CN108169329B - 一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置及方法，所述装置包括底座、横向导轨、横向丝杠、固定支架和移动支架、接收换能器、发射换能器、横向手轮和纵向手轮等，固定支架和移动支架之间还设置有一水平仪；通过横向手轮调节移动支架位置，进而改变两换能器之间的距离，可适应不同长度的沉积物柱状样品的测量，而且发射换能器和接收换能器的位置均可在纵向手轮的作用下做竖向连续调节，适应不同直径的沉积物柱状样品的测量。该测量装置可以同时满足不同长度、不同直径沉积物柱状样品以及不同尺寸、不同频率换能器的测量，并且通过测距传感器和水平仪进一步指导操作，测量精度高，操作使用方便，对于实验室沉积物测量及其研究来说是一大突破，具有较高的实用价值。

Description

一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置及方法
技术领域
本发明涉及介质声学特性测量领域，具体涉及一种可适应不同样品尺寸、不同换能器尺寸的海底沉积物柱状样品声学特性测量装置及方法。
背景技术
海底沉积物的声学特性测量是认识海底沉积物的重要手段，可以为地声模型、海洋环境声场研究、海底矿产资源调查等提供技术支撑。
目前，海底沉积物声学特性的遥测因为受到现有技术的限制，所得的数据与实际特性往往存在很大的偏差；海底沉积物声学特性原位测量需将测量仪器直接放置海底，仪器比较笨重，操作复杂，对使用船舶的要求较高；而在实验室中对沉积物样品进行声学特性测量是最方便、最有效的测试手段，但是目前实验室用的测量装置大多数是采用手动移动换能器的方式进行测量，对换能器的位置精度难以控制，进而影响测量数据的准确性；其结构设计简单，适用的样品规格也比较单一，测量多有不便。
对海底沉积物取样时，根据取样方式以及地质的不同，沉积物样品管的直径以及获得沉积物样品的长短均有较大差异；而且，在实验室中具体测量时，需要采用不同频率的换能器对沉积物样品进行声学特性的测量，以研究海底沉积物声学特性与频率的关系，而不同频率换能器的尺寸也有差别。显然，目前的实验室所采用的测量装置很难满足上述测试特点要求，故而，亟待提出一种对沉积物样品以及换能器的多样性有较高的适应性的海底沉积物声学特性测量装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置及方法，可适应不同尺寸的沉积物样品，并能满足较高的测量精度要求。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置，包括底座以及设置在底座上的沉积物柱状样品，底座上设置有与其垂直的固定支架和移动支架，固定支架上设置有发射换能器，移动支架上设置有接收换能器；沿底座长度方向设置有横向导轨和横向丝杠，底座的一端设置有与横向丝杠相连的横向手轮，横向手轮和横向丝杠之前还设置有用以测量发射换能器和接收换能器间距的横向测距传感器，横向测距传感器与横向丝杠相连；固定支架固定设置在横向导轨的一端，移动支架的底端与横向丝杠相连，在横向手轮的作用下，移动支架可沿横向导轨左右移动，将发射换能器位置固定，通过横向手轮移动接收换能器来改变两换能器之间的距离，以适应不同长度的沉积物柱状样品的测量工作；横向导轨上还设置有用以支撑沉积物柱状样品的支撑V架，支撑V架可根据需要放置在横向导轨上的不同位置，且可以非常方便地从横向导轨上移开，以支撑不同长度的沉积物柱状样品，且同样以横向导轨作为导向，能够保证沉积物柱状样品与换能器之间的同轴度以及重复定位精度。
固定支架和移动支架上均设置有纵向手轮、纵向丝杠、纵向导轨、升降滑块和换能器固定套，发射换能器和接收换能器通过换能器固定套与各自的升降滑块相连，纵向手轮与纵向丝杠相连，纵向丝杠上还设置有用以测量发射换能器和接收换能器竖直高度的纵向测距传感器，升降滑块与纵向丝杠和纵向导轨相连，在纵向手轮作用下，升降滑块可沿纵向导轨上下移动，则发射换能器和接收换能器的位置均可在纵向手轮的作用下在竖直方向上做连续调节，以适应不同直径的沉积物柱状样品的测量工作。
进一步的，所述换能器固定套采用系列化设计，包括多种规格尺寸，以适应不同频率、不同尺寸的换能器，形成广谱性测量。
进一步的，所述换能器固定套上还设置有单向定位台阶，以保证换能器的横向定位精度及横向重复定位精度，并且使发射换能器和接收换能器在升降滑块具有单向定位特点。
进一步的，所述支撑V架的数量至少为一个，支撑V架上设有V形凹座，以与沉积物柱状样品的外壁相贴合，提高测量稳定性。
