CN108732070A - 一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，包括管口夹、隔膜、试样管、进流管、射流管、水泵、溢流槽，管口夹放置于脉冲管的顶端，隔膜放置于脉冲管与试验管之间，试样管放置于管口夹之上，进流管的一端连接溢流槽，进流管的另一端连接水泵，射流管的一端连接试样管，射流管的另一端连接水泵，溢流槽安装在试样管的顶端；本发明解决了以往在自由场中测量悬浮泥沙散射强度时，样本制作工程量大、难以控制悬浮泥沙浓度均匀等问题，通过对纯水和悬浮泥沙水的反射声信号进行测量分析，提高了实验测量的精度，提出了利用脉冲管测量水介质散射强度的新方法，开辟了在实验室中利用脉冲管进行声学实验的新方向。

Description

一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，属于声学测量领域。

背景技术

目前，多波束声呐均具备测深和分辨率的能力，能够完成海洋的测深和海底地形的测绘工作，未来将向着底质目标分类的方向发展(见国家重点研发计划---海洋声探测关键计量标准及溯源技术研究，2016YFF0200900)。多波束声呐在进行底质目标探测时，经常会遇到海底附近小颗粒泥沙组成的“悬浮体”的声散射，即体积混响，这是声探测过程中的最大障碍，特别是对于高频(150kHz以上)的多波束声呐，悬浮泥沙的强烈声散射可使得底质目标的分层探测工作失败。若降低悬浮泥沙造成的这种声学干扰，最可行的方法就是采用频率较低的多波束声呐，因为散射强度与频率的四次方成正比(满足瑞利散射时)，而若要定量描述悬浮泥沙的声散射对多波束声呐的影响，则需要精确测定其散射强度。

以往测定悬浮泥沙散射强度的方法是利用一个无指向性的收发合置换能器，利用该换能器发射CW脉冲，然后由电子转换开关切换换能器至接收状态，进而得到悬浮泥沙的散射信号，实现实验测量。但是，该方法难以测量不同浓度悬浮泥沙的声散射强度，因为所需要的样本数量太大，例如测量距离发射声源1m处、1ms脉宽声散射强度，需要的样本水体积最少是65m³，因此，这种方法一般均在海试中使用。此外，该方法的难点还在于：悬浮泥沙浓度的均匀性控制，对于如此大样本的体积来说，保持悬浮泥沙浓度均匀是非常困难的。

此外，还有利用光学成像法或声学成像法(B型超声)测量悬浮泥沙的浓度，这些方法所用的光学及声学频率甚高，不足以对低频段下悬浮泥沙的散射强度测量提供技术支撑。

脉冲管是一种标准的声学测量装置，主要用于测量声学覆盖层或特性阻抗跟水接近样品的反射系数、透射系数和吸声系数，其特点是利用发射声波的频率在行波管所成波导的下限频率之下，从而在脉冲管中只能传播平面波，进而得到在平面波入射条件下样品的各种声学参数。在船舶行业标准(CB20113-2014)只规定了如何在脉冲管和行波管中测量消声瓦的反射系数、透射系数和吸声系数；在国家标准(GB/T32523-2016)只规定了如何在脉冲管和行波管中测量平面层状水声材料(或构件)的声压反射系数、声压透射系数和吸声系数，这两个标准尚未涉及悬浮泥沙散射强度的测量。

因为水中可悬浮的泥沙粒径相对较小，浓度相对较低，例如长江口南支边滩的观测表明，距离海底20cm层的涨、落潮的平均含沙量为0.30g/L和0.14g/L(见李占海，长江口南支边滩悬沙级配的现场与室内观测结果的比较分析，泥沙研究，2010)，该研究表明：含悬浮泥沙水的密度跟纯水的密度是相等的，加之悬浮泥沙对水的声速影响能力有限，使得纯水与悬沙水的特性阻抗非常接近，因此，满足脉冲管法测量声学特性的基本要求。但遗憾的是，尚未开展利用脉冲管测量悬浮泥沙散射强度方面的研究。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置。

