測深儀回波信號接收異常的故障分析及解決方案

劉榮 韋塔 王啟興

摘? ? 要：針對出口南亞某國的某型巡邏艇的回聲測深儀在海上試航時，出現(xiàn)回波不穩(wěn)定、高速航行時甚至出現(xiàn)回波信號完全丟失的異常情況，結(jié)合干擾回波信號接收的因素進(jìn)行梳理。通過對案例進(jìn)行故障分析，采用了移位安裝、工藝改進(jìn)等措施消除干擾，有效解決了測深儀回波信號接收異常的故障現(xiàn)象，進(jìn)一步提升了測深儀工作的可靠性和穩(wěn)定性。同時，也對換能器的安裝工藝提出了建議，為今后船廠建造施工以及售后工程師的技術(shù)服務(wù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：測深儀;回波信號;接收異常;故障分析

中圖分類號：U666.7? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The echo sounder of a certain type of military trade patrol ship exported to a country in South Asia has the abnormal situation of unstable echo during sea trial and complete loss of echo signal when sailing at high speed. Combined with the factors that interfere with echo signal reception， through fault analysis of the case， measures such as displacement installation and process improvement are adopted to eliminate the interference and the abnormal receiving of echo signal of the sounder， further enhance the reliability and stability of the sounder. At the same time， the opinions and suggestions on the installation process of the converter are put forward， which can be used for reference for the construction of shipyard and the technical service of after-sale engineers in the future.

Key words： Echo sounder; Echo signal; Abnormal reception; Fault analysis

1? ? ?回聲測深儀的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

出口南亞某國的某型巡邏艇采用DS2008型垂直型超聲波回波測深儀。整機(jī)由主機(jī)、換能器、鋼質(zhì)導(dǎo)流罩、電源裝置組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1? 測深儀整機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）主機(jī)

主機(jī)是整機(jī)測深儀的中樞，其集成了顯示、控制、邏輯處理、發(fā)射/接收電振蕩脈沖信號等功能。

（2）換能器

換能器兼具超聲波發(fā)射和接收的功能，其向水下發(fā)射超聲波脈沖，聲波經(jīng)由海水介質(zhì)向海底傳播，觸碰到海底后被反射回來，反射回來的聲波稱之為回波;回波被換能器接收并轉(zhuǎn)換成電振蕩信號傳遞給測深儀主機(jī)，由測深儀主機(jī)測量超聲波從發(fā)射到回波被反射接收所歷經(jīng)的時間來計算換能器距離海底的垂直距離，從而達(dá)到測深的目的。

（3）導(dǎo)流罩

導(dǎo)流罩主要是用于換能器的安裝及保護(hù)。

測深儀換能器通過間歇式地向水下發(fā)射工作頻率為200 kHz的超聲波脈沖，超聲波經(jīng)海底目標(biāo)反射后大部分能量被測深儀換能器所接收，只要測量出超聲波從發(fā)射到被換能器接收所歷經(jīng)的時間間隔t，即可根據(jù)下式準(zhǔn)確地計算出水深H：

式中：c—超聲波在海水中的傳播速度，通常情況下取c=1500 m/s;

t—超聲波信號從發(fā)射到被換能器接收所歷經(jīng)的時間，s;

D—船舶的吃水深度值，m。

2? ? 干擾回波信號接收的因素

測深儀換能器接收的海底回波信號，其干擾因素主要有：（1）船舶在水中的搖擺狀態(tài);（2）海水中夾雜的氣泡;（3）船舶的航行速度;（4）換能器工作面的清潔度;（5）海底的底質(zhì);（6）聲波在海水中的傳播損耗。

2.1? ?船舶在水中的搖擺狀態(tài)

當(dāng)船舶在水中發(fā)生搖擺時，測深儀換能器的工作面會相應(yīng)地發(fā)生傾斜，換能器所發(fā)射的超聲波主波束的方向也會隨著發(fā)生改變。當(dāng)換能器的工作面水平傾角大于極限角時，換能器的工作效率將會急速下降，從而直接影響到回波接收功能，極容易出現(xiàn)回波信號遺漏的現(xiàn)象，更嚴(yán)重的還可能會出現(xiàn)回波信號完全丟失的異?，F(xiàn)象，致使測深儀無法正常工作。

