CN108152001A - 基于声速的水下气泡密度测定装置及其工作原理 - Google Patents

Abstract

本发明创造属于水下气泡测定领域，一种基于声速的水下气泡密度测定装置，包括电源模块，还包括：测定装置，与电源模块电连接；排水装置，与电源模块电连接；高压冲洗装置，与电源模块电连接；控制模块，与电源模块电连接；通信模块，与电源模块电连接；气体补偿装置，与排水装置拧接；发电模块，与电源模块电连接；测定装置包括：外部圆筒，与排水装置、高压冲洗装置和空气补偿装置拧接；内壁消声层，与外部圆筒粘合；两个信号发生器，分别安装在对比仓和测定仓内，与控制模块电连接；对比仓，与高压冲洗装置拧接；测定仓，与高压冲洗装置拧接；两个接受水听器，分别安装在对比仓和测定仓呢，与控制模块电连接。

Description

基于声速的水下气泡密度测定装置及其工作原理

技术领域

本发明创造属于水下气泡测定领域，具体涉及了一种基于声速的水下气泡密度测定装置及其工作原理。

背景技术

开放海洋表面以下存在大量气泡，这主要是由碎波的溢出或跌落生成，或者在降雨时生成。特别是在沿岸区域，海洋气泡源还包括陆地输运的落入海中的气溶胶、海洋植物光合作用生成、海洋动物生命过程、有机物分解、以及海床上下释放出的天然气水合物等。因此海洋中气泡数量的测定有助于研究以上这些海洋过程的形成，另外气泡密度直接影响接近海面的声传播，这对一些海洋声学仪器的工作状况有着重要影响。所以气泡密度测量仪器是是一个研究海表附近特征的重要工具。

发明内容

为了解决上述的水下气泡密度无法测量的问题，本发明创造提出了一种基于声速的水下气泡密度测定装置。

本发明创造所采用的技术方案是，一种基于声速的水下气泡密度测定装置，包括电源模块，还包括：测定装置，与电源模块电连接；排水装置，与电源模块电连接；高压冲洗装置，与电源模块电连接；控制模块，与电源模块电连接；通信模块，与电源模块电连接；气体补偿装置，与排水装置拧接；发电模块，与电源模块电连接；测定装置包括：外部圆筒，与排水装置、高压冲洗装置和空气补偿装置拧接；内壁消声层，与外部圆筒粘合；两个信号发生器，分别安装在对比仓和测定仓内，与控制模块电连接；对比仓，与高压冲洗装置拧接；测定仓，与高压冲洗装置拧接；两个接受水听器，分别安装在对比仓和测定仓呢，与控制模块电连接。

作为优选，所述的排水装置包括：排水电磁门，与控制模块电连接；推动活塞，与控制模块电连接；排气管，与空气补偿装置套接；抽水口，与测定装置套接。

作为优选，所述的气体补偿装置包括：气泵，与控制模块电连接；高压气囊，与常压气囊拧接；常压气囊，与排水装置电控阀门，与控制模块电连接。

作为优选，所述的高压冲洗装置包括：箱体，与测定装置拧接；冲洗喷头，与控制模块电连接；加压泵，与控制模块电连接；抽水泵，与控制模块电连接；转向装置，与控制模块电连接；滤砂网，安装在箱体内。

作为优选，所述的发电模块包括：发电机，与发电电路电连接；发电扇，与发电机套机；蓄电池，与电源模块电连接；发电电路，与蓄电池电连接。

作为优选，所述的传感器模块包括：1号气压力传感器，与控制模块电连接；2号气压力传感器，与控制模块电连接；水下摄像头，与控制模块电连接；水流流向流速传感器，与控制模块电连接。

作为优选，一种基于声速的水下气泡密度测定装置的工作原理，适用于所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，包括以下步骤：S1：初始化，气体补偿装置充气，对比仓中装入无气泡的待测水的样本，将装置投放水中；S2：开始测试时，发电模块停止工作；S3：打开测定仓进水口，让水进入；S4：静置30分钟后，关闭进水口，信号发生器发出脉冲信号；S5：采集两个接受水听器接收到脉冲信号的时间，通过差值计算，算出试下气泡密度密度；S6：测量完成后，排水装置将测定装置中的水排出，判断连续测量次数是否够5次，如果够，跳转S7，如果不够，跳转S3；S7：取5次测量结果，剔除大偏差数据，然后取剩余数据平均值作为测试结果；S8：清洗测定装置，打开发电模块，开始发电工作。

