声学通讯器

摘要：新一代走航式声学多普勒水流剖面仪M9克服了早期仪器的缺陷，采用多频、智能的多种工作模式，解决了困惑水文的高、低流速测流难题。M9灵活的配置，考虑不同用户的需求，可实现无线通讯、内置GPS、遥控，解决河床走底引起的多普勒流速仪流量测验误差。列举了各种不同条件、环境的河道，采用 M9实测的案例，显示了该仪器的优异性能。关键词：M9；多频；智能；脉冲相干、宽带、窄带多种工作模式自动切换；高、低速测流前言采用多普勒频移原理研制的走航式声学多普勒水流剖面仪，应用于水文测验已经有二十多年的历史。由于制作复杂、生产成本高、以及使用量不大等原因，世界上能够生产该类仪器的著名厂家仅为可数的几家，而且基本上集中在美国。近几年，国内部分厂家开始研制类似产品，并陆续投放市场。二十余年来，厂家历经了数次的改进，生产出了不少型号和不同工作频率的仪器，供不同条件和环境下的使用。其性能虽有了很大的提高，但因为最初的设计是针对海洋测流需要，这对于在内河河道上的使用，带来了一些不足；在水文测验中还是感到有些不尽人意。一直以来，困惑水文的高、低流速测流难题，仍然没有给出有效的解决方案。经过多年的研究和总结了目前所有多普勒流速仪产品存在的问题；美国赛莱默公司旗下的SonTek 公司在2009年开发出了最新一代的走航式声学多普勒水流剖面仪 M9/S5。经过数年多在世界各地的实际使用和比测，效果非常之好，成为了目前世界上最先进的一种声学多普勒流量计。M9 的技术指标和配置 考虑到不同用户的需要，M9系列的仪器有着灵活的配置。其标准配置为：仪器主机＋10米电源/通讯电缆线（可延长）；可安装在船舷边使用；实现主机与计算机之间的直接通讯。若装备有小型载体（船体）时，可配置无线电台的通讯方式，通讯距离可达1500米，实现主机与计算机之间的无线通讯。为了满足在河床走底情况下测流的需要，还可以选配内置的 GPS，有二种供选择；即 SonTek 的DGPS（亚米级精度），和SonTek 的RTK GPS（0.03米精度）。此外，M9/S5系列的仪器还可以配置SonTek自行研制的单体船，以及其它公司配套的三体船或自带动力的遥控船；这种浮体保证了仪器在测量时的平稳和较小的仪器入水深度。从上述技术指标可以看到，M9 从很浅的不到0.3米处河岸开始测量，一直到最深达80米的河床深度，仍然可以一次完成测量并计算出该测流断面的流量，这大大满足了全世界 85 % 以上河道测流的需求。M9/S5 的特点和优势作为一种全新的M9/S5，实际上是一款专为河流流量测验所设计的仪器。与老一代所有现有的多普勒流速仪相比，有以下几个特点：1、多种频率换能器的配置。4个一组的二种不同频率换能器用于流速的测量，满足了从浅水到深水的不同河床条件，只用一款仪器进行流量测验的需要。2、垂直声波探头专用于水深的测量。改变了原先采用斜向测速声波测量流速的同时，测量水深的方法。直接提高了水深的测量精度，以及流量的测量精度。500KHz工作频率的波束使得仪器的测量范围增加到80米之深。3、全自动的测量方式，有四种自动转换的功能工作模式的自动转换。仪器采用了一种 SmartPulseHD智能脉冲功能，基于实测动态的水深和流速，自动地选择 脉冲相干（PC）工作模式、或 宽带工作模式、或 窄带工作模式，这三种不同的工作模式都有其优点和弱点。M9/S5充分发挥了各种模式的优势，自动切换，使得仪器始终处于高分辨率的最佳性能比。? 测量单元的自动转换。可根据实测水深和流速，自动选择从0.02～4米的测量单元。保证在浅水时具有很高的分辨率；在深水时有更大的测量范围。? 二种不同频率换能器工作状态的转换。可根据实测的水深和流速，在浅水时采用高频的3MHz换能器测量流速，在深水时采用低频的1MHz换能器测量流速；仪器始终保持最佳的工作状态。? 采样频率的自动转换。可根据水深的变化，自动调整仪器每秒钟的采样频率，其最高采样频率达到 70Hz。在水深变化的情况下，尽可能地获取更多的采样数，以提高仪器的测量精度。以下图为例，在同一个测流断面上，用二种不同的仪器测量的成果。上图是采用老一代多普勒流速仪实测的成果；下图是M9 采用智能脉冲功能所表现的高分辨率，犹如HD“高清电视”的效果。测量精度大为提高。4、仪器内部的流量计算功能。内置微处理器直接计算流量数据，而不再依赖于外部的计算机和测量软件进行实测数据的处理和计算。M9在测量过程中，即使通讯中断，也不会影响到测量的过程，更不会因此而丢失数据。仪器测量运行时甚至可关闭计算机；而重新开机通讯后仍可获得全部数据。大大提高了测量的可靠性。16G内存可用于保存实测的流速、水深流量、GPS等大量数据5、可内置的GPS，满足了在走底河床情况下，仍然采用声学多 普勒 原理测量流量的可能性，而不必过虑因为采用外置GPS 所带来的不兼容等问题的困惑。SonTek 自行研制配套的DGPS（亚米级精度），和RTK GPS（0.03米精度），不同于市场上所选用的各种型号的GPS。DGPS不需要寻找地面上设置的基站，直接接收地球上空静止卫星的差分信号，以获得差分GPS 的精度。RTK GPS也不需要地面上已知点的支持，而自行在河岸的任何开阔处设立一个RTK基站。使得仪器的使用非常之灵活和简单。保证了在走底河床情况下的正确测流。6、多种通讯方式 － 有线与无线的选择。对于无线通讯，也可以根据需要，采用无线电台的通讯方式。有效的通讯距离达1500米。除了可使用计算机与主机之间的通讯之外，还可以采用平板电脑来控制主机测量的开始和结束，并在平板电脑屏幕上给出实测的各种数据、航迹和图表。使用非常方便。7、支持多国语言的操作、数据处理的计算机软件。可提供大量的实测数据，和经过计算、分析后的数据，同时提供多种方式，方便用户自行修正和处理数据。软件还可用于控制、下载、查看、分析数据等。