进一步的，所述发射换能器与换能器固定套之间、接收换能器与换能器固定套之间以及换能器固定套与升降滑块之间均采用过渡配合，既可以实现发射换能器、接收换能器以及换能器固定套的快速安装，也可以消除测量时发射换能器、接收换能器的位置漂移。
进一步的，在固定支架和移动支架的两个升降滑块之间还设置有一水平伸缩杆，所述水平伸缩杆上设置有水平仪，在垂直方向上调整发射换能器和接收换能器的高度时，通过水平仪进一步保证两个换能器的同轴度，且横向移动时，通过水平伸缩杆的设计起到更好的适应能力，以进一步提高测量精度。
本发明另外还提出一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量方法，包括以下步骤：
(1)根据换能器尺寸，选择合适的换能器固定套，将发射换能器、接收换能器以及换能器固定套分别安装在固定支架和移动支架上；
(2)在发射换能器和接收换能器的端面均匀涂抹耦合剂，操作横向手轮和纵向手轮，使发射换能器和接收换能器良好耦合，并记录横向测距传感器的数值L0；
(3)将信号发生器和采集器分别与发射换能器、接收换能器连接，启动信号发生器和采集器，通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波信号，记录声时 t0；
(4)操作横向手轮，将移动支架移动到远离固定支架位置，以方便放置沉积物柱状样品；
(5)根据沉积物柱状样品长度，调整支撑V架的位置，以使沉积物柱状样品获得均匀的支撑力；
(6)将沉积物柱状样品放置到支撑V架上，操作固定支架上的纵向手轮和移动支架上的纵向手轮，调节两个换能器的垂直位置，使其与沉积物柱状样品同轴，操作横向手轮使沉积物柱状样品两端面与发射换能器和接收换能器端面贴紧，记录横向测距传感器的数值L；
(7)再次启动信号发生器和采集器，通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波信号，记录声时t并保存数据；
(8)将样品截短，以相同的发射和接收参数重复执行步骤(6)和(7)，记录横向测距传感器的数值S；
(9)分析计算沉积物的声速Vp和声衰减αp：
其中，AL、AS分别为样品截短前后接收换能器接收到的声波信号振幅。
进一步的，在对沉积物柱状样品声学特性进行测量时，若更换不同频率的换能器对同一沉积物柱状样品进行测量，操作横向手轮进行换能器的更换即可。
进一步的，在对沉积物柱状样品声学特性进行测量时，若对直径和长度均不同的沉积物柱状样品进行测量，则通过操作纵向手轮以适应样品的直径，操作横向手轮以适应样品的长度及实现换能器的更换。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明提出了一种新型的，符合实验室测量要求及精度要求的沉积物柱状样品声学特性测量装置及方法；将发射换能器位置固定，通过横向手轮移动接收换能器来改变两换能器之间的距离，以适应不同长度的沉积物柱状样品的测量工作，且横向导轨上设置的支撑V架同样以横向导轨作为导向，能够保证沉积物柱状样品与换能器之间的同轴度以及重复定位精度；而且发射换能器和接收换能器的位置均可在纵向手轮的作用下在竖直方向上做连续调节，可适应不同直径的沉积物柱状样品的测量工作，并设计不同规格的换能器固定套，以适应不同频率、不同尺寸的换能器，形成广谱性测量。该测量装置可以同时满足不同长度、不同直径沉积物柱状样品以及不同尺寸、不同频率换能器的测量，并且通过测距传感器和水平仪进一步指导操作，测量精度高，操作使用方便，对于实验室沉积物测量来说是一大突破，具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1所述测量装置主视结构示意图；
图2为本发明实施例1所述测量装置左视剖视结构示意图；
图3为本发明实施例1换能器、换能器固定套及升降滑块装配示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1，一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置，如图1所示，包括底座1以及设置在底座1上的沉积物柱状样品5，底座1上设置有与其垂直的固定支架9和移动支架3，固定支架9上设置有发射换能器11，移动支架3上设置有接收换能器14；沿底座1长度方向设置有横向导轨6和横向丝杠2，底座1的一端设置有与横向丝杠2相连的横向手轮7，横向手轮7和横向丝杠2之间设置有用以测量发射换能器11和接收换能器14间距的横向测距传感器8，横向测距传感器8与横向丝杠2相连；固定支架9固定设置在横向导轨6的一端，移动支架3的底端与横向丝杠2相连，在横向手轮7的作用下，移动支架3可沿横向导轨6左右移动，即将发射换能器11位置固定，通过横向手轮7移动接收换能器14来改变两换能器之间的距离，可适应不同长度的沉积物柱状样品5 的测量工作，位置精度高于0.02mm，满足声学特性测量时对样品长度测量精度的要求；横向导轨6上还设置有用以支撑沉积物柱状样品5的支撑V架4，支撑 V架4可沿横向导轨6左右移动，以支撑不同长度的沉积物柱状样品5，且同样以横向导轨6作为导向，能够保证沉积物柱状样品与换能器之间的同轴度以及重复定位精度。