作为优选，所述的S5的计算原理为：信号发生器发出信号的时间作为信号起始时间参照，从而可以分别计算出两个仓室内的脉冲到达时间ΔT，根据C=L/ΔT，可以计算出无气泡水和有气泡水在相同的温度下的传播声速C1和C2，其声速差ΔC则主要由有气泡水中的气泡密度所确定，U=KΔC。式中U表示水中的含气率，即单位体积水体内含有气体的百分比，K为与深度有关的常数，因此根据测算得到的声速差ΔC即可计算得到气泡的密度。

作为优选，所述的S6包括以下子步骤：A1：推动活塞和常压气囊之间的阀门打开，排水装置和测定仓之间的阀门打开，测定仓和平压气囊之间的放液体倒流阀门打开；A2：排水装置中，推动活塞回缩，将推动活塞后面的空气压如常压气囊，同时，测定仓中的水流入排水装置，然后常压气囊中的空气进入测定仓平衡气压，有利于测定仓的水进入排水装置，最终将测定仓中的水全部进入排水装置中；A3：关闭测定仓和排水装置的连接口，活塞前推，在气压平衡下，将水从排水装置中，排出外面，这个时候内部三个腔室气压平衡，检测测定仓中仪器设备是否需要清洗，如果需要，跳转A4，如果不需要，跳转A5；A4：冲洗装置从外接抽水，经过加压后，从冲洗喷头喷出，冲洗测定仓内的信号发生器和接收水听器，冲洗完成后，开始排水，跳转A1;A5：确认命令，是否继续工作在当前水域，如果是，跳转A6，如果不是，跳转A7；A6：排水完成后，所有腔室间的通道关闭，水流流向流速传感器检测当前水流流速流向，启动发电装置，并通过转向装置喷射高压水，达成设备方向的转动，最终使得发电扇叶与水流流向平行，开始自充电；A7：冲洗装置从外抽水，经过加压后，从冲洗喷头喷出，冲洗对比仓内的信号发生器和接收水听器，直到摄像头上观测到无异物存在，等待上浮指令。

作为优选，所述的S2包括以下子步骤：B1：在测量前，常压气囊检测当前气压是否够一个大气压，如果不够，跳转B2，如果够，跳转B4；B2：高压气囊与常压气囊之间的电控阀门打开，给常压气囊充气，充到一个大气压后，停止充气；B3：充气完成后，高压气囊检测当前气囊中的气压是否大于4个大气压，如果大于，跳转B4，如果小于，跳转；B4:开始进行测定工作寸，测量完成后，跳转B1；B5:开始进行测量工作，并发送请求补充空气信号。

本发明创造有益效果：（1）采用了一个换能器作为声源，发射几个周期的高频声波，被另一侧接收水听器接收，由于水中气泡的密度会直接影响声信号的传播速度，所以通过测量脉冲在气泡水中的传播速度可以测量出脉冲传播区域的平均气泡数量。另外，为了去除温度、盐度等因素对声速变化的影响，另外在一个密闭容器中的无气泡水中设置一相同的水声收发装置，用以作为声速计算的参考系，通过有气泡水和无气泡水中传播的声速变化来测量水中的平均气泡含量。（2）通过测量水中的气泡密度，有利于提升海洋声学仪器的测量精准度，给声学仪器的测量结果计算补偿。（3）该测定装置，可以测定任何液体，而且有自主维护功能，提升使用寿命；（4）该装置可以完成自主发电，可以节省电力，工作时间长，续航能力了高，维修费用低。（5）两个腔体内壁覆盖消声材料，以避免筒壁对声波的反射。（6）本装置首次在国内提出了采用基于水声收发方法，通过测量声信号在有水气泡中传播中的声速变化来测定水中气泡密度的方法，这对研究海表面附近的一些海洋现象的发生过程、形成机理具有重要作用，另外还能保证海洋声学仪器的正常工作。因此本装置具有高度的创新性。

