或底层的流量计算误差，应经多次比测率定指数。岸边盲区的面积误差问题。如果岸边距离较大，三角形法计算面积误差较大时，可考虑用加大岸边距离等方法来弥补面积的偏小。航速太快或航速不均匀的问题。在低水低流速时，测船最小船速远大于水流的平均流速，需要改造测船动力系统，使低水位时测船最低航速和流速相当。

4.结语

利用ADCP进行流速、流量测验，具有历时短、采集数据量大、不扰动流场等诸多优点，可以输出垂线流速矢量和测点流速矢量，效率比传统的流速仪法高得多。要使ADCP测量精度更高，使其得到更加充分的应用和发挥更大的效能，特别是在巡测测量和对外服务时复杂的外部磁环境与复杂的河床条件下都能准确高效测得水文数据，还需要配置高精度的外部罗经和GPS定位系统。

【参考文献】

第2篇：声速测量实验范文

关键词：光声信号，组织声速，测量

 

1 引言

声速的测量方法很多，在工程技术中用的比较多的是传播时间法、脉冲回鸣法和脉冲迭加法，这三种方法都是测量声速的有效方法[1]。科技论文。本文采用的是利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种规则的组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速；通过采集测量信号的峰峰值，还可以得出光声信号对各种组织的反射与衰减情况。

2 理论分析

当用脉冲光源照射某种吸收体时，其局部的温度将发生瞬时的改变，导致体积膨胀而产生超声波，这种超声波称为光声信号 [2]。在空间某一位置接收到的光声压p(r,t)和光吸收系数的分布A(r)的关系可以表达为[3]

（1）

其中为等压膨胀系数，c0为光声信号在吸收体中的声速，cp为比热，I0为光强，r表示光声压的场点位置，表示光声源的位置，表示场点到源点的距离。

当纯水为某一温度时，超声在纯水中的声速为（比如水温为22℃，超声在纯水中的声速为1492.0m/s），在水听器的前面放上任一规则的组织，让激发的光声信号穿过，设组织的厚度为x，信号在组织中的声速为，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，可得出信号在组织中的传播速度，即可表示为：

即 （2）

3 实验结果与讨论

图1为吸收体和超声换能器都置于纯水中的实验装置图。科技论文。将脉冲激光(波长为1064nm,脉宽为8ns，脉冲重复频率为20Hz)均匀照射在样品上，产生光致超声。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcoustics LTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032, Tektronix，最高采样率2.5G ，带宽 300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发, 探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系[4,5]。科技论文。实验中示波器的采样率为250MHz。

图1 声速测量实验装置图

在水听器的前面放上一些规则的组织，让激发的光声信号穿过，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，如图2所示，可得出信号在组织中的传播速度，比如超声在鱼肉中的声速为1541.7m/s，具体各种组织声速如表1所示。

由图2可以看出，超声在纯水（13℃）中传播的延时最长，即传播的速度最慢，在瘦肉中传播的延时最短，即传播的速度最快；而且信号在纯水中的峰峰值最大，为310mv，在瘦肉中的峰峰值最小，为84mv，说明信号在组织之间声速不匹配时，有很强的反射，当然另一方面信号在组织中传播时也有衰减[6,7]。

图2 光声信号在各种组织中的延时

 

生物样品 厚度(cm) 信号峰峰值(mv) 信号延时之差(µs) 声速（m/s） 纯水(13℃)  

第3篇：声速测量实验范文

关键词：RTK 三维 水深测量 精密 单波束 误差

水深测量是测绘活动中一项常见而重要的内容，在海图测绘、江河湖泊及水库调查、涉水项目工程设计、涉水建筑物安全维护、航道监测、水道冲淤研究等方面均需要进行不同比例尺的水下地形图的测绘。

水深测量的目的是获取水底不同位置相对于某一稳定的高程（深度）基准面的高程（水深），测深和定位是水深测量两项最主要的内容。由于在绝大部分情况下水深测量都是动态条件下的测量，测量载体的姿态和水深基准面的确定在大多数情况下已成为影响着水深测量精度的主要因素。因此确定水深测量时测量载体的姿态变化和测量瞬间的测量基准面的位置成为提高水深测量的关键。

最新的《水运工程测量规范》（JTS131-2012）已规定可以采用“RTK三维水深测量”方法进行精密水深测量，并规定了指导性的作业方式和数据处理方法。其定义为：“RTK三维水深测量是利用GPS RTK 提供的瞬时高精度三维解，通过时延改正、姿态改正，最终为回声测深系统换能器提供准确的三维基准，进而根据回声测深结果，得到水底点的三维坐标。”但对何种条件下必须采用姿态传感器，规范里并无明确的规定。

为此需要分析不同条件下的水深测量误差，确定需要采用姿态传感器设备的条件。

水深测量误差分析

正如前面分析所言，水深测量的误差来源众多，包括定位的误差、测深仪自身的测距误差，测量介质引起的声速效应误差、测量载体姿态引起的测量误差等。其中定位误差目前已可忽略，测深仪自身的测距误差也远小于其它因素的影响。这里可以认为对测量深度的主要因素包括传播介质、测量载体等相关效应，有声速、姿态和船只静、动吃水的影响。具体分析如下。

1、声速效应对测深的影响

声速效应的影响直接影响到回声测深仪测量的深度部分，根据回声测深原理，深度等于介质中声波传输速度与传播时间一半的乘积，而声波在水体中的传播速度并非是一个固定值，它和测时环境相关，同水体的温度、盐度、密度以及声波频率相关，可以根据测区水域的温度和盐度进行改正，通常公式计算某温度、盐度下的声速。

由于水体中（特别是海区）的水温和盐度在垂直方向上存在梯度分布，引起声速在垂直方向上存在梯度分布，而且位置不同，声速梯度分布也不尽相同。在测量的时候，不同的测点需采用该测点测量时声速传播路径上的平均声速（可采用声速剖面仪测定），采用后处理的方法进行声速改正，

理论上：平均声速Cm应为声波传播全路径上的瞬时声速平均值，若采用水深参数h表达应为：

■（1），（1）中：D为从换能器到水底的深度。

由于不可能知道声速传播路径上每一处的声速，故在实际计算中采用式（2）进行抽样离散的计算：

■（2），式（2）中，n为声波路径上的抽样数，也就是分层数；di为各水层的厚度，Ci为各水层的声速值，n值越大，即抽样数越多，结果越准确。

上式（2）可称为计算平均声速的精确公式。

实际上在水深测量的时候，我们都将一个固定的设计声速C0（一般取1500m/s或者某一位置的表层声速）输入测深仪，此时测得的每一个位置的水深实际上是一个近似水深，需要在后处理时进行声速改正。声速改正值dh=h（Cm-C0）/ C0 。 （3）

从上式（3）可知，测深值的声速改正值与观测深度成正比，水深越大，声速改正值越大，还与声速差成正比。改正值数值的大小见下表1所示：

表1 声速改正值数值表

2、测船姿态变化产生的测深误差

姿态影响是指载体受到风、浪、流的作用而导致的测量不准，无论是横摇、纵摇、艏摇和倾斜，其作用机理都是导致测深仪中心波束倾斜而产生复杂的误差变化，它是一个即影响平面定位又影响深度测量的复杂过程。