结合图1和图2所示，固定支架9和移动支架3上均设置有纵向手轮19、纵向丝杠17、纵向导轨18、升降滑块15和换能器固定套10，发射换能器11和接收换能器14通过换能器固定套10与各自的升降滑块15相连，其配合关系如图3所示，换能器固定套上还设置有单向定位台阶21，以保证换能器的横向定位精度及横向重复定位精度，并且使发射换能器11和接收换能器14在升降滑块15上具有单向定位特点；继续参考图2，纵向手轮19与纵向丝杠17相连，纵向丝杠17上还设置有用以测量发射换能器11和接收换能器14竖直高度的纵向测距传感器16，升降滑块15与纵向丝杠17和纵向导轨18相连，在纵向手轮19作用下，升降滑块15可沿纵向导轨18上下移动，则发射换能器11和接收换能器14的位置均可在纵向手轮19的作用下在竖直方向上做连续调节，可适应不同直径的沉积物柱状样品5的测量工作，另外，上述所述的横向测距传感器和纵向测距传感器可采用机械式计数器，通过丝杠的转动传递给计数器里的齿轮传动机构，并带动显示数字滚动，显示直观，精度较高。
本实施例中，为了满足不同的测量要求，所述换能器固定套10采用系列化设计，包括多种规格尺寸，以适应不同频率、不同尺寸的换能器，形成广谱性测量；且发射换能器11与换能器固定套10之间、接收换能器14与换能器固定套10之间以及换能器固定套10与升降滑块15之间均采用过渡配合，既可以实现发射换能器11、接收换能器14以及换能器固定套10的快速安装，也可以消除测量时发射换能器11、接收换能器14的位置漂移。
进一步的，所述支撑V架4的数量至少为一个，本实施例中包括2个，从图2可以看出，支撑V架4上设有V形凹座20，以与沉积物柱状样品5的外壁相贴合，提高测量稳定性。
另外，为了进一步提高测量精度，如图1所示，在固定支架9和移动支架之间3还设置有一水平伸缩杆12，所述水平伸缩杆上设置有水平仪13，在垂直方向上调整发射换能器11和接收换能器14的高度时，通过水平仪13进一步保证两个换能器的同轴度，且横向移动时，通过水平伸缩杆12的设计起到更好的适应能力。
实施例2，一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量方法，包括以下步骤：
(1)根据换能器尺寸，选择合适的换能器固定套，将发射换能器、接收换能器以及换能器固定套分别安装在固定支架和移动支架上；
(2)在发射换能器和接收换能器的端面均匀涂抹耦合剂，操作横向手轮和纵向手轮，使发射换能器和接收换能器良好耦合，并记录横向测距传感器的数值L0；
(3)将信号发生器和采集器分别与发射换能器、接收换能器连接，启动信号发生器和采集器，通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波信号，记录声时 t0；
(4)操作横向手轮，将移动支架移动到远离固定支架位置，以方便放置沉积物柱状样品；
(5)根据沉积物柱状样品长度，调整支撑V架的位置，以使沉积物柱状样品获得均匀的支撑力；
(6)将沉积物柱状样品放置到支撑V架上，操作固定支架上的纵向手轮和移动支架上的纵向手轮，调节两个换能器的垂直位置，使其与沉积物柱状样品同轴，操作横向手轮使沉积物柱状样品两端面与发射换能器和接收换能器端面贴紧，记录横向测距传感器的数值L；
(7)再次启动信号发生器和采集器，通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波信号，记录声时t并保存数据；
(8)将样品截短，以相同的发射和接收参数重复执行步骤(6)和(7)，记录横向测距传感器的数值S；
(9)分析计算沉积物的声速Vp和声衰减αp：
其中，AL、AS分别为样品截短前后接收换能器接收到的声波信号电压振幅。
