相位法在水中声速测量中的技术应用及实现

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水中的声速是研究声波在水中传播的最基本物理量之一,也是进行水下声波测距与定位、探伤及水下环境监测等工作中的重要参数。声速测量一直以来都是水声学中非常重要的研究内容。水中声速受水体的温度、压力及盐度的影响,测量方法多种多样。精确地测量水中声速具有重要的意义,可以有效地为测深仪、声呐等水声设备矫正测量误差提供准确的声速数据。  利用信号相位测量水中声速是一种基本的且具有发展前景的测量方法。本文首先讨论了几种常用声速测量方法,如CTD法、脉冲环鸣法、共振声谱法和相位比较法各自的性能和适用范围,提出一种改进的通过测量信号相位来计算声速的方法。在相位差测量方法的选取上,本文选择由J-K触发器鉴相器为主体的相位测量电路。声速测量系统的硬件电路核心为芯片STM32F103RC,它以ARMCortex-M3为内核,配置后的系统时钟为60M。利用芯片定时器产生10KHz并填充500KHz信号的两路方波,一路作为参考信号接入二选一的选通开关输入端,另一路经过滤波功放后接入换能器发射端,换能器接收端作为选通开关的另一路输入,由选通开关控制输出哪一路信号。在经过鉴相电路和ARM自带的模数转换模块后,通过读取ADC寄存器的值即可读出相应的电压值,测量系统相位时改变参考信号的计数器控制延迟时间可测得鉴相电路的相位-电压特性曲线。读取信号经过换能器后得到的电压值再通过特性曲线算出相应的相位,并与系统相位相减,之后带入声速计算公式即可算出水中声速值。进行10次测量实验后将测量值与标准值进行对比,并进行了误差分析。
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