本发明的目的是这样实现的：包括脉冲管、试样管、射流管、进流管、水泵，在脉冲管上端设置有管口夹、底部设置有换能器，试样管下端外侧设置有法兰，法兰的下端面设置有安装密封圈的凹槽，所述脉冲管和试样管通过法兰、管口夹和螺栓实现连接，且在脉冲管和试样管之间设置有薄膜，所述试样管上端设置有溢流槽、外表面设置有两个喷流孔，且两个喷流孔的轴线位于同一平面上，每个喷流孔的外端连接有一渐缩管，进流管的一端与溢流槽连接、另一端与水泵连接，射流管的一端与水泵连接、另一端与一个渐缩管连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.密封圈与薄膜的设置顺序为：先将薄膜放置在试样管的下端面且薄膜覆盖对应的法兰部分，再向凹槽中放置密封圈，薄膜被密封圈压入至凹槽中实现试样管与脉冲管之间的隔断。

2.所述管口夹包括半圆形的第一管口夹和第二管口夹，且第一管口夹和第二管口通过螺栓连接且构成与试样管下端外侧设置的法兰配合的法兰结构。

3.所述试样管的上端面均匀设置有V型槽，且V型槽相互交叉布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，利用隔膜将纯水与含悬浮泥沙的水进行隔离，隔膜的厚度极薄，声速和密度与水接近，即薄膜的声阻抗与水的声阻抗几乎相等，因此，脉冲管底部换能器发射的声脉冲能够很容易地进入试样管，被试样管中的悬浮泥沙散射，散射信号再由换能器接收；

其次，在外部水泵推动的作用下，试样管底部的喷流孔形成微射流，微射流产生的水经由试样管顶部的V型槽排出，组成一个循环系统，使得试样管内部产生流动，从而对悬浮泥沙颗粒进行搅动，保证测试过程中悬浮泥沙颗粒不发生沉淀；

再次，V型槽对微射流造成的试样管顶面的涌流进行整流，进而使得试样管顶部的水面保持为水平状态，减少了顶面反射声信号的杂波成分；

最后，该基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置仅需极少量的样本就可完成试验测试，减少了配制悬浮泥沙颗粒的工作量，特别适合在实验室中开展定量研究；由于是纯平面波入射，不涉及声传播归算问题，精度更高。

本发明的试样管侧部的喷流孔直径很小，由此产生的喷射流噪声功率就很小(喷流噪声与喷口面积的平方成正比，与速度的八次方成正比)，更为重要的是喷流噪声的频谱成分多集中在低频段，而脉冲管中开展的实验测量频段在高频，两者在频谱轴上不重叠，因此，试样管中的喷流不影响脉冲管开展的悬浮泥沙散射强度的测量试验；

本发明的喷流孔产生的微射流速度相对于水中的声速要小得多，即马赫数很低，不会产生显著的多普勒效应，因此，在进行悬浮泥沙散射声信号的数据处理时，不必考虑由于流动导致的多普勒频偏效应；