附图说明

图1：一种基于声速的水下气泡密度测定装置的结构示意图

图中：1、高压气囊，2、常压气囊，3、活塞，4、排水装置，5、对比仓，6、冲洗喷头，7、高压冲洗装置，8、测定仓，9、接收水听器。

具体实施方式

实施例

一种基于声速的水下气泡密度测定装置，包括电源模块，还包括：测定装置，与电源模块电连接；排水装置4，与电源模块电连接；高压冲洗装置7，与电源模块电连接；控制模块，与电源模块电连接；通信模块，与电源模块电连接；气体补偿装置，与排水装置4拧接；发电模块，与电源模块电连接；测定装置包括：外部圆筒，与排水装置4、高压冲洗装置7和空气补偿装置拧接；内壁消声层，与外部圆筒粘合；两个信号发生器，分别安装在对比仓5和测定仓8内，与控制模块电连接；对比仓5，与高压冲洗装置7拧接；测定仓8，与高压冲洗装置7拧接；两个接受水听器，分别安装在对比仓5和测定仓8呢，与控制模块电连接。

所述的排水装置4包括：排水电磁门，与控制模块电连接；推动活塞3，与控制模块电连接；排气管，与空气补偿装置套接；抽水口，与测定装置套接。

所述的气体补偿装置包括：气泵，与控制模块电连接；高压气囊1，与常压气囊2拧接；常压气囊2，与排水装置4电控阀门，与控制模块电连接。

所述的高压冲洗装置7包括：箱体，与测定装置拧接；冲洗喷头6，与控制模块电连接；加压泵，与控制模块电连接；抽水泵，与控制模块电连接；转向装置，与控制模块电连接；滤砂网，安装在箱体内。

所述的发电模块包括：发电机，与发电电路电连接；发电扇，与发电机套机；蓄电池，与电源模块电连接；发电电路，与蓄电池电连接。

所述的传感器模块包括：1号气压力传感器，与控制模块电连接；2号气压力传感器，与控制模块电连接；水下摄像头，与控制模块电连接；水流流向流速传感器，与控制模块电连接。

一种基于声速的水下气泡密度测定装置的工作原理，适用于所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，包括以下步骤：S1：初始化，气体补偿装置充气，对比仓5中装入无气泡的待测水的样本，将装置投放水中；S2：开始测试时，发电模块停止工作；S3：打开测定仓8进水口，让水进入；S4：静置30分钟后，关闭进水口，信号发生器发出脉冲信号；S5：采集两个接受水听器接收到脉冲信号的时间，通过差值计算，算出试下气泡密度密度；S6：测量完成后，排水装置4将测定装置中的水排出，判断连续测量次数是否够5次，如果够，跳转S7，如果不够，跳转S3；S7：取5次测量结果，剔除大偏差数据，然后取剩余数据平均值作为测试结果；S8：清洗测定装置，打开发电模块，开始发电工作。

所述的S5的计算原理为：信号发生器发出信号的时间作为信号起始时间参照，从而可以分别计算出两个仓室内的脉冲到达时间ΔT，根据C=L/ΔT，可以计算出无气泡水和有气泡水在相同的温度下的传播声速C1和C2，其声速差ΔC则主要由有气泡水中的气泡密度所确定，U=KΔC。式中U表示水中的含气率，即单位体积水体内含有气体的百分比，K为与深度有关的常数，因此根据测算得到的声速差ΔC即可计算得到气泡的密度。

所述的S6包括以下子步骤：A1：推动活塞3和常压气囊2之间的阀门打开，排水装置4和测定仓8之间的阀门打开，测定仓8和平压气囊之间的放液体倒流阀门打开；A2：排水装置4中，推动活塞3回缩，将推动活塞3后面的空气压如常压气囊2，同时，测定仓8中的水流入排水装置4，然后常压气囊2中的空气进入测定仓8平衡气压，有利于测定仓8的水进入排水装置4，最终将测定仓8中的水全部进入排水装置4中；A3：关闭测定仓8和排水装置4的连接口，活塞3前推，在气压平衡下，将水从排水装置4中，排出外面，这个时候内部三个腔室气压平衡，检测测定仓8中仪器设备是否需要清洗，如果需要，跳转A4，如果不需要，跳转A5；A4：冲洗装置从外接抽水，经过加压后，从冲洗喷头6喷出，冲洗测定仓8内的信号发生器和接收水听器9，冲洗完成后，开始排水，跳转A1;A5：确认命令，是否继续工作在当前水域，如果是，跳转A6，如果不是，跳转A7；A6：排水完成后，所有腔室间的通道关闭，水流流向流速传感器检测当前水流流速流向，启动发电装置，并通过转向装置喷射高压水，达成设备方向的转动，最终使得发电扇叶与水流流向平行，开始自充电；A7：冲洗装置从外抽水，经过加压后，从冲洗喷头6喷出，冲洗对比仓5内的信号发生器和接收水听器9，直到摄像头上观测到无异物存在，等待上浮指令。

