CN108760888A - 海底沉积物声学剖面测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供海底沉积物声学剖面测量装置及方法，其装置包括岩芯管、换能器夹持机构、升降机构，所述岩芯管与升降导轨之间由岩芯管定位装置进行固定连接与姿态调整；所述换能器夹持机构与升降导轨之间由换能器定位装置进行固定连接与姿态调整；所述换能器定位装置通过升降导套与升降导轨连接，可沿升降导轨升降；所述升降丝杠上端设置升降手轮，通过摇动升降手轮，实现换能器夹持机构的升降。本发明将换能器组通过夹持机构架设于升降导轨上，通过旋转升降手轮带动换能器组升降，可以实现对岩芯管任意截面的测量，岩芯管垂直放置，沉积物充满样品管避免了流塑、软塑或饱含水的海底表层沉积物测量时的流淌，大大提高了测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及介质声学特性测量技术领域，具体地说，涉及海底沉积物声学剖面测量装置。
背景技术
海底沉积物声学参数，例如声波在沉积物中传播的速度和衰减，是沉积物声波传播理论的基本输入参数，以理论为基础的声学模型也需要这些参数。获取海底沉积物的声速和声衰减剖面对海洋环境声场的模型计算、地球物理的正演和反演有着十分重要的意义。
海底沉积物声学参数测量技术主要分三种，即反射/折射剖面遥测、原位测量和取样实验室测量。反射/折射剖面遥测技术提供的是大体积地层的平均声速和衰减系数的估计，属于获取海底沉积物声学性质的间接方法，而取样实验室测量和原位测量属于直接方法。取样实验室测量由于技术简单，环境可控，仍然被广泛使用。
在海底取得用于实验室声速和声衰减测量的通常为柱状沉积物样品(岩芯)，测量声速通常做法是在柱状样一端安装连接信号发生器的发射换能器，另一端安装连接信号接收装置的接收换能器，这样据柱状样长度及声波信号的到时计算得到的声速实际是柱状沉积物样品长度方向上的平均声速；沉积物的声衰减通常利用同轴差距衰减测量法来获得。
在实际实验中，该方法存在一定缺陷，主要表现在：测量过程中需要截掉一段样品，这样势必会对沉积物造成扰动，特别是对流塑和软塑的沉积物来说，表现更明显。此外，其获得的声衰减也只是被截掉样品长度方向上的平均值，无法获得海底沉积物连续的声速和声衰减剖面。
英国GEOTEK公司生产的岩芯综合测试系统(MSCL)虽然可以获得柱状海底沉积物样品的声学剖面，但其测试时柱状样品需横放测量，对于流塑、软塑或饱含水的海底表层沉积物来说，会使沉积物流淌，而且从样品管横截面来看，沉积物不能充满样品管，影响测试精度；另外，岩芯综合测试系统的声学换能器与样品管耦合欠佳。
发明内容
为了解决目前海底沉积物声学剖面测量技术存在的问题，本发明提供海底沉积物声学剖面测量装置及方法，其具体的技术方案如下：
海底沉积物声学剖面测量装置，其包括：岩芯管1、换能器夹持机构、升降机构，其中：
所述岩芯管1、升降机构垂直固定于岩芯管定位座6上；所述升降机构包括升降导轨8、升降丝杠9，所述升降导轨8、升降丝杠9与岩芯管1平行设置；
所述岩芯管1与升降导轨8之间由岩芯管定位装置进行固定连接与姿态调整；
所述换能器夹持机构与升降导轨8之间由换能器定位装置进行固定连接与姿态调整；
所述换能器定位装置通过升降导套11与升降导轨8连接，可沿升降导轨8升降；
所述换能器夹持机构包括设置于岩芯管1的相对侧的两组夹持块，用于夹持换能器组17；所述升降丝杠9上设置有与升降丝杠9啮合的升降丝杠螺母10，所述升降丝杠螺母10与升降导套11固定连接；所述换能器组17与声波仪连接；
所述升降丝杠9上端设置升降手轮12，通过摇动升降手轮12，实现换能器夹持机构的升降。
进一步，所述换能器夹持机构的夹持块包括换能器夹持上V块2、换能器夹持下V块4；换能器组17夹持于换能器夹持上V块2、换能器夹持下V块4之间，以保证不同频率的换能器组17在岩芯管1轴向上的重复定位精度。
进一步，所述换能器定位装置包括垂直于升降导轨8方向设置的换能器定位滑块19、换能器定位导轨20、换能器定位蝶形螺母18；
所述换能器定位导轨20与升降导套11固定连接，换能器定位导轨20方向与升降导轨8方向垂直；
换能器定位导轨20上设置可前后滑动的换能器定位滑块19，换能器夹持机构的夹持块固定连接于换能器定位滑块19。
进一步，所述换能器夹持机构的夹持块由换能器定位蝶形螺母18固定于换能器定位导轨20上，由换能器定位蝶形螺母18调节其位置，使换能器组17压紧到岩芯管1的外壁上，保证测量时换能器组17在岩芯管1径向位置的稳定性。
进一步，所述岩芯管定位装置包括沿垂直于升降导轨8方向设置的岩芯管定位导轨16、岩芯管定位V块14、岩芯管定位滑块15；
