CN108181085A - 声信号衰减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，具体涉及了一种基于声信号衰减的水下气泡密度测定装置及其工作原理。本发明创造所采用的技术方案是，一种声信号衰减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；样本采集装置，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；声波发生器，与控制模块电连接；两个测量水听器，与控制模块电连接。

Description

声信号衰减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信号衰减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信号衰减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，一种声信号衰减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；样本采集装置，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；声波发生器，与控制模块电连接；两个测量水听器，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；水流流向流速传感器，与控制模块电连接。

作为优选，一种声信号衰减的水下气泡测定装置的工作原理，适用于所述的一种声信号衰减的水下气泡测定装置，包括以下步骤：S1：初始化，气体补偿装置充气，将装置投放水中；S2：开始测试时，发电模块停止工作；S3：打开测定装置进水口，让水进入；S4：静置30分钟后，关闭进水口，声信号发生器发出声波；S5：采集两个测量水听器的声波强度，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的计算公式为：假设单位体积水体内含有 N 个半径为 a 的气泡，第1个水听器测得的声强为I1，第2个水听器测得的声强为I2，两者之差为ΔI，则根据气泡中声波衰减公式：在传播距离 L 以后，声强级改变其中ΔI为两个水听器测得的声强之差，为衰减系数，S为单个气泡对声波传播造成的消声截面，N为单位体积水体内含有的气泡的数量。由上式可知，当测定两个水听器处声强之差ΔI后，已知S、L的值，即可测得N值。

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，排水装置和测定装置之间的阀门打开，测定装置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，测定装置中的水流入排水装置，然后常压气囊中的空气进入测定装置平衡气压，有利于测定装置的水进入排水装置，最终将测定装置中的水全部进入排水装置中；A3：关闭测定装置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，检测测定装置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：冲洗装置充外接抽水，经过加压后，从冲洗喷头喷出，冲洗声波发生器和俩个测量水听器，冲洗完成后，开始排水，跳转A1;A5：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。

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。

发明创造有益效果：（1）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。（2）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；（3）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。（4）两个腔体内壁覆盖消声材料，以避免筒壁对声波的反射。（5）本装置首次在国内提出了采用基于水声收发方法，通过测量声信号在传播过程中的衰减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。（6）采用了一个换能器作为声源，发射几个周期的高频声波，被附近一刚性平面反射回来。声源换能器在发射之后自动转换为接收，测量脉冲的一系列反射的衰减幅值。应用脉冲回波技术需要首先在一个无气泡的水槽中对脉冲的一般吸收和衍射进行校准。在海洋环境中，声波的衰减会增大，这归因于系统以外气泡的吸收和散射，所以，可以根据衰减计算出脉冲传播区域的平均气泡数量。

附图说明

图1：一种基于声信号衰减的水下气泡密度测定装置结构示意图

图中：1、高压气囊，2、常压气囊，3、排水装置，4、活塞，5、高压冲洗装置，6、冲洗喷头，7、测量水听器，8、测定装置。

具体实施方式

实施例

一种声信号衰减的水下气泡密度测定装置，包括电源模块，还包括：测定装置8，与电源模块电连接；排水装置3，与电源模块电连接；高压冲洗装置5，与电源模块电连接；样本采集装置，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3拧接；发电模块，与电源模块电连接；测定装置8包括：外部圆筒，与排水装置3、高压冲洗装置5和空气补偿装置拧接；内壁消声层，与外部圆筒粘合；声波发生器，与控制模块电连接；两个测量水听器7，与控制模块电连接。

所述的排水装置3包括：排水电磁门，与控制模块电连接；推动活塞4，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8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3电控阀门，与控制模块电连接。

所述的高压冲洗装置5包括：箱体，与测定装置8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；水流流向流速传感器，与控制模块电连接。

一种声信号衰减的水下气泡测定装置8的工作原理，适用于所述的一种声信号衰减的水下气泡测定装置8，包括以下步骤：S1：初始化，气体补偿装置充气，将装置投放水中；S2：开始测试时，发电模块停止工作；S3：打开测定装置8进水口，让水进入；S4：静置30分钟后，关闭进水口，声信号发生器发出声波；S5：采集两个测量水听器7的声波强度，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3将测定装置8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8，打开发电模块，开始发电工作。作为优选，所述的S5的计算公式为：假设单位体积水体内含有 N 个半径为 a 的气泡，第1个水听器7测得的声强为I1，第2个水听器7测得的声强为I2，两者之差为ΔI，则根据气泡中声波衰减公式：在传播距离 L 以后，声强级改变其中ΔI为两个水听器7测得的声强之差，为衰减系数，S为单个气泡对声波传播造成的消声截面，N为单位体积水体内含有的气泡的数量。由上式可知，当测定两个水听器7处声强之差ΔI后，已知S、L的值，即可测得N值。