2.2? ?海水中夾雜的氣泡

海水中夾雜的氣泡對聲能具有很強(qiáng)的削弱作用。若海水中夾雜有大量的氣泡則會引起聲的混響，混響對于水下聲學(xué)儀器是一種比較嚴(yán)重的干擾。如果混響發(fā)生在測深儀換能器的附近，尤其是混響的信號足夠大時，當(dāng)換能器停止發(fā)射超聲波后混響將會淹沒水下目標(biāo)的反射回波，致使回波不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)回波丟失的故障現(xiàn)象，嚴(yán)重干擾測深儀的正常工作。

2.3? ?船舶的航行速度

當(dāng)船舶在高速行駛過程中，船體會發(fā)生劇烈的振動，水流猛烈地沖擊著船體外殼，致使干擾噪聲的強(qiáng)度增加;與此同時，海水的空化現(xiàn)象也明顯加劇，極大地削弱了海底反射的回波信號，最嚴(yán)重的情況就是回波信號直接被強(qiáng)大的干擾信號淹沒，從而導(dǎo)致測深儀工作困難，甚至無法正常工作。

2.4? ?換能器工作面的清潔度

換能器工作面的附著物（如油漆、海生物等）對聲能的吸收作用強(qiáng)大，將使回波信號顯著減弱，降低換能器的轉(zhuǎn)換效率，最嚴(yán)重的情況就是直接導(dǎo)致?lián)Q能器無法接收到回波信號，致使測深儀無法正常地工作。

2.5? ?海底的底質(zhì)

不同的海底底質(zhì)反射聲波的能力也各不相同，巖石的回波反射能力最強(qiáng)，砂底次之，而淤泥的回波反射能力最差;另外，若海底底質(zhì)的表面粗糙度過大，極易造成超聲波與海底目標(biāo)接觸面的耦合效果變差，其反射回波的能力顯著減弱，甚至造成換能器無法接收到超聲波的回波信號。

2.6? ?聲波在海水中的傳播損耗

聲波經(jīng)過海水介質(zhì)的傳播，會發(fā)生反射、折射、散射和吸收等現(xiàn)象，導(dǎo)致聲波能量的減弱，造成了聲波的傳播損耗。傳播損耗包含因聲波的反射、折射、散射和吸收等作用引起的衰減損耗，也包含因聲能的直接擴(kuò)散所引起的擴(kuò)散損耗。

3? ? ?案例故障分析及解決方案

3.1? ?故障分析

出口南亞某國的某型巡邏艇在試航過程中發(fā)現(xiàn)：該船靜止或中低速航行時測深儀處于正常工作的狀態(tài);當(dāng)航速達(dá)到約20 kn時，測深儀就出現(xiàn)回波不穩(wěn)定的狀態(tài)，表現(xiàn)為回波不連續(xù)且回波信號強(qiáng)度減弱，從而引起主機(jī)測深數(shù)據(jù)不穩(wěn)定;當(dāng)船速到達(dá)24 kn以上時，測深儀已無法搜索到回波，主機(jī)無法顯示測深數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響船舶的安全航行。

針對該巡邏艇高速航行時測深儀出現(xiàn)回波信號接收異常的現(xiàn)象，外方用戶和設(shè)備供貨廠商所持意見各有不同：外方認(rèn)為DS2008回波測深儀是中國國產(chǎn)品牌的設(shè)備，發(fā)生故障現(xiàn)象是由于國產(chǎn)換能器的性能不穩(wěn)定導(dǎo)致的，要求更換成進(jìn)口品牌的測深儀;設(shè)備廠商回復(fù)意見為：DS2008回波測深儀為成熟的國產(chǎn)設(shè)備，具有優(yōu)良的工作性能，功能穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的公務(wù)船、軍船，在出口的軍貿(mào)項(xiàng)目中也有諸多成功的案例，發(fā)生故障現(xiàn)象并非是測深儀的性能問題。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備廠商認(rèn)為發(fā)生此類故障現(xiàn)象的主要原因是：船舶在高速行駛過程中，船體外殼底部聚集的大量氣泡和湍流干擾到測深儀換能器的正常工作，從而導(dǎo)致回波信號接收異常的故障發(fā)生。因此可通過對換能器安裝位置的移位及安裝工藝的改進(jìn)等措施進(jìn)行消除。