声波在试样管底部的喷流孔中的声传播问题，是典型的毛细管声传播问题，由于测量的频率高，喷流孔中的附面层厚度极薄，计算如下：

流体力学中的附面层厚度定义为：

其中，ω为角频率，是动力学黏度，在20℃时，水的动力学黏度为10^-6m²/s。由此式可以求得当声波频率为90kHz时，附面层厚度仅为0.04×10^-6m。

喷流孔的面积相对于脉冲管的侧面积要小得多，两者之间的面积比近似为零，使得脉冲声波几乎不能进入喷流孔中；

本发明的喷流孔所形成的毛细管的声衰减能力强，能够很好地吸收进入其中的脉冲声波，从而能够将试样管的管壁开设喷流孔而造成的声学干扰程度降至最低，计算如下：

定义：

其中，a为喷流孔的内径；当a值为0.1mm时，则μ值为7.5。喷流孔的粘滞吸声系数为：

可求得(3)式的值为2.17dB/m，而此时声波在纯水中的声吸收仅为0.0017dB/m。由此可见，喷流孔能够很好地吸收进入其中的脉冲声。

同时，喷流孔的这种设计，还使得脉冲声波不会沿着喷流孔传播至外面，不造成声能泄露。

附图说明

图1为一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置的整体框图；

图2为试样管管口导流示意图；

图3为试样管底部示意图；

图4为脉冲管管口示意图；

图5为喷流孔的流噪声测试结果；

图6为纯水和纯水中悬浮泥沙后的脉冲回波信号；

其中，1为管口夹、11为第一管口夹、12为第二管口夹、13为螺栓、14为螺母、15为螺栓、16为螺母、17为通孔、2为薄膜、3为试样管、31为法兰、32为喷流孔、33为喷流孔、34为渐缩管、35为渐缩管、36为O型圈、37为V型槽、38为V型槽、39为V型槽、310为V型槽、311为V型槽、312为V型槽、313为V型槽、314为V型槽、315为凹槽、316为通孔、4为射流管、5为进流管、6为水泵、7为溢流槽，8为脉冲管、81为换能器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图6，本发明包括管口夹1、薄膜2、试样管3、射流管4、进流管5、水泵6、溢流槽7、脉冲管8，管口夹1放置在脉冲管8的顶端的管口，试样管3放置在脉冲管8的上部，薄膜2将脉冲管1中的水与试样管3中的水隔离，射流管4的一端连接试样管3，射流管4的另一端连接水泵6，进流管5的一端连接溢流槽7、进流管5的另一端连接水泵6；试样管为厚壁金属圆管，两端无盖，在试样管的底部有法兰，在试样管侧部靠下位置有喷流孔，喷流孔的位置相对，在试样管的顶部有相互交叉的V型开槽；脉冲管中换能器发射信号的脉冲宽度乘以水的声速等于试样管的长度。

管口夹1由第一管口夹11和第二管口夹12组成，材质为不锈钢，第一管口夹11和第二管口夹12均为半圆环结构，在半圆环的两端有带通孔的接耳，第一管口夹11的内径略大于脉冲管8的外径，第二管口夹12的内径略大于脉冲管8的外径，第一管口夹11和第二管口夹12利用螺栓13、螺母14、螺栓15、螺栓16紧固在一起，安装在脉冲管8的管口位置，成为一个法兰结构，第一管口夹11和第二管口夹12所成的平面与脉冲管8的管口平面齐平，在第一管口夹11和第二管口夹12内有通孔17；

薄膜2为聚氯乙烯薄膜，厚度0.2mm；

试样管3为内径和外径与脉冲管8相同的厚壁金属管，材质为不锈钢，在试样管3的底部有法兰31，法兰31的底面与试样管3的管底平面平齐，在法兰31上有凹槽315，在法兰31上有通孔316；

先将薄膜2放置在试样管3的底面，往凹槽315内放置O型圈36，薄膜2就被O型圈36压入至凹槽315内，利用螺栓和螺母将试样管3的法兰31与管口夹1紧固，此时试样管3就牢固地安装在脉冲管8的上面，而且试样管3与脉冲管8之间被薄膜2隔开；

在试样管3侧部的底部开设微型通孔，形成喷流孔32和喷流孔33，喷流孔32和喷流孔33的孔轴在一条直线上，两者相对，在喷流孔32的外面焊接不锈钢制成的渐缩管34，在喷流孔33的外面焊接不锈钢制成的渐缩管35，渐缩管34和渐缩管35的作用是压缩射流管4中的流体，提高喷流孔32和喷流孔33的流速；

在试样管3的顶部有“V”型开槽，分别为V型槽37、V型槽38、V型槽39、V型槽310、V型槽311、V型槽312、V型槽313、V型槽314，这些V型槽相互交叉分布；

在试样管3顶部的外侧有溢流槽7；

射流管4是涤纶纤维增强软管，射流管4的一端利用不锈钢带胶骑马卡箍与渐缩管35紧固在一起，射流管4的另一端利用不锈钢带胶骑马卡箍与水泵6的出水口紧固在一起；

进流管5是PVC透明钢丝软管，进流管5的一端利用不锈钢卡箍与溢流槽7的出水口紧固在一起，进流管5的另一端利用不锈钢卡箍与水泵6的进流口紧固在一起；

水泵6是直流隔膜自吸增压泵，型号为FL-35，采用直流电驱动；

溢流槽7由一个圆环型底板加一个外圆周壳制成，材质为不锈钢，在圆环型底板处有出水口，以连接进流管5，溢流槽7底板圆环的内径略大于试样管3的外径，溢流槽7焊接在试样管3的顶端；

脉冲管8为用于测量声学材料或构件样品声学性能参数的充水刚性厚壁管，其厚度不小于管的内径，材质为不锈钢，脉冲管8垂直放置；在脉冲管8的底部放置换能器81，换能器81实现声波发射和声波接收，是一个收发合置换能器；当换能器81为中心对称发射时，脉冲管8的上限频率可按照式(4)进行计算：