所述的S6包括以下子步骤：A1：推动活塞4和常压气囊2之间的阀门打开，排水装置3和测定装置8之间的阀门打开，测定装置8和平压气囊之间的放液体倒流阀门打开；A2：排水装置3中，推动活塞4回缩，将推动活塞4后面的空气压如常压气囊2，同时，测定装置8中的水流入排水装置3，然后常压气囊2中的空气进入测定装置8平衡气压，有利于测定装置8的水进入排水装置3，最终将测定装置8中的水全部进入排水装置3中；A3：关闭测定装置8和排水装置3的连接口，活塞4前推，在气压平衡下，将水从排水装置3中，排出外面，这个时候内部三个腔室气压平衡，检测测定装置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：冲洗装置充外接抽水，经过加压后，从冲洗喷头6喷出，冲洗声波发生器和俩个测量水听器7，冲洗完成后，开始排水，跳转A1;A5：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。

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。

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8，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，信号发生器发出声波信号，经过功率放大器放大后传输出去，由于俩个水听器7距离声波信号发生器的距离不同，所以接受到的时间也不同，所以信号衰减程度也不同，所以水听器7接受到声波信号后，进过幅值测量计算后，得出声强，最后将两个水听器7接收到的声强做差计算，得出气泡密度。信号的发射采用一个平板发射换能器发送简谐平面声波信号，信号由信号发生器生成一定频率的信号，经功率放大器以后送到平板发射换能器进行发射。信号的接收采用两个相隔一定间距的球形水听器7，水听器7通过细丝固定在圆筒上，当平面波传播经过水听器7所在位置时，水听器7测量出该位置处的平面波声压，当两个水听器7之间的水介质中存在气泡时，声压和声强会随着传播的距离而发生衰减，所以当两个接收水听器7之间的间距固定时，该声强的衰减值取决于水体中所含有的气泡的数量。假设单位体积水体内含有 N 个半径为 a 的气泡，第1个水听器7测得的声强为I1，第2个水听器7测得的声强为I2，两者之差为ΔI，则根据气泡中声波衰减公式：在传播距离 L以后，声强级改变

ΔI=αL=4.34SNL

其中ΔI为两个水听器7测得的声强之差，为衰减系数，S为单个气泡对声波传播造成的消声截面，N为单位体积水体内含有的气泡的数量。由上式可知，当测定两个水听器7处声强之差ΔI后，已知S、L的值，即可测得N值。

Claims (10)

1.一种声信号衰减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；

样本采集装置，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；

声波发生器，与控制模块电连接；

两个测量水听器，与控制模块电连接。

2.根据权利要求1所述的一种声信号衰减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所述的一种声信号衰减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所述的一种声信号衰减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所述的一种声信号衰减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所述的一种声信号衰减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；

水流流向流速传感器，与控制模块电连接。

7.一种声信号衰减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所述的一种声信号衰减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，将装置投放水中；

S2：开始测试时，发电模块停止工作；

S3：打开测定装置进水口，让水进入；

S4：静置30分钟后，关闭进水口，声信号发生器发出声波；

S5：采集两个测量水听器的声波强度，通过差值计算，算出试下气泡密度；

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所述的一种声信号衰减的水下气泡密度测定装置，其特征在于，所述的S5的计算公式为：

假设单位体积水体内含有 N 个半径为 a 的气泡，第1个水听器测得的声强为I1，第2个水听器测得的声强为I2，两者之差为ΔI，则根据气泡中声波衰减公式：在传播距离 L 以后，声强级改变

其中ΔI为两个水听器测得的声强之差，为衰减系数，S为单个气泡对声波传播造成的消声截面，N为单位体积水体内含有的气泡的数量，由上式可知，当测定两个水听器处声强之差ΔI后，已知S、L的值，即可测得N值。

9.根据权利要求7所述的一种声信号衰减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，排水装置和测定装置之间的阀门打开，测定装置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，测定装置中的水流入排水装置，然后常压气囊中的空气进入测定装置平衡气压，有利于测定装置的水进入排水装置，最终将测定装置中的水全部进入排水装置中；

A3：关闭测定装置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，检测测定装置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：冲洗装置充外接抽水，经过加压后，从冲洗喷头喷出，冲洗声波发生器和俩个测量水听器，冲洗完成后，开始排水，跳转A1;

A5：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。

10.根据权利要求7所述的一种声信号衰减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。