若更换不同频率的换能器对同一沉积物柱状样品进行测量，只需要操作横向手轮进行换能器的更换；若对直径和长度均不同的沉积物样品进行测量，则需要操作纵向手轮以适应样品的直径保证发射换能器、接收换能器、沉积物柱状样品同轴，并操作横向手轮以适应样品的长度以及进行换能器的更换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置，包括底座以及设置在底座上的沉积物柱状样品，其特征在于，底座上设置有与其垂直的固定支架和移动支架，固定支架上设置有发射换能器，移动支架上设置有接收换能器；沿底座长度方向设置有横向导轨和横向丝杠，底座的一端设置有与横向丝杠相连的横向手轮，横向手轮和横向丝杠之间设置有用以测量发射换能器和接收换能器间距的横向测距传感器；固定支架固定设置在横向导轨的一端，移动支架的底端与横向丝杠相连，在横向手轮的作用下，移动支架能沿横向导轨左右移动；横向导轨上还设置有用以支撑沉积物柱状样品的支撑V架，支撑V架能沿横向导轨左右移动；
固定支架和移动支架上均设置有纵向手轮、纵向丝杠、纵向导轨、升降滑块和换能器固定套，换能器固定套采用系列化设计，包括多种规格尺寸，发射换能器和接收换能器通过换能器固定套与各自的升降滑块相连，在固定支架和移动支架的两个升降滑块之间还设置有一水平伸缩杆，所述水平伸缩杆上设置有水平仪，纵向手轮与纵向丝杠相连，纵向丝杠上还设置有用以测量发射换能器和接收换能器竖直高度的纵向测距传感器，升降滑块与纵向丝杠和纵向导轨相连，在纵向手轮作用下，升降滑块能沿纵向导轨上下移动，所述的横向测距传感器和纵向测距传感器均采用机械式计数器。
2.根据权利要求1所述的自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置，其特征在于，所述换能器固定套上还设置有单向定位台阶。
3.根据权利要求2所述的自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置，其特征在于，所述发射换能器与换能器固定套之间、接收换能器与换能器固定套之间以及换能器固定套与升降滑块之间均采用过渡配合。
4.根据权利要求3所述的自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置，其特征在于：所述支撑V架的数量至少为一个，支撑V架上设有V形凹座，以与沉积物柱状样品的外壁相贴合。
5.基于权利要求1所述的自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据换能器尺寸，选择合适的换能器固定套，将发射换能器、接收换能器以及换能器固定套分别安装在固定支架和移动支架上；
(2)在发射换能器和接收换能器的端面均匀涂抹耦合剂，操作横向手轮和纵向手轮，使发射换能器和接收换能器良好耦合，并记录横向测距传感器的数值L0；
(3)将信号发生器和采集器分别与发射换能器、接收换能器连接，启动信号发生器和采集器，通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波信号，记录声时t0；
(4)操作横向手轮，将移动支架移动到远离固定支架位置，以方便放置沉积物柱状样品；
(5)根据沉积物柱状样品长度，调整支撑V架的位置，以使沉积物柱状样品获得均匀的支撑力；
(6)将沉积物柱状样品放置到支撑V架上，操作固定支架上的纵向手轮和移动支架上的纵向手轮，调节两个换能器的垂直位置，使其与沉积物柱状样品同轴，操作横向手轮使沉积物柱状样品两端面与发射换能器和接收换能器端面贴紧，记录横向测距传感器的数值L；
(7)再次启动信号发生器和采集器，通过发射换能器和接收换能器发射和接收声波信号，记录声时t并保存数据；
(8)将样品截短，重复执行步骤(6)和(7)，记录横向测距传感器的数值S；
(9)分析计算沉积物的声速Vp和声衰减αp：
其中，AL、AS分别为样品截短前后接收换能器接收到的声波信号电压振幅。
6.根据权利要求5所述的自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置的测量方法，其特征在于：在对沉积物柱状样品声学特性进行测量时，若更换不同频率的换能器对同一沉积物柱状样品进行测量，通过操作横向手轮进行换能器的更换。
7.根据权利要求5所述的自适应沉积物柱状样品声学特性测量装置的测量方法，其特征在于：在对沉积物柱状样品声学特性进行测量时，若对直径和长度均不同的沉积物柱状样品进行测量，则通过操作纵向手轮以适应样品的直径，操作横向手轮以适应样品的长度及实现换能器的更换。
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