2.1 测船横摇产生的测深误差

理论上，波浪对测深的影响是通过对船姿态的改变来产生作用的，因此，波浪对测深的影响可分为测船纵摇，横摇、升沉等对测深的影响几个方面。

设α为测船横摇角，左舷下倾时取正值，θ为换能器半波束角，s为记录深度，d为真实深度。很明显，如果│α│≤θ，α角造成的测深信号的偏移仍在波束角范围之内，所测得的深度可以认为是没有附加误差的，则发射的测深信号偏离了垂直方向而产生了附加误差。

一般情况下，测深线是沿水底地形变化梯度方向布设的，所以沿测深线垂直方向（即测船的横摇方向）可以认为是平面，此时产生的附加深度误差Δdroll可以估计为：

Δdroll = H'-H =s[cos（α-θ）-1] （4）

从上式（4）可以看出，由横摇α产生的附加深度误差Δdroll与测量水深值H成正比。

以波束角7°为例，在不同的水深H和横摇角度α的条件下，产生的横摇误差Δdroll见下表2所示：

表2 不同的水深H和横摇角度α的条件下横摇误差Δdroll

在进行水深测量时，若同时测定了横摇α角，真实的深度为：

H'= H cos（α-θ） （5）

可是若通过（5）式的该算，就产生了另外一个问题，改正后的水深H'是测深仪换能器的中心的垂线上，因为横摇α角的存在，引起了定位中心与测深中心不在一个水平面上，这是就产生了定位的误差，其偏离数值的大小与定位天线与测深中心的距离成正比。在建立了严密的船体坐标系并实时测量了船体姿态的条件下，能对定位中心作出正确的改算。

2.2 测船纵摇产生的测深误差

测船纵摇产生的测深误差比较复杂，若海底是平台的，则产生的误差与横摇产生的误差类似，可按照（5）式进行深度改正。显然，纵摇不产生偏离测深线的位移，但使水深点在测线上前后摆动。如过不进行改正，即使水底是光滑的平面，但记录的图像可能不是一个平面。不过在浅水区，假定H≤50， θ=3.5°，当纵摇角β≤6°时，引起的水深误差≤5cm，可以不予考虑。

2.3 测船升沉对测深值的影响

测量的时候，换能器固定安装在船体的下方，与测船形成刚体连接，因此，测船的升沉的变化值就直接反映在水深值里。

测船升沉对测深值的影响的大小和测深仪换能器与测船的测船的相对关系有关。通过理论分析，当测深仪换能器与测船的重心重合是，测船姿态和升沉的变化对测深值的影响最小，而且有利于通过HEAVE传感器或者其他方式对其作出改正。

目前，对升沉的改正一般有以下两种方式：①HEAVE传感器法：通过高精度的涌浪传感器（其原理一般为加速速计）直接测定船体的升沉，当传感器与测深仪换能器位置一致时，传感器测得的数值即为水深值的改正值；②RTK高程分量法：即利用高精度的GPS高程测量分量进行升沉改正。

3、换能器动态吃水对测深值的影响

动态吃水是一个水中运动载体的一种客观现象。一般地，动态吃水采用如下定义：因船只航速变化引起船体沉浮而使换能器吃水产生的动态变化。

动态吃水ΔH测定的方法很多，目前规范上和实际采用的主要有：①水准仪定点观测法；②水准仪固定断面法；③RTK定位法。

根据实际工作中的经验，采用合适的测船非常重要，既不能太小，也不能太大，太小了稳定性不够，太大了动态吃水较大。测量是的船速亦需要控制，不可盲目追求高速。

从另一个角度来说，既然RTK发能够准确地确定换能器的动态吃水，当采用“RTK三维水深测量”方法的时候，可以利用高精度的高程分量来对动态吃水进行准确的改算。

4、时延改正及其影响

时延反映的是GPS RTK 定位与测深的不同步。为将GPS RTK 三维归位到换能器，为测深提供瞬时平面和垂直基准，并最终实现波束在水下的归位计算，就必须消除时延的影响。

若船速为8 节（约4.111 m/s），导航时延确定误差为0.2 秒，则导航时延确定误差统计结果表明：时延误差引起的最大平面位置偏差为0.8m。

通过理论研究，时延对平面定位和测深的影响最为显著，其影响与船速成正比。因此，实际作业中，一方面应根据实验精确计算时延；另一方面应尽量减小船速，保持测量载体的稳定性，将时延确定误差的影响减小到最小。

无姿态传感器条件下的RTK三维水深测量的实施

无姿态传感器的“RTK 三维水深测量”构成简单，只是在常规的水深测量系统别强调了厘米级的定位和高程测量。由于GPS RTK测量或者是PPK测量获得高精度的平面定位和高程数据已经是相当成熟的技术，在多年的测量实践中已得到验证和应用，太多的论文和文献对这个问题进行了阐释。

无姿态传感器的“RTK 三维水深测量”主要包括以下几个环节：①测区控制网测量；②高程转换模型的建立；③高精度声速剖面的测量；④内业资料处理；⑤精度评估。

笔者在80公里的长江入海口河段进行了验证测量，该河段属于感潮河段采用常规的验潮站进行水下地形测量需要耗费大量的人力。而采用“RTK 三维水深测量”将大大地减小工作量。

验证测量实施过程如下：在测区两岸布设一定密度的E级GPS控制网，联测控制点的水准高程，采用几何曲面模型构建了该区域的高程转换模型。实现了GPS大地高到正常高系统的无缝转换。

在进行“RTK 三维水深测量”的同时，根据规范的要求。在测区两岸布设了20个验潮站进行潮位控制，以便两者进行对比。通过两种方法对水下测点高程的计算，对计算出的差异成果按照0.1m的区间宽度进行分析统计。共统计测点测点32153个，差异区间如下表3所示。

表3 两种方法计算的测点高程差值统计表

以上实例表明，该项目中采用不需要任何姿态传感器的RTK的三维水深测量技术得到的测量结果与常规的潮位控制得到的结果没有明显的差异，其精度和可靠性都得到了很好的验证。

总结

从以上从六个引起测深误差的主要方面进行了分析，并定量地分析计算了在不同的测量条件下，这些影响因素对测深带来的误差的数值，同时通过实例进行了分析，可以得出很重要的结论：

在目前的技术条件下，定位和测深引起的误差在水深测量误差中已退居次要地位，声速改正误差和测量载体的姿态误差等因素已称为水深测量误差的主要来源。

辅以姿态传感器、罗经等外部设备的“RTK三维水深测量”，能够精确地改正各项的主要测量误差。为了简化操作，且在经济上简便易行，有必要研究无姿态传感器条件下RTK三维水深测量的实施条件。

具备一定的的测量环境，可以不需要任何姿态传感器（包括罗经和涌浪传感器）就可实现基于RTK的三维水深测量技术的单波束精密测深。

参考文献：

[1] 周丰年，赵建虎，周才扬. 多波束测深系统最优声速公式的确定[J]. 台湾海峡，第20卷第4期，2001，11.

[2] 管铮. 西北太平洋大于200米水深回声测深改正公式[J]. 测绘学报，第16卷第1期，1987年2月.