所述的S2包括以下子步骤：B1：在测量前，常压气囊2检测当前气压是否够一个大气压，如果不够，跳转B2，如果够，跳转B4；B2：高压气囊1与常压气囊2之间的电控阀门打开，给常压气囊2充气，充到一个大气压后，停止充气；B3：充气完成后，高压气囊1检测当前气囊中的气压是否大于4个大气压，如果大于，跳转B4，如果小于，跳转；B4:开始进行测定工作寸，测量完成后，跳转B1；B5:开始进行测量工作，并发送请求补充空气信号。

采用了一个换能器作为声源，发射几个周期的高频声波，被另一侧接收水听器9接收，由于水中气泡的密度会直接影响声信号的传播速度，所以通过测量脉冲在气泡水中的传播速度可以测量出脉冲传播区域的平均气泡数量。另外，为了去除温度、盐度等因素对声速变化的影响，另外在一个密闭容器中的无气泡水中设置一相同的水声收发装置，用以作为声速计算的参考系，通过有气泡水和无气泡水中传播的声速变化来测量水中的平均气泡含量。通过测量水中的气泡密度，有利于提升海洋声学仪器的测量精准度，给声学仪器的测量结果计算补偿。该测定装置，可以测定任何液体，而且有自主维护功能，提升使用寿命；该装置可以完成自主发电，可以节省电力，工作时间长，续航能力了高，维修费用低。两个腔体内壁覆盖消声材料，以避免筒壁对声波的反射。

在工作时候，由功率放大器将一个信号放大，然后通过信号发生器发射出去，这个被发射出去的信号作为参考信号，然后接收水听器9接收信号，采集到数据后做脉冲信号检测工作，与参考信号相对比，最后计算出来当前仓室状态的声速；测定仓8和对比仓5会各自得出一个声速，然后将俩者最差，最后依据上述公式得出测量结果。

腔体两端分别都装有水听器，其中一端用于发送脉冲信号，脉冲信号的调制频率远低于气泡的共振频率；另一端用于接收脉冲信号，两个腔体内发送水听器与接收水听器9的间距相等。利用信号发生器生成一脉冲信号，经功率放大器以后送到两个球型水听器进行发射，分别被两个接收水听器9接收后，经信号采集调理以后进行到达声信号的脉冲信号检测，另外从信号发生器接入参考信号，作为信号起始时间参照，从而可以分别计算出两个腔体内的脉冲到达时间ΔT，根据C=L/ΔT，可以计算出无气泡水和有气泡水在相同的温度下的传播声速C1和C2，其声速差ΔC则主要由有气泡水中的气泡密度所确定，U=KΔC式中U水中的含气率，即单位体积水体内含有气体的百分比，K为与深度有关的常数，因此根据测算得到的声速差ΔC即可计算得到气泡的密度。

Claims (10)

1.一种基于声速的水下气泡密度测定装置，包括电源模块，其特征在于，还包括：

测定装置，与电源模块电连接；

排水装置，与电源模块电连接；

高压冲洗装置，与电源模块电连接；

控制模块，与电源模块电连接；

通信模块，与电源模块电连接；

气体补偿装置，与排水装置拧接；

发电模块，与电源模块电连接；

测定装置包括：

外部圆筒，与排水装置、高压冲洗装置和空气补偿装置拧接；

内壁消声层，与外部圆筒粘合；

两个信号发生器，分别安装在对比仓和测定仓内，与控制模块电连接；

对比仓，与高压冲洗装置拧接；

测定仓，与高压冲洗装置拧接；

两个接受水听器，分别安装在对比仓和测定仓呢，与控制模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，其特征在于，所述的排水装置包括：

排水电磁门，与控制模块电连接；

推动活塞，与控制模块电连接；

排气管，与空气补偿装置套接；

抽水口，与测定装置套接。

3.根据权利要求1所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，其特征在于，所述的气体补偿装置包括：

气泵，与控制模块电连接；

高压气囊，与常压气囊拧接；

常压气囊，与排水装置

电控阀门，与控制模块电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，其特征在于，所述的高压冲洗装置包括：