結(jié)合干擾回波信號接收的因素及以往的經(jīng)驗(yàn)，下面就針對換能器的性能、安裝位置、安裝工藝三個方面進(jìn)行分析：

（1）換能器的性能

經(jīng)查閱相關(guān)資料，DS2008型回波測深儀是根據(jù)《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》2006 修改通版及《關(guān)于回聲測深儀器性能標(biāo)準(zhǔn)建議案》經(jīng)海安會MSC.74（69）決議附件4 修正的A.224（VII）決議，滿足國際航海和國內(nèi)航行的測深要求，適用于船速從0 ～30 kn 的船舶。由于本船的最高航速即使達(dá)到24 kn，仍屬于測深儀技術(shù)要求的航速范圍，其性能滿足技術(shù)要求;同時，DS2008型回波測深儀持有中國船級社CCS 船檢證書，是成熟的國產(chǎn)產(chǎn)品，在國內(nèi)的多型軍船、公務(wù)船以及國外的軍貿(mào)項(xiàng)目中均有配置，性能穩(wěn)定，客戶體驗(yàn)反饋良好。由此可見，換能器的性能并非是導(dǎo)致回波信號接收異常的直接原因。

（2）安裝位置

DS2008測深儀是使用超聲波脈沖進(jìn)行水深測量，換能器的安裝位置非常重要，將直接影響超聲波信號的發(fā)送和接收，從而影響到測量效果。根據(jù)肋骨型線圖判斷換能器的安裝位置是否選取得當(dāng)，這是排查換能器故障最常規(guī)也是最重要的第一步。

本船為船長50 m的傾斜船首單體船，為避免螺旋槳、主機(jī)、首側(cè)推等的雜聲干擾，遠(yuǎn)離各類海底閥、排水口等其它阻礙水流平順的凸出物，一般情況下會將換能器安裝在距離船首約1/3～1/2船長的位置，針對本船而言就是#52～#70的肋位范圍，并選擇船體平坦處且盡量靠近龍骨的位置安裝。圖2為該船#52～#70的肋骨型線圖，從圖中可以看出：船體橫截面為V型結(jié)構(gòu)，#52肋骨型線相對平緩、#70肋骨型線已略顯陡峭，說明越往船首船外板的傾斜度越大;靠近船中龍骨的肋骨型線相對平緩;越往舷側(cè)肋骨型線越陡，船外板的傾斜度也越大。

圖2? ?#52～#70的肋骨型線圖

為便于換能器的安裝和維護(hù)，該船在艙底#63～#65設(shè)置了測深儀艙，換能器裝在測深儀艙#64肋位，見圖3所示：

圖3? 換能器的基座安裝圖

該船的換能器采用貫穿船外板安裝的方式，基座開孔處的船外板傾斜度為21°，超出了換能器安裝傾斜度不得超過20°的規(guī)定，需要移位修改;同時，換能器基座中心距離船中龍骨600 mm，且未貼近平板龍骨安裝，換能器基座和導(dǎo)流罩局部突出船外板部分110 mm，換能器的工作面跟平板龍骨的面板不在同一個水平面，存在有一定的高度差。

由于在船舶前進(jìn)時，該船傾斜的船首很容易產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡直接灌入船底并順著水流向船尾擴(kuò)散和蔓延形成一定厚度的氣泡層，而換能器和導(dǎo)流罩局部突出船外板部分的尺寸較短，結(jié)果突出部分完全被氣泡層所包圍。當(dāng)大量的氣泡聚集在換能器周圍時就會引起聲的混響，如果混響的信號足夠強(qiáng)將會淹沒目標(biāo)的反射回波，導(dǎo)致回波不穩(wěn)定甚至回波丟失的故障現(xiàn)象，從而嚴(yán)重干擾到測深儀的工作。

（3）安裝工藝

根據(jù)#52～#70的肋骨型線圖，#54肋位的船外板傾斜度仍達(dá)到17°，船體曲度較大。實(shí)船測深儀換能器采用貫穿傾斜船外板垂直安裝的方式，鋼質(zhì)導(dǎo)流罩直接與安裝基座的圓筒焊接，導(dǎo)致基座圓筒及換能器導(dǎo)流罩局部露出船外板形成凸出物，凸出物與傾斜的船底板之間存在著一定的高度差，且未采取任何有效的導(dǎo)流方案來消除高度差造成的影響。當(dāng)船舶靜止或航速較慢時，船底的水流順滑、平穩(wěn)地分層流動，互不混合;但當(dāng)航速增加時，船底的凸出物就會明顯阻礙水流，導(dǎo)致船底的水流呈混沌運(yùn)動狀態(tài)，并形成大量的小漩渦，從而產(chǎn)生了湍流。一旦湍流產(chǎn)生在測深儀換能器的周圍時，將會嚴(yán)重削弱反射回波的能量，導(dǎo)致回波不穩(wěn)定甚至回波丟失的故障現(xiàn)象，換能器回波信號接收異常，從而嚴(yán)重干擾測深儀的工作。