[3] 申家双 陆秀平. 水深测量数据处理方法研究与软件实现[J]. 海洋测绘，第22卷第5期，2002年9月.

[4] 刘雁春. 海洋测深空间结构及其数据处理[M]. 测绘出版社，2003.

第4篇：声速测量实验范文

关键词：高速公路；试验检测技术；应用

中图分类号：U412文献标识码： A

前言:随着我国新型城镇化进程的加快，我国道路建设项目逐渐增多，而在道路工程建设施工当中，路桥发挥着重要的作用，成为道路工程建设中的关键一环。加强道路桥梁的检测对于确保路桥的质量有重要作用。

1 、高速公路试验检测的意义

1.1在路桥建设中，工程材料不可避免地存在各种缺陷，而工程结构、建设施工中的失误也是在所难免，所以，在路桥建设完成之后，如何确定路桥的质量和品质成为核心的问题。众所周知，汽车和船舶等在生产出来之后，通过破坏性试验检测其性能与质量，但是路桥属于单件生产，不能够开展这样的破坏性试验。所以，检测路桥质量的试验检测技术也就成为人们关注的焦点。巡回目检比较简单，但是缺点也是显而易见的，而且检测的结果有很大的差别。由于没有路桥检测的量化方法，导致一些豆腐渣工程无法及时发现和处理。

1.2高速公路试验检测中的重要性主要表现在以下几个方面：第一，通过高速公路试验检测，可以检测出路桥建设使用材料的合格率，从而确定选用何种材料，看看能否就地取材；第二，通过高速公路试验检测，能够有力促进新技术、新材料和新工艺在路桥建设中的应用，而把这些新技术、新材料和新工艺应用到桥梁建设中，可提高桥梁建设的质量，为工程的建设积累经验，推动路桥建设事业的快速发展；第三，高速公路试验的检测，主要是采用科学的方法，对路桥施工现场的各种材料和半成品进行检验，通过检测来确定这些材料和半成品是否符合要求，是否符合设计和施工的要求；第四，路桥检测试验能够客观评价路桥的质量，而工程质量均有统一的质量标准，高速公路试验有助于路桥质量统一标准的制定。

2、我国高速公路试验检测工作的现状与存在的问题

目前我国执行的公路工程试验检测制度， 对高速公路施工中的试验检测内容做出了严格的规定， 并按照试验检测主体的差异， 把高速公路试验检测工作划分成三个环节和部分， 这三个部分包括： 高速公路施工单位的自检、 监理单位的抽检、 施工监督单位的抽检。 在这样的情况下， 我国高速公路试验检测工作中的一些问题仍然凸显了出来， 因此要求加以正确的分析和探寻出路，否则将会严重的影响我国高速公路工程的施工质量， 在危害交通安全的同时， 给群众的生命和财产安全带来严重的损失。

2.1 高速公路建设施工单位的自检准确性较低

前文指出，当前我国的高速公路试验检测主要分成了三个部分， 作为高速公路的建设者，公路施工企业对高速公路工程进行试验检测是最方便的，其检测的结果，也有着最高的参考价值。但是在实践的过程中， 通过对检测结果的分析

和调查， 仅有很少的一部分建筑单位具备了试验检测制度， 这些问题主要是因为检测资金投入额要远远小于预算资金。当资金不足时， 高速公路施工部门， 无法购置相关的检测仪器和配套设施，专业检测人员的配置也不到位， 这直接造成试验室功能不能很好地发挥，或者不能正常运转。 此外， 高速公路管理人员、工程项目负责人等， 在考虑建筑单位利益时，常常会做出一些人为干预试验检测结果的行为，这也影响了试验检测结果的准确性。因此，通过上面的分析，作为检测主体之一的高速公路建筑单位，在施工的过程中， 对于高速公路工程的自检结果的准确性较难保证， 影响了高速公路试验检测结果的有效性。

2.2 监理单位的抽签试验有待于进一步加强。

在我国交通建筑事业不断发展的条件下， 我国的监理单位也快速的发展， 从开始的试点，到现在的职业化和市场化，在公路建设的质量监管工作中，发挥着越来越大的功能。 在对高速公路施工项目进行试验检测时， 高速公路建设单位会与高速公路监理部门共同签署相关的协议， 授予监理单位相关的职权， 保证监理单位在高速公路施工的全过程中，一方面要加大对高速公路施工过程的系统监理，另一方面要对施工单位的自检结果和程序做出监督。此外，为了提升公路试验检测结果的有效性， 应通过抽检试验来促进工程质量全面提升。我国当前使用的监理制度虽然存在一些问题，但是仍然有着其使用的背景和意义。因此，加大对公路试验检测技术的应用，对于提升试验检测的质量有着重要的意义。

2.3 监 督 单 位 的 抽 检 缺 乏 对公路 建 设 情 况 的 真 实反映

在我国目前的高速公路质量管理制度中， 鉴于高速公路质量监督管理单位工作的重要性，质量监督管理部门检查的结果权威性和独立性较强。在公路施工的过程中，监督管理部门一定要加大对工程施工进度、施工现场、施工环节的管理和控制。 通过对施工实践进行分析，大部分的工程质量监督部门的抽检次数较少，所以高速公路施工现场监督抽样的试验数量也就不多。通过统计学的理论分析，以得知，在选用较少样本含量的条件下所得到的检测结果， 很难对高速公路建设质量进行准确的反映。

3、 高速公路试验检测技术及应用

3.1 路桥的压实度检测技术

通过试验检测试技术来检测路桥表面的压实度，国内现阶段的主要应用的是传统检测方法，包括预埋加速计方法、环刀法和静态承受压力法、灌砂法、核子发射法等。当前的检测方法主要还是静态抽样检测方法，因此无法确保检测结构的准确性。在这些传统检测方法中，灌砂法和环刀法的检测结果相对来说准确度比较高，相对来说比较准确，但是试验检测需要的时间比较长，而且在检测过程中，在处理路桥表面时可能会对路桥的表面造成破坏，所以实用性不是很强。而核子发射检测方法指的是通过发射核子来检测路桥的质量，所以，试验检测设备与测量工作的成本都比较高。预埋加速计方法才使用之前，需要对路桥的表面进行预处理，而且不止一次预处理，检测工艺比较麻烦。由此可以看出，传统的检

测方法已经无法适应路桥发展的需要，需要应用新型检测技术。

3.2 地质雷达检测技术

地质雷达检测技术又被称之为探测雷达检测技术，它是一种有着诸多优点的检测技术，其优点主要包括高精度、经济快速、直观等，而且它还是一种无损检测技术。地质雷达检测技术是通过地质雷达向检测物体内发射高频电磁波，物体接收这种高频电磁波之后便会产生一定的反应，通过这种反应便可判断物体内部

的情况。地质雷达检测技术检测路桥质量的检测流程为：首先，检测人员通过计算机或者笔记本电脑向控制单元发出相应的指令信息；其次，控制单元在接收计算机发出的指令信息之后，便发射天线信号，然后接收天线发出的信号；再次，当发射触发信号之后，发射天线会向地面发射高频电磁波；第四，如果探测位置或者物体的介质不均匀时，电磁波遇到不同的介质便会接收到不同的电性目标和