箱体，与测定装置拧接；

冲洗喷头，与控制模块电连接；

加压泵，与控制模块电连接；

抽水泵，与控制模块电连接；

转向装置，与控制模块电连接；

滤砂网，安装在箱体内。

5.根据权利要求1所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，其特征在于，所述的发电模块包括：

发电机，与发电电路电连接；

发电扇，与发电机套机；

蓄电池，与电源模块电连接；

发电电路，与蓄电池电连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，其特征在于，所述的传感器模块包括：

1号气压力传感器，与控制模块电连接；

2号气压力传感器，与控制模块电连接；

水下摄像头，与控制模块电连接；

水流流向流速传感器，与控制模块电连接。

7.一种基于声速的水下气泡密度测定装置的工作原理，适用于如权利要求1所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：初始化，气体补偿装置充气，对比仓中装入无气泡的待测水的样本，将装置投放水中；

S2：开始测试时，发电模块停止工作；

S3：打开测定仓进水口，让水进入；

S4：静置30分钟后，关闭进水口，信号发生器发出脉冲信号；

S5：采集两个接受水听器接收到脉冲信号的时间，通过差值计算，算出试下气泡密度密度；

S6：测量完成后，排水装置将测定装置中的水排出，判断连续测量次数是否够5次，如果够，跳转S7，如果不够，跳转S3；

S7：取5次测量结果，剔除大偏差数据，然后取剩余数据平均值作为测试结果；

S8：清洗测定装置，打开发电模块，开始发电工作。

8.根据权利要求7所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置的工作原理，其特征在于，所述的S5的计算原理为：

信号发生器发出信号的时间作为信号起始时间参照，从而可以分别计算出两个仓室内的脉冲到达时间ΔT，根据C=L/ΔT，可以计算出无气泡水和有气泡水在相同的温度下的传播声速C1和C2，其声速差ΔC则主要由有气泡水中的气泡密度所确定，

U=KΔC

式中U表示水中的含气率，即单位体积水体内含有气体的百分比，K为与深度有关的常数，因此根据测算得到的声速差ΔC即可计算得到气泡的密度。

9.根据权利要求7所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置的工作原理，其特征在于，所述的S6包括以下子步骤：

A1：推动活塞和常压气囊之间的阀门打开，排水装置和测定仓之间的阀门打开，测定仓和平压气囊之间的放液体倒流阀门打开；

A2：排水装置中，推动活塞回缩，将推动活塞后面的空气压如常压气囊，同时，测定仓中的水流入排水装置，然后常压气囊中的空气进入测定仓平衡气压，有利于测定仓的水进入排水装置，最终将测定仓中的水全部进入排水装置中；

A3：关闭测定仓和排水装置的连接口，活塞前推，在气压平衡下，将水从排水装置中，排出外面，这个时候内部三个腔室气压平衡，检测测定仓中仪器设备是否需要清洗，如果需要，跳转A4，如果不需要，跳转A5；

A4：冲洗装置从外接抽水，经过加压后，从冲洗喷头喷出，冲洗测定仓内的信号发生器和接收水听器，冲洗完成后，开始排水，跳转A1;

A5：确认命令，是否继续工作在当前水域，如果是，跳转A6，如果不是，跳转A7；

A6：排水完成后，所有腔室间的通道关闭，水流流向流速传感器检测当前水流流速流向，启动发电装置，并通过转向装置喷射高压水，达成设备方向的转动，最终使得发电扇叶与水流流向平行，开始自充电；

A7：冲洗装置从外抽水，经过加压后，从冲洗喷头喷出，冲洗对比仓内的信号发生器和接收水听器，直到摄像头上观测到无异物存在，等待上浮指令。

10.根据权利要求7所述的一种基于声速的水下气泡密度测定装置的工作原理，其特征在于，所述的S2包括以下子步骤：

B1：在测量前，常压气囊检测当前气压是否够一个大气压，如果不够，跳转B2，如果够，跳转B4；

B2：高压气囊与常压气囊之间的电控阀门打开，给常压气囊充气，充到一个大气压后，停止充气；

B3：充气完成后，高压气囊检测当前气囊中的气压是否大于4个大气压，如果大于，跳转B4，如果小于，跳转；

B4:开始进行测定工作寸，测量完成后，跳转B1；

B5:开始进行测量工作，并发送请求补充空气信号。