綜上所述，造成該船回波信號接收異常的根源主要有兩個：一個是換能器安裝位置選取不當(dāng)，導(dǎo)致船底大量氣泡的干擾，另一個是安裝工藝不夠完善，導(dǎo)致湍流的干擾。

3.2? ?解決方案

借鑒其它船舶類似故障的改進(jìn)方案，結(jié)合該船的故障原因分析，決定通過調(diào)整換能器的安裝位置及改進(jìn)安裝工藝兩項(xiàng)舉措，來降低氣泡和湍流對回波信號接收的干擾：

（1）由于該船較小空間緊張，根據(jù)艙底的布置情況，決定將換能器縱向往尾移到船外板傾斜度較小的#54～240 mm肋位、橫向移到距船中212 mm的位置，換能器盡量貼近船中平板龍骨安裝且工作面與龍骨面板平齊，以減少氣泡對回波信號接收的干擾;

（2）針對該船換能器安裝在船體曲度較大處的情況，決定采用在安裝基座周圍加裝大面積導(dǎo)流附板的工藝，整體結(jié)構(gòu)呈流線型，使得換能器工作面與船外板能平滑流線過度，以保證船舶航行時換能器周圍水流均勻，避免湍流的產(chǎn)生。

a）改進(jìn)前的換能器基座圖片

b）改進(jìn)后的換能器基座圖片

完成對換能器安裝基座的移位和安裝工藝的改進(jìn)后，重新測試了測深儀的工作性能：當(dāng)航速達(dá)到最高航速24 kn左右時，可以觀察到測深儀主機(jī)顯示的回波連續(xù)清晰，回波信號仍然保持一定的強(qiáng)度，水深數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，測深儀工作性能穩(wěn)定可靠。由此可見，采取移位安裝、加裝導(dǎo)流附板的改進(jìn)方案，可以有效消除氣泡和湍流對測深儀回波信號接收的干擾，改進(jìn)措施切實(shí)可行。同時，也有力地證明了中國國產(chǎn)品牌的設(shè)備，性能是穩(wěn)定可靠的。

4? ? 意見和建議

通過上述改進(jìn)方案，成功地解決了回波信號異常的故障。關(guān)于測深儀換能器的安裝位置及施工工藝，筆者提出如下建議：

（1）緊密結(jié)合船體的肋骨型線圖。這是合理選擇測深儀換能器安裝位置的基礎(chǔ)，也是排查換能器故障或信號異常最常規(guī)有效的方法之一;

（2）選取氣泡及噪聲干擾最小的地方安裝換能器。換能器的安裝位置應(yīng)盡量避開螺旋槳、主機(jī)、側(cè)推裝置等噪聲和氣泡干擾較大的區(qū)域;同時，應(yīng)盡量避開各類海底閥、排水口等其它阻礙船底水流平順的凸出物;

（3）換能器應(yīng)安裝在船底相對平坦的地方，盡量靠近龍骨安裝，換能器的工作面應(yīng)與船中龍骨齊平且確保工作面的水平。這有利于減小氣泡層的干擾，也有助于減小因海況惡劣或船舶高速航行引起的船身搖擺對換能器工作面傾斜角的影響;

（4）換能器的安裝基座應(yīng)采取有效的導(dǎo)流措施。如換能器的周圍有臺階或突出物，則要采取加裝導(dǎo)流附板等導(dǎo)流措施，保證臺階或突出物與船體外板的平滑過渡，避免因突出物體產(chǎn)生湍流而抑制回聲測深的工作;

（5）換能器在安裝、打磨和水密試驗(yàn)等作業(yè)過程中，對換能器表面要采取有效的保護(hù)措施，防止不小心劃傷、割傷換能器工作面，更不可跌落、重壓等，這些錯誤操作極易造成換能器的損壞;

（6）換能器的工作面應(yīng)保持良好的清潔度，不得在工作面上涂敷油漆或者沾染上其它的油污。在船舶下水或出塢前，必須對換能器的工作面進(jìn)行嚴(yán)格檢查，一旦發(fā)現(xiàn)換能器的工作面上附有油漆或其它油污，應(yīng)馬上徹底清除干凈。

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