界面，把部分电磁波反射给地面，然后由地面的接受天线接收，并以数据单元的形式传回到控制单元，传回到计算机或者笔记本电脑中，通过图像的形式展示出来；第五，分析和处理这些图像，便可以得到被检测物体的内部情况。

3.3 超声波检测技术

超声波技术也可用来检测路桥的质量，超声波检测技术的基本原理在于，通过超声波检测仪、声波换能器，检测并分析超声脉冲在物体中的传播速度、主频率和波幅等，然后分析这些指标数据是否有变化，从而判断物体是否存在质量缺陷等。超声波检测路桥的基本原理是：通过超声波检测仪、声波换能器，检测并分析超声脉冲在路桥中的传播速度、主频率和波幅等，然后分析这些指标数据是否有变化，从而判断路桥是否存在质量缺陷。在利用超声波检测技术检测路桥的质量时，超声波可以穿透路桥的混凝土结构，并在混凝土结构中传播，具有使用安全和操作简单的特点。在超声波检测路桥是，最常用的方法是穿透测试法，但是利用该方法有一个限制，便是在检测路桥时，需要两个相对的测试面。超声波检测技术属于声波穿透检测技术，其能不能捕捉到物体内的缺陷信号是检测中的关键。在利用超声波检测路桥的质量状况时，通常采用多测点数据比较的方式来检测路桥，然后利用概率统计的相关原理和方法来处理检测数据，评估路桥的缺陷。由此可以看出超声波检测方法的一个缺陷：直观性比较差，需要多点检测。

4、结束语

随着我国新型城镇化建设速度的加快，我国的公路桥梁建设事业前所未有的发展。与此同时，路桥的建设数量也明显增多。在这种情况下，探讨路桥检测技术及其应用也就有了重要的意义。

5、参考文献：

[1]魏平. 分析高速公路试验检测中常见问题[J]. 中华民居(下旬刊),2014,02.

[2]熊意军,曾彬. 提升高速公路试验检测技术应用效果的策略[J]. 科技创新与应用,2014,23.

第5篇：声速测量实验范文

关键词：黄河；水资源；数字供水；多普勒；流量

Abstract: introduce and develop all kinds of the water diversion for measuring technology to build water flow to be automatic monitoring system, is to solve the effective way of the backward management of measurement. The lower Yellow River "digital water supply" system flow monitoring project construction, and improve the efficiency in the use of water resources, and promoting the advanced technology and management measures to promote the increasing awareness of the water saving people.

Key words: the Yellow River; Water resources; Digital water supply; Doppler; flow

中图分类号：K826.16文献标识码：A 文章编号：

1 供水系统水量监测的必要性

黄河是我国西北、华北地区重要水源，以占全国2%的径流量承担了占全国15%耕地面积和12%人口的供水任务。供水范围涉及流域地区1.4亿人口、2.4亿亩耕地、50多座大中城市和部分能源基地。随着黄河流域社会经济的发展，沿黄地区对黄河水资源的需求越来越大，供求矛盾日趋尖锐。

山西地处黄河中上游地区，水资源极度贫乏，严重制约着经济和社会的快速发展，所以，引黄入晋，引沁入汾等一批引水工程先后建成并投入使用，有效的促进当地的经济和社会发展，随着新形势的发展，灌区的供水管理工作也不能适应新形势下的需求。

供水管理存在的主要问题之一，是用水计量管理落后，“目前，引黄工程斗渠以下主要由乡、村集体自建自管。用水计量管理落后，灌溉计量设施老化严重甚至基本没有量水设备。”在黄河流域实行可交易水权制度，很大程度上依赖于相关技术基础的建立和技术手段的完善。

另一方面，由于下游涵闸结构形式不同，引水时间和闸门开启数量和开启度的不同，水位流量关系非常复杂，常有同水位而流量差别很大的情况发生，所以利用传统的水位推求流量的方法，会造成较大的误差。

只有引进、开发各种适用的引水测量技术，建立引黄供水流量自动监测系统，利用先进的技术和仪器实施实时在线监测，才能满足供水、引水双方的计量精度要求。

2流量在线监测技术简介

水量的监测是通过对流量监测实现的，流量的监测是通过对流速和水位的监测实现的。传统的流量测验手段（如旋浆式流速仪法）由于其历时长、自动化程度低等固有的缺点，越来越不能满足经济社会和水文事业发展的需要；不稳定流、受潮汐影响以及受人类活动影响的流量测验，使用传统的测验手段更是难以实现。先进的量测技术、量测仪器和试验设备，是取得高精度测验成果、获得高水平科研成果、取得科技新突破和证安全生产的重要手段。

目前常用的流量在线监测仪器，主要有多普勒流量计和时差法流量计。声学法流量测量仪器又被称为超声波流量仪器，这是因为早期使用的声波频率基本上在超声波的频率范围内，而目前已发展到较高频率，所以统称为声学法流量测量仪器。在明渠中应用声学流量仪器测流，测得流量的原理属流速面积法。它是先直接测得某水层的平均流速或某垂线、某部分水层平均流速，并以此由经验模型推算出断面平均流速。有时需要加入水位因素进行断面平均流速计算。过水断面面积由已知断面形状参数和自动测得的当时水位推算。断面平均流速与过水断面面积之积即为断面流量。从测速原理上分类，可分为多普勒法和时差法二类声学流量仪器。

（1）多普勒流量计。上世纪80年代初期，美国RDI公司成功地将声学多普勒技术应用到水文测验之中，研制出世界上第一台ADCP，对水文在线监测起到了较大的推动作用。经过20多年的发展，该技术已走向成熟，并于90年代后逐步在国内高精度流量测验方面得到应用，效果良好。该仪器流速分辩率高，性能稳定，安装方便，设备长期稳定性好，可同时监测流速、流向、水位、水温、仪器姿态、断面流速分布等参数。

（2）时差法流量计。是流量在线监测的传统仪器，技术手段成熟，测量精度高（多通道时），被广泛应用，尤其在大直径管道流量测验方面应用较多。但由于设备安装复杂，土建工作量大、通道较少时精度无法保证等因素，其应用受到一定限制。

综合考虑黄河下游涵闸建筑形式、地理环境、引水情况、河道水势等因素，依照相关规范，选用声学多普勒流速剖面仪（ADCP），建立流量自动监测系统。

3 多普勒技术应用

利用多普勒原理的声学多普勒剖面流速仪（ADCP）测流技术在国际上已发展多年并日趋成熟。

3.1 ADCP简介

ADCP（Acoustic Doppler Current Profilers的简称），是利用声学多普勒原理进行研制的，是目前世界上最为先进的河流流速流量实时测量设备，自1981年在美国诞生以来，随着技术的不断进步和日益完善，已从海洋测量逐步应用于河流流量测量，测量精度也得到很大的提高，已从最初的盲区1米以上，降低到所谓的“零盲区”，剖面单元缩小到目前的0.05～0.25米，使其在宽浅河流上的应用成为可能。