其中，c_w为水中的声速，d为脉冲管8的内径；d＝0.02m时，脉冲管8的上限频率为91.5kHz；

实验中的测试频率为90kHz，测量过程如下：

首先，在试样管3内充入纯水，开动水泵6，让试样管3内的水处于流动状态，按照脉冲管法的测量规范(见GB/T5266-2006)，测量试样管3上界面的声压反射系数，假设反射声压信号为P_r，则声强为：

其次，在试样管3内放入悬浮泥沙颗粒，开动水泵6，让试样管3内的悬浮泥沙水处于流动状态，按照脉冲管法的测量规范(见GB/T5266-2006)，测量试样管3上界面的声压反射系数，假设反射声压信号为P_t，则声强为：

在此测量过程中，须保持换能器的发射功率输入状态不变，则两次测量过程中换能器接收到的反射声强度应相等(能量守恒)，由此可知：被悬浮泥沙颗粒散射掉的声强为：

可求得悬浮泥沙的散射声强度为：

值得注意的是：采用脉冲管法测量悬浮泥沙的声散射强度，属于体积混响，此时不需要考虑悬浮泥沙的声吸收(衰减)系数。而且大量的文献研究表明：当悬浮泥沙的浓度特别低时，悬浮泥沙水的声吸收系数与纯水的声吸收系数是相等的。例如90kHz时声波在纯水中的吸收系数仅为0.0017dB/m，这样的声吸收系数可以忽略。

图5为实验中测试的喷流孔32喷流时的噪声信号，可见喷流噪声的频率不超过25kHz，而换能器81的发射频率为90kHz，因此，试样管3内的喷流噪声不会影响悬浮泥沙散射强度的实验测量。

图6为纯水和纯水中悬浮泥沙后，由换能器81接收到的水面回波信号(已滤去换能器起振和余振的信号)，将该信号进行傅里叶变换后，便可以求得公式(5)和公式(6)的水面反射声强度，进而由公式(8)求得悬浮泥沙的声散射强度。

综上，一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，包括管口夹、隔膜、试样管、进流管、射流管、水泵、溢流槽，管口夹放置于脉冲管的顶端，隔膜放置于脉冲管与试验管之间，试样管放置于管口夹之上，进流管的一端连接溢流槽，进流管的另一端连接水泵，射流管的一端连接试样管，射流管的另一端连接水泵，溢流槽安装在试样管的顶端；该基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，解决了以往在自由场中测量悬浮泥沙散射强度时，样本制作工程量大、难以控制悬浮泥沙浓度均匀等问题，通过对纯水和悬浮泥沙水的反射声信号进行测量分析，提高了实验测量的精度，提出了利用脉冲管测量水介质散射强度的新方法，开辟了在实验室中利用脉冲管进行声学实验的新方向。

Claims (5)

1.一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，其特征在于：包括脉冲管、试样管、射流管、进流管、水泵，在脉冲管上端设置有管口夹、底部设置有换能器，试样管下端外侧设置有法兰，法兰的下端面设置有安装密封圈的凹槽，所述脉冲管和试样管通过法兰、管口夹和螺栓实现连接，且在脉冲管和试样管之间设置有薄膜，所述试样管上端设置有溢流槽、外表面设置有两个喷流孔，且两个喷流孔的轴线位于同一平面上，每个喷流孔的外端连接有一渐缩管，进流管的一端与溢流槽连接、另一端与水泵连接，射流管的一端与水泵连接、另一端与一个渐缩管连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，其特征在于：密封圈与薄膜的设置顺序为：先将薄膜放置在试样管的下端面且薄膜覆盖对应的法兰部分，再向凹槽中放置密封圈，薄膜被密封圈压入至凹槽中实现试样管与脉冲管之间的隔断。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，其特征在于：所述管口夹包括半圆形的第一管口夹和第二管口夹，且第一管口夹和第二管口通过螺栓连接且构成与试样管下端外侧设置的法兰配合的法兰结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，其特征在于：所述试样管的上端面均匀设置有V型槽，且V型槽相互交叉布置。

5.根据权利要求3所述的一种基于脉冲管的悬浮泥沙散射强度测量装置，其特征在于：所述试样管的上端面均匀设置有V型槽，且V型槽相互交叉布置。