日前，江苏省计量院全消音室、半消音室、隔声室和混响室四个声学实验室经过中国计量院专家为期3天的检测，顺利通过验收，各项技术指标达到国内顶尖水平，堪称江苏最安静的地方。 　　全消音室在空调通风系统关闭、环境无强振动的条件下，本底噪声低于5dBA，在环境无强振动、空调通风系统运行条件下，本底噪声低于12dBA。半消音室在空调通风系统关闭、环境无强振动的条件下，本底噪声低于6dBA，在环境无强振动、空调通风系统运行条件下，本底噪声低于15dBA。另外，隔声室和混响室验收指标大大优于设计指标。 　　声学检测与百姓生活密切相关，这些实验室可广泛应用于空调、洗衣机、冰箱等各类家电及大中型通讯设备、工业机床的声学参数测量，喇叭、扬声器等电声元件的声学特性测量，房门、窗、墙体等各型建筑结构及各类隔声屏障的隔声量测量，各类材料的吸声量测量，及汽车NVH的相关研究等领域。

【研究背景】声学位移计量是现代科学技术中的一项重要技术，因其在水下环境、生物组织和复杂机械部件等领域的应用而备受关注。与传统的光学测量方法相比，声波具有高能量传输效率、优良的物体穿透能力和低生物损耗等优点。然而，由于声波频率通常较低，导致其在高分辨率位移测量中的应用受到限制，这带来了实现超分辨率测量的挑战。近日，来自南京航空航天大学刘云鹏、伏洋洋以及苏州大学物理科学与技术学院徐亚东等人携手在声学位移计量领域取得了新进展。他们设计并制造了一种基于轨道超原子的声学微米计，成功实现了微米级位移的测量。该团队借助拓扑对的概念，利用声学版马吕斯定律，显著提高了位移测量的分辨率。实验中，该声学微米计在3.43 kHz频率下，达到了1.2 μm的分辨能力，表现出超越传统光学方法的优越性能。此外，通过增加拓扑电荷和减小螺距，研究团队理论上能够进一步提升分辨率，甚至达到无限。这种新型声学位移计量技术不仅具备简单设计、紧凑体积、低成本和高稳定性等优势，还能在非破坏性测试、精密制造和生物监测等超声应用中实现易于集成的设备制造。这一研究为超灵敏位移测量和先进的计量技术开辟了新的可能性，展现出在声学及其他领域的广泛应用前景。【仪器解读】本文通过声学阻抗管和高灵敏麦克风等仪器，结合数值模拟，发现了拓扑对（TPs）在轨道超原子中对声学位移计量的关键作用，从而揭示了超分辨率声学位移测量的潜力。针对声波在微米级位移测量中的挑战，通过耦合模理论和干涉效应的微观机理表征，作者得到了声学版马吕斯定律的应用，从而挖掘了声波在复杂环境下的位移测量能力。在此基础上，通过高频声学信号的生成与分析、干涉强度的测量以及拓扑电荷的调节等多种表征手段，实验结果表明，作者设计的声学微米计能够在3.43 kHz的可听频率下实现1.2 μm的位移分辨率，显著优于传统声学传感器。这一结果着重研究了拓扑对介导的干涉机制，并揭示了如何通过调整微观结构实现更高的分辨率。总之，经过声学干涉、数值模拟和实验验证等多重表征手段，作者深入分析了声波与轨道超原子之间的相互作用，进而制备了一种新型声学微米计。这一新材料的制备不仅推动了声学位移计量技术的进步，还为超声领域中的非破坏性测试、精密制造及生物监测等应用开辟了新的方向。轨道超原子中拓扑对（TPs）的概念及其与马吕斯定律类比的干涉效应参考文献：Chen, C., Li, X., Li, W. et al. Super-resolution acoustic displacement metrology through topological pairs in orbital meta-atoms. Nat Commun 15, 8391 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52593-y