ADCP根据不同的测量方式，可以分成走航式和固定式两种。

（1）、走航式ADCP在测量时，作业船航速是影响流量测量精度的重要因素，且可以由测量者控制。航速越低，流量测量误差越小，一般航速可以控制在0.5～1.0m/s之间。河面越宽、河流流速越大、系统频率越高、系统发射速率越快，其流量的测量误差就越小。一般来说，走航式ADCP适合于水文巡测。

第6篇：声速测量实验范文

关键词：特征值；标准值；低应变；声波透射；基准梁

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：

0前 言

地基基础质量与工程建设的安全紧密相关，从事地基基础质量检测工作的责任重大。在工作中，有幸接触了省内省外的建设系统、水利水电、公路等从事地基基础检测的单位，他们对规范的理解存在一定的偏差，文章提出常见的问题供同行讨论，其目的是不断提高检测水平和对规范的更好理解。

1低应变检测桩身完整性

低应变法是检测桩身完整性的方法之一，快速、较为准确、经济是其最大的特点，应用非常广泛，得到了广大检测工作者的青睐。但有很多检测人员用低应变法计算单桩波速，据此确定桩身强度。

根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106－2003，低应变法适用于检测混凝土桩的桩身完整性，判定桩身缺陷的程度及位置，规范中无任何依据利用单桩波速判定混凝土强度。

根据低应变的适用性，其具体的工作大致应为：在确定桩身波速平均值的前提下，根据实测的桩身应力波速度时程曲线判定桩身的完整性。桩身波速平均值的确定是低应变检测中非常重要的一个环节，其方法有三：

1）当桩长已知、桩底反射信号明确时，在地质条件、设计桩型、成桩工艺相同的基桩中，选择不少于 5根Ⅰ类桩的桩身波速值计算其平均值。

2）当无法根据上一条确定时，波速平均值可根据本地区相同桩型及成桩工艺的其他桩基工程的实测值，结合桩身混凝土的骨料品种和强度等级综合确定。

3）根据《江苏省建筑地基基础质量检测若干规定》提供的应力波纵波速度与灌注桩混凝土强度等级关系的推荐值（见表 1）确定桩身波速平均值。

表1 应力波纵波速度与灌注桩混凝土强度等级关系

2声波透射法

声波透射法适用于已埋声测管的混凝土灌注桩桩身完整性检测，判定桩身缺陷的程度并确定其位置。其现场检测前准备工作有：

1）采用标定法确定仪器系统延迟时间。

2）计算声测管及耦合水层声时修正值。

3）在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。

4）将各声测管内注满清水，检查声测管畅通情况，换能器应能在全程范围内升降顺畅。

其中第一点和第二点是较多检测单位出现错误操作的地方，在测定仪器系统延迟时间，有将径向换能器平行紧贴置于水中进行测量，如图 1 所示；也有将系统延迟时间和声测管及耦合水层声时修正值统一测定的做法，如图2

所示，将埋管用的钢管取两小段，平行紧靠置于水桶之中，再将径向传感器放入钢管中，测定的结果视为“系统延迟时间和声测管及耦合水层声时修正值”；更有甚者，将径向换能器置于地上十字交叉放置，将实测结果作为系统延迟时间输入仪器。

根据《建筑基桩检测技术规范》JGJ106－2003 规范，用标定法测定仪器系统延迟时间的方法是将发射、接收换能器平行悬于清水中（见图 3），径向换能器边缘距从400mm 开始逐点改变点源距离并测量相应声时，记录若干点的声时数据并作线性回归的时距曲线（见图4

）。

t=t0+b×l（1）

式中b———直线斜率（μs/mm）；

l———换能器表面净距离；

t———声时（μs）；

t0———仪器系统延迟时间（μs）。

另外，声测管及耦合水层声时的修正值应根据声测管的内、外径，换能器的外径，管材的声速，水的声速等进行计算得出。

不同水温条件下的声速值参见表 2，钢的声速取5800m/s，PVC 管的声速取 2350m/s。

声波透射法工作中应当注意的问题：

1）配备检定合格的温度计，测定耦合水的温度，用于声测管及耦合水层声时修正值的计算。

2）配备检定合格的长度计量器具。

3）确保灌注的声测用耦合水为清水，若为浑浊水将明显加大声波衰减和延长传播时间，给声波检测结果带来误差。

4）实测时，传感器必须是从孔底向孔口移动。

5）实测过程中应及时查看实测结果，对异常点、段应采用检查、复测、细测（指水平加密、等差同步和扇形扫测）等手段排除干扰和确定异常，不得将不能解释的异常带回室内。

6）对于参与分析计算的剖面数据，应分析剔除声测管埋置不平行的结果数据。

7）对于临时性的钻孔声波透射特殊情况，钻孔是否平行将对结果产生严重的影响，如果不能确定钻孔保持等间距或钻孔情况已知的条件下，不适于开展声波透射。

3特征值、标准值

地基基础检测过程中始终贯穿着这两个名词，容易引起混淆，根据相应的规范理解如下：

1）概念

特征值：根据《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002及《建筑地基处理规范》JGJ79－2002，地基承载力特征值是由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值，实际即为地基承载力的允许值。例如：天然地基承载力特征值、复合地基承载力特征值、单桩竖向承载力特征值等。

标准值：荷载和材料强度的标准值是通过试验取得统计数据后，根据其概率分布，并结合工程经验，取其中的某一分位值（不一定是最大值）确定的。《建筑结构荷载规范》GB50009－2001，标准值是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（例如均值、众值、中值或某个分位值）。《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002，标准值取其概率分布的 0.05分位数。例如：单桩竖向极限承载力标准值、岩石饱和单轴抗压强度标准值等。

两者之间的关系

特征值 = 标准值（常指极限状态）/ 安全系数。《建筑桩基技术规范》JGJ94－2008 中，单桩竖向承载力特征值为单桩竖向极限承载力标准值除以安全系数后的承载力值。

《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002 的岩基载荷试验中，每个场地中极限荷载除以 3 取小值为岩石地基承载力特征值。

《建筑基桩检测技术规范》JGJ106－2003，单位工程同一条件下的单桩竖向抗压承载力特征值应按单桩竖向抗压极限承载力统计值（极差不超过30%时，取平均值为单桩抗压极限承载力，高应变亦同；对桩数为3根或 3 根以下的柱下承台，或工程桩抽检数量少于 3 根

时，取低值）的一半取值。

《建筑地基基础设计规范》GB50007－2002 中，岩石地基承载力特征值 = 折减系数×岩石饱和单轴抗压强度标准值，其中折减系数与岩石的完整程度有关。

第7篇：声速测量实验范文

关键词：量测技术； 仪器设备； 水工模型试验；

前言

为适应水利事业的发展形势， 从事水利工程模型试验量测技术的工程技术人员和研究工作者从深度和广度两个方面开展了大量的工作， 通过多种测试技术的集成和整合解决复杂的工程技术难题， 并紧密结合实际研究开发新仪器和新技术， 为水利工程建设、水利工程管理和基础研究等提供新技术、新仪器、新设备和先进的自动化管理系统， 为我国水利、水电、水运事业的重大基础研究、高技术发展和社会公益研究提供可靠的科学依据， 为我国国民经济的可持续发展提供强有力的支撑，本文在此谈了谈自己的一些看法。

一、模型试验概况分析

我国大多数河流因种种原因尚缺乏完全彻底的治理， 山区河流水情复杂， 平原河道河势不稳， 冲淤变化剧烈， 水流含沙量较大。因此，全面规划、综合治理、合理开发、统一管理是现代水利工程的重要研究内容， 大量的实际工程与理论问题急需进行专题研究。例如， 航道整治与河流水资源综合开发利用的关系、不同类型河道整治原则、整治技术参数与方案措施的确定、各类整治建筑物的绕流、冲刷及其稳定性、新型整治工程技术的开发、河口海岸防洪与水土资源综合开发利用、海岸风暴潮灾害防治对策等课题都迫切需要进行科学研究。

二、模型试验量测技术和仪器设备分析

1、模型试验基础设施和专用设备有试验厅、供水系统、供电与接地系统、生潮系统、生波系统、波浪水槽和水池等。

2、模型试验流速测量的仪器设备主要有： 毕托管流速仪、旋浆流速仪（ 电阻式旋浆传感器、电感式旋浆传感器、光电式旋浆传感器、光电式旋浆流速仪、LGY―Ⅱ型智能流速仪、L GY―Ⅲ型多功能智能流速仪等） 、旋桨流速流向仪（ 旋浆式流速流向仪、CSY―Ⅲ型流速流向仪） 、热阻式流速仪（ 热阻式流速仪、热线流速仪） 、电磁流速仪（ VM- 801HA 型电磁流速仪、P- EM S电磁流速仪、F LO- M AT E2000型电磁流速仪） 、声学多普勒流速仪、激光流速仪、粒子图像测速系统（ VDMS 流场实时测量系统、POW-ERVIEW立体PIV系统） 等。

3、模型试验流量测量的仪器设备主要有： 量水堰（ 三角堰、矩形堰、复式堰） 、压差式流量计（ 文杜里水计、LGB 型标准孔板管道流量计、托巴管流量计） 、V锥流量计、浮子流量计、电磁流量计（IFM型系列和 K300型系列电磁流量计、LDG 型电磁流量计、LD 型系列电磁流量计、E- mad E 型电磁流量计） 、涡轮流量计、涡街流量计、超声波流量计（ 1010系列时差式超声波流量计、ZCL- 1系列智能超声波流量计、Sp- 2系列智能超声波流量计、TDS- 100型超声波流量计、ADF M声学多普勒流量计） 、其它流量计（ 容积式水量计、T SK

档板式流量计、水量计时器、DSJ 系列电脑水量计） 等。

4、模型试验水位与波高测量的仪器设备主要有： 水位测针、水位仪（ 跟踪式水位仪、探测式水位仪、振动式水位仪、光栅式水位仪） 、波高仪和波高测量系统（ 电阻式波高仪、电容式波高仪、计算机波高测量系统） 、水位计（ 压力式水位计、WYG-Ⅱ型水位采集系统、WL 400压力式水位计、超声水位计、AWM S16 型超 声水 位 测量 系统、其它水位计 ）等。

5、模型试验含沙量和泥沙颗粒级配测量的仪器设备主要有： 含沙量测量（ 烘干称重法、比重瓶法、光电测沙仪、CYS―Ⅲ型智能测沙颗分仪、红外光电测沙仪、同位素测沙仪、激光测沙仪、其它测沙仪） 、泥沙颗粒级配测量（ 光电颗分仪、声波震动式粒度仪、离心沉降式颗分仪、激光粒度仪、LS―CWM 型激光粒度仪、Mastersizer 2000激光粒度分析仪）等。

6、模型试验压力测量的仪器和传感器主要有： 压力传感器（ 应变片式压力传感器、压电式压力传感器、总力传感器） 、计算机压力测量系统、应力应变测量（ 动态电阻应变仪、钢弦应变仪） 、六分量测量等。

7、模型试验地形测量的仪器设备主要有： 光电式地形仪、电阻式地形仪、超声波地形仪、跟踪式地形、超声地形自动测量系统、其他地形测量仪等。

8、模型试验测量误差与数据处理技术主要有： 测量误差及其发展（ 测量的概念、测量的发展） 、测量误差的基本概念（ 误差的定义、误差产生的原因、误差的分类） 、测量准确度的质量概述、数理统计基本理论（ 基本概念、随机变量及其分布、统计分布的特征值） 、常见误差分布（ 正态分布、其他常见误差分布、常用的统计量分布） 等。

9、计算机在模型测试中的应用技术主要有：计算机接口技术（ 计算机接口功能、常用接口、串行通信接口技术） 、计算机测试系统信号的输入（ 输入通道含义、输入通道的结构类型、信号调节） 、信号拾取和放大（ 信号拾取方法、模拟信号放大、信号的隔离和滤波） 、数字量的输入（ 开关量的输入、脉冲量的输入） 、模/ 数（ A/ D） 转换技术（ 模拟与数字信号特点、模/ 数转换过程、模/ 数转换原理、模/ 数转换器及其与单片机的接口） 、数据采集系统设计（ 数据采集系统的结构、单片机数据采集系统） 、计算机控制系统（ 计算机控制系统的组成、计算机控制系统的硬件、计算机控制系统的软件） 、模型试验智能化、数字化、网络化系统（ 试验数据采集和控制系统、共用接口系统、网络系统、共用数据库系统、分析研究应用系统） 等。

三、结语

没有先进的量测仪器、量测技术和试验设备， 科学技术工作就不可能有新的发现和突破。我国“863计划”的第一建议人、中国科学院王大衍院士， 在他就加强量测仪器和设备的研究向中国科学院的报告中指出， 诺贝尔奖获得者中有70 %以上是与量测仪器、量测技术和研究设备的发展密切关联的。水利事业也是如此， 不管是兴利还是除害， 也不管是水利工程建设还是管理， 都越来越需要水利量测技术和仪器设备的创新与发展来支撑。随着水利事业的发展， 大型水利工程日益增多，在建和待建的大型水利工程由于工程本身的重要性和复杂化， 需要解决的技术难题越来越多。解决生产中重大技术难题的重要手段之一是物理模型试验。而在一些重要的模型试验中， 如果没有先进的量测仪器和量测技术以及这些量测技术的联合运作， 就不可能得到高质量的研究成果， 水利工程模型试验量测技术已成为不可或缺的技术手段。

参考文献：

[1] 蔡守允， 刘兆衡， 张晓红， 等. 水利工程模型试验量测技术[M ] .北京： 海洋出版社， 2008

[2] 蔡守允， 朱其俊， 张晓红， 等. 变坡水槽智能化控制系统研究与开发[ J]. 水利水电技术， 2007

[3] 蔡守允， 马启南， 朱其俊， 等. 农村水资源自动化测量系统研究[J]. 水利水电科技进展， 2007

第8篇：声速测量实验范文

关键字：GPS；ADCP；流量测验；

中图分类号： P228.4 文献标识码： A

1.引言

ADCP是声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profiles）的简称。20世纪80年代初，利用ADCP进行河流流量测验的方法开始发展起来。该方法的发明被认为是河流流量测量领域的一次革命。当装备有ADCP的测量船从河流断面的一侧航行至另一侧时，即可测出河流流量，其高效性使得传统的河流流量测验方法被逐步的取代，河流流量测量进入现代化时代。

2.ADCP测量原理

声波源或观察者或两者相对于传输介质运动时，观察者收到的频率和波源的频率就会不相同，这种现象叫做多普勒效应，ADCP正是利用这一物理效应来进行工作的。

假定水体中颗粒物的运动速度与水体流速相同，当颗粒物的运动方向是接近声源时，收到的回波频率比发射频率高；当颗粒物的运动方向是背离声源时，收到的回波频率比发射频率低。声学多普勒频移，即回波频率与发射频率之差，有：

(1)

其中，为声学多普勒频移；为回波频率；V是颗粒物沿着声束方向的移动速度（即沿着声束方向的水流速度）；C是声波在水中的传播速度；为波束的垂直倾角。

ADCP流量计算的公式最早由Deines提出(1982)，并在Simpson and Oltmann报告(1993)中有详细的描述。

ADCP基于如下公式计算流量：

(2)

其中，――流量；――沿测船航迹断面面积；――测船航迹断面某微元处流速矢量；――测船航迹上的单位法线矢量；――测船航迹断面上微元面积，由下式确定：

(3)

式中，――垂向微元长度；――时间微元；――测船速度矢量。

流量公式也可写为：

(4)

式中，和分别为x和y方向的流速分量；和为x和y方向的测船速度分量，；为微断面处水深；为集合时间平均步长。

3.采用GPS测量船速

要获取河流流量，船速的精确获取不可或缺。但是，河底泥沙在高流速时会随着水流迁移形成推移质运动，俗称“动底”。当出现“动底”时，ADCP底跟踪所测的船速将不准确；ADCP所测流量结果也将与实际流量结果不相符。

解决这个问题的办法就是用全球定位系统GPS来测定船速。具体来说就是通过ADCP测量软件接收GPS 的GGA格式数据，由它算出测船的速度矢量，或是接收GPS中的VTG格式的数据直接得到测船速度矢量。

当船速矢量采用GPS系统来测量时，该矢量是建立在大地坐标之上的。而ADCP所测的水流速度矢量（包括底跟踪法测出的船速矢量）首先是建立在仪器坐标系统之上的，然后通过转换得到大地坐标上结果。当两个系统各自确立的大地坐标有偏差时，则ADCP计算的最终流量结果就会有偏差。

解决步骤是，在测量区域选择风平浪静的天气，测船沿着一定的航向直行，测出底跟踪方式及GPS方式下船速矢量的方向角度值，取两者差的平均值为该区域的磁偏角输入到ADCP中，用以修正该项误差。或是用户直接输入偏角进行误差改正。

4.应用分析

以某ADCP进行测试，采用外接GPS方式测量某河段流量，采集6个测次，测量时间从13:34到16:13。该次测验中，GPS船速采用的是GPVTG中的速度和方向之间计算得出，测试结果如下表所示。

通过分析表中数据可以看出：

1.利用外接GPS测得的各个测次之间的流量误差分别为：0.41%、1.81%、0.31%、0.88%、2.25%、0.33%；

2.测次间的流量误差均在5%的误差范围之内，符合声学多普勒流量测验规范要求，因此可以认为利用GPS代替底跟踪的数据结果是可靠的。

表1 测验结果表格

5.结论

在河流流量测量时，当河底泥沙出现“动底”情况或底跟踪失效时，可采用外接GPS方式获取船速，从而获得可靠的河流流量结果。

参考资料

[1]SL337-2006 声学多普勒流量测验规范[S]，复旦大学出版社，2006年。

[2] 黄河宁，ADCP河流流量测验原理方法[Z],美国亚迪仪器公司，2002.

[3] 田淳，刘少华，声学多普勒测流原理及其应用[M]，黄河水利出版社，2003年。

[4] 陈力平，方波，季成康，应用GPS技术改正ADCP测量误差[J],人民长江，2002年。

作者简介：

刘朋姣，女，1984年10月出生，汉族，陕西西安

第9篇：声速测量实验范文

关键词：超声速流场；总压管；角度特性；激波。

前言

总压管是测量流场总压的有效工具之一。NACA在90年代中期就对总压的角度特性展开了大量研究[1][2][3]，得到了不同头部几何形状及来流马赫数对总压管角度特性影响的一些规律。国内对总压管在超声速流场中的应用也进行了一些研究，文献[4]提出了一种超声速条件下利用不加修正总压探针测量值峰值连线近似总压分布测量值的上包络线法；文献[5]研究了总压管在超声速流场测量中的影响。但是，在国内关于总压管在超声速流场中的角度特性的相关文献还不多见。

本文建立了一种总压管的计算模型，首先模拟了0度攻角时，某一总压管在不同马赫数的超声速均匀来流条件下的“测量”情况，计算结果与理论值吻合得很好。在此基础上模拟了两支总压管的角度特性，研究了不同来流马赫数及头部形状的影响，计算结果也与已有实验值[1]吻合得较好。超声速来流条件下，该计算模型能够很好地捕捉总压管前的激波，刻画激波的强间断特性。

1、计算模型的建立

1.1总压管的模化

图1给出了研究对象总压管A和B头部的几何参数。A、B总压管均具有圆柱形外形和圆锥形内腔，外径D都为2mm，内径d都为0.375mm（d/D=0.1875），两者唯一的区别是锥形内腔的半锥角，A、B总压管锥形内腔的半锥角分别为15°和25°。

图1 总压管A和B的头部几何形状

计算之前对总压管进行了模化，计算中去除了总压管支杆，保持总压管的头部几何不变，总压管长度取为管外径的5倍。总压管的测量原理就是将气流等熵滞止，并将滞止压力连接到传感器上而得到气流的总压，此处的做法是保留了一段引压通道并将通道的末端封死。

1.2计算域的选取

计算域的进口与探针前端距离为总压管外径的20倍，这是考虑到所计算的来流为超声速，扰动对上游的影响较小。计算域出口与总压管尾部的距离是在试算后认为不再有边条反射而确定的，最终计算域出口距总压管尾部的距离为40倍的管外径。考虑超音速风洞的堵塞比，同时考虑实际应用尺寸，计算域的外径定为总压管外径的75倍，图2为最终选取的计算域。

图 2 计算域

2、计算网格

采用激波捕捉和激波装配型两种不同类型的计算网格，如图3所示。激波装配型网格是在捕捉型网格计算结果的基础上建立起来的，具体为：根据激波捕捉模型网格的计算结果，初步判断激波的位置，并在捕捉模型网格的基础上进行局部加密得到。实践证明激波捕捉模型的网格能够更准确地反映激波形态，从而获得正确的计算流场[3]。为满足计算湍流模型SST的需要，网格在壁面处都进行了加密，第一层网格为0.005mm，Y-plus小于20。

图 4 计算网格

3、边界条件设置

进口：给定总温、总压和速度的大小与方向。

出口：1）亚声速时，给定出口静压；2）超声速时，直接设为超音（不给边界条件）。

计算域周向：给滑移壁面边条。

总压管的壁面：给无滑移壁面边条。

4、结果分析

4.1零度攻角计算验证

选择了总压管A为计算对象，来流马赫数分别取1.1、1.2、1.3、1.4、1.62、2.0和2.4，来流攻角均取为0度。从后面图7中部分马赫数条件下数据提取线AB上的总压分布情况也可以看出，引压通道入口不远气流的总压就保持不变。为了方便处理，直接读取总压管引压通道后半段AB线上的总压作为总压管“测量值”。总压的理论值定义为来流经过一道正激波后的总压。

图5为总压管“测量值”在总压与马赫数理论关系线上的分布情况。从图中可以看出“测量值”与理论值几乎是重合的。总体上看，计算结果与理论值吻合较好。

图5 总压管“测量值”在总压与马赫数理论关系线上的分布

为了说明总压管在超声速流场中实现总压测量的过程，提取了总压管轴线从计算域进口到总压管引压通道末端之间（设为AB线上）的马赫数和总压，并作了分析。

图6是不同来流马赫数下AB线上的马赫数分布情况。从图中可以看出，超声速来流的马赫数在总压管上游的某个位置发生了突变，从超声速变为亚声速，说明此处产生了一道正激波。马赫数变化的程度反映出了激波强度的大小，对比不同来流马赫数下AB线上的马赫数变化情况可以看出，随着来流马赫数的增大激波逐渐增强。气流经过正激波后没有直接滞止下来，而是经过一段距离直到引压通道入口才实现完全滞止。对比不同来流马赫数下AB线上的马赫数分布也可以看出激波位置随着来流马赫数的增大越来越贴近总压管端部。超声速流场中激波是扰动所能达到的边界，这说明随着来流马赫数的增大，总压管对上游的影响范围是不断缩小的。

图6 数据提取线AB上的马赫数分布

图7给出了部分计算结果对应的AB上的无量纲化总压分布曲线。从图中可以看出激波之前总压保持不变，在激波处总压发生了突降，来流马赫数越大总压管前的弓形激波越强，经过激波后的总压的变化越大，气流经过激波后的总压恢复系数越低，该现象很好地反映了正激波的特性。图中还可以看出激波后气流的总压几乎保持不变，这说明超声速流场中总压管测量时，流动的损失主要是激波损失，因此总压管测量超声速流场的工程应用中，将零度攻角下总压管的测量值近似为气流经过一道正激波后的总压的做法是合理的。

图7 部分马赫数下AB线上的无量钢化总压变化情况

4.2总压管的角度特性

计算了总压管A在来流马赫数为0.26和1.62以及总压管B在来流马赫数为1.3、1.4和1.62时的角度特性，并将数值结果与文献[1]的实验结果进行了对比。计算中保持计算域和计算边界条件不变，而只旋转总压管的方式来实现不同攻角的测量。

使用敏感角度来衡量总压管的角度特性，定义为总压管的总压测量误差的绝对值等于1%指示冲击压力时的测量角度。

图8给出了总压管A和B在来流马赫为1.62条件下的角度特性，图中和分别为文献[1]中实验测得的总压管A和B在该马赫数下的敏感角度。从图中可以看出总压管A和B敏感角度的计算值分别为34°和33°左右，计算值都略高于实验值。从图中还可以看出总压管A的敏感角度大于总压管B的敏感角度，这说明外形圆柱形、带锥形内腔的总压管，内腔的锥角越小其敏感角度越大，这与实验结果一致。值得注意的是，图14中A、B总压管的总压测量误差随来流攻角的增大都呈先正偏转偏后向负偏转的变化，从后面的分析可知这是总压管前的弓形激波随来流攻角增大减弱引起的。

图8 马赫1.62时总压管A和B的总压测量误差随攻角的变化情况

图9给出了总压管B在不同来流马赫数下的角度特性，从图中可以看出，随着来流马赫数的增大总压管的角度特性有好转的趋势，并且这个趋势是由总压测量误差随马赫数增大正偏幅度增大带来的。这说明马赫数对外形圆柱形、带锥形内腔的总压管角度特性的影响是积极的，这与实验结果一致。从前面零度攻角的分析已经知道，随着来流马赫数的提高总压管前方的弓形激波是逐渐增强的，而从后面的分析可知激波越强测量攻角的变化对激波强度的影响越明显，从而使得小攻角测量时总压管的总压测量误差正偏量越大。

图9 不同来流马赫数下总压管B的角度特性

亚声速流动中，一支孔口无毛刺、壁面光洁的总压管，当其头部对准气流方向时就几乎能够实现气流的绝能等熵滞止。来流攻角的变化改变了总压管能滞止的气流分速度，进而改变了总压管的测量值，来流相对总压管的攻角越大，气流沿总压管轴向的分速度越小，总压管的测量值越小，所以亚声速时总压测量误差总是负值。超声速流场中，气流的滞止过程首先经过一道弓形激波，激波后气流的流动为亚声速，其后气流的滞止过程与亚声速一致。由于总压管前弓形激波的存在，弓形激波的强弱也将影响总压管的测量结果。

图10给出了来流马赫数为1.62时总压管B在来流攻角分别为0°、10°、25°和35°对应的计算域进口至总压管端部的总压变化情况，从图中的局部放大图可以看出，来流攻角越小激波前后的总压变化越剧烈（曲线越正）总压的拐点也越低，这说明来流角度越小总压管前方的弓形激波越强，气流经过激波后的总压恢复系数越低。

图10来流马赫数为1.62时部分攻角下总压管B端部前方中心线上总压的变化情况

5、结论

本文的研究结果表明：

1）建立的总压管计算模型是合理的，计算中网格的划分及边界条件的设置适合带激波的流场计算。

2）超声速流场中，总压管在零度攻角下的测量值近似等于气流经过一道正激波后的总压。来流马赫数越大总压管前方的弓形激波越贴近总压管头部，激波也越强。

3）与亚声速不同的是，在超声速流场中影响总压管测量结果的不仅有速度分量因素还有总压管前方弓形激波强度的因素。超声速流场中，来流攻角的变化不仅改变了总压管能够滞止的分速度大小，同时还改变了总压管前方弓形激波的强度。小攻角测量时弓形激波减弱的因素起主导作用，大攻角测量时速度分量的因素起主导作用。弓形激波的因素是圆柱形外形、圆锥形内腔总压管在超声速流场中的角度特性好于亚声速流场中的原因，同时也是超声速流动中马赫数影响总压管角度特性的机制之一。

参考文献

[1] William Gracey， Donald E. Coletti， Walter R. Russell. Wind-Tunnel Investigation of A Number of Total-Pressure Tubes at High Angle of Attack --Supersonic Speeds [R]. NACA TN2261， 1951.

[2] William Gracey. Wind-Tunnel Investigation of A Number of Total-Pressure Tubes at High Angles of Attack -- Subsonic， Transonic， and Supersonic Speeds [R]. NACA-TR-1303， 1957.

[3] William Gracey， William Letko， and Walter R. Russell. Wind-Tunnel Investigation of A Number of Total-Pressure Tubes at High Angles of Attack –Subsonic Speeds [R]. NACA TN 2331，April 1951.

[4] 冷旭明，张锡文，谢峻石，何枫。总压管在超音速流场测量中的影响。清华大学学报（自然科学版）[J]，2001年第41卷第11期。