所述岩芯管1由双侧的岩芯管定位V块14夹紧，岩芯管定位V块14后端与岩芯管定位滑块15固定连接；
岩芯管定位滑块15设置于岩芯管定位导轨16上，可沿岩芯管定位导轨16滑动，调整岩芯管定位V块14的位置；
双侧的岩芯管定位V块14前端由岩芯管定位蝶形螺母13连接一体并紧固。
进一步，所述岩芯管定位座6设置定位孔，岩芯管1通过岩芯管定位座6的定位孔进行定位。
进一步，所述岩芯管定位座6上设置升降丝杠轴承座7，所述升降导轨8、升降丝杠9通过升降丝杠轴承座7固定连接于岩芯管定位座6上。
海底沉积物声学剖面测量方法，包括以下步骤：
S1：将测量装置放入充满水的水箱中，将装有沉积物样品的岩芯管1下部放入岩芯管定位座6的定位孔中，移动岩芯管定位V块14将岩芯管上部定位，并用岩芯管定位蝶形螺母13将岩芯管定位V块14与岩芯管夹紧；
S2：将换能器组17安装在换能器夹持上V块2与换能器夹持下V块4之间，并将换能器夹持蝶形螺母18拧紧；
S3：通过旋进换能器定位蝶形螺母18，使换能器组17压紧到岩芯管1的外壁上；
S4：旋转升降手轮12，根据试验方案将换能器组17移动到岩芯管1的某一高度位置；
S5：启动声波仪，采集信号；
S6：将同一岩芯管装满蒸馏水后再次启动声波仪进行测量，并计算声速与声衰减；
声速Vp和声衰减αp按以下公式计算：
其中Vw为蒸馏水的声速，Δt为岩芯管中是蒸馏水时和岩芯管中是沉积物时接收换能器接收到的声波信号的到时之差，d为岩芯管的内径，ew/es为岩芯管中是蒸馏水时和岩芯管中是沉积物时接收换能器接收到的信号的电压振幅的比值。
本发明所提供的海底沉积物声学剖面测量装置及方法，具有以下优点：
一、本发明将换能器组通过夹持机构架设于升降导轨上，通过旋转升降手轮带动换能器组升降，可以实现对岩芯管任意截面的测量，岩芯管垂直放置，避免了流塑、软塑或饱含水的海底表层沉积物测量时的流淌问题，从样品管横截面来看，沉积物充满样品管，大大提高了测试精度。
二、换能器定位导轨固定在升降导套以及升降丝杠螺母上，当旋转升降手轮时，升降丝杠使升降丝杠螺母、换能器定位导轨、换能器组在岩芯管轴向上移动，升降导套与升降导轨的导向作用使换能器组在移动时，保证换能器组信号方向与岩芯管轴向保持足够的垂直度，并使换能器组在岩芯管的同一母线上移动；
三、岩芯管下部放置于岩芯管定位座上，岩芯管定位座上加工有定位孔，可以实现岩芯管在岩芯管定位座上的准确定位，岩芯管的上部由岩芯管定位V块夹紧。岩芯管定位V块安装在岩芯管定位滑块上，岩芯管定位滑块在岩芯管定位导轨上滑动，保证岩芯管定位V块移动的方便可靠性，高精密的岩芯管定位滑块与岩芯管定位导轨保证岩芯管定位V块始终与岩芯管轴向的垂直度，从而保证了测量的准确度。岩芯管定位V块通过岩芯管定位蝶形螺母将岩芯管夹紧，操作方便。
四、上述的换能器组由换能器夹持下V块与换能器夹持上V块通过换能器夹持蝶形螺母固定在换能器定位滑块上，换能器定位滑块在换能器定位导轨上滑动，换能器定位导轨与岩芯管轴向垂直，换能器组信号方向与换能器定位滑块滑动方向平行，此结构可保证不同频率的换能器组在岩芯管轴向上的重复定位精度，同时也保证了换能器组信号方向与岩芯管轴向的垂直度。换能器定位蝶形螺母固定在换能器定位导轨上，旋进换能器定位蝶形螺母可将换能器组压紧在岩芯管上，保证测量时换能器组在测量装置中的稳定性。
附图说明
附图1是本发明的主视图；
附图2是本发明岩芯管连接部位的俯视图；
附图3是本发明的换能器组连接部位的俯视图；
图中标号：
岩芯管1、换能器夹持上V块2、换能器夹持蝶形螺母3、换能器夹持下V块4、换能器夹持固定座5、岩芯管定位座6、升降丝杠轴承座7、升降导轨8、升降丝杠9、升降丝杠螺母10、升降导套11、升降手轮12、岩芯管定位蝶形螺母13、岩芯管定位V块14、岩芯管定位滑块15、岩芯管定位导轨16、换能器组17、换能器定位蝶形螺母18、换能器定位滑块19、换能器定位导轨20。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的海底沉积物声学剖面测量装置作进一步详细的说明。
参照图1，海底沉积物声学剖面测量装置，其包括：岩芯管1、换能器夹持机构、升降机构，其中：所述岩芯管1、升降机构垂直固定于岩芯管定位座6上；所述升降机构包括升降导轨8、升降丝杠9，所述升降导轨8、升降丝杠9与岩芯管1平行设置；所述岩芯管1与升降导轨8之间由岩芯管定位装置进行固定连接与姿态调整；所述换能器夹持机构与升降导轨8之间由换能器定位装置进行固定连接与姿态调整；所述换能器定位装置通过升降导套11与升降导轨8连接，可沿升降导轨8升降；所述换能器夹持机构包括设置于岩芯管1的相对侧的两组夹持块，用于夹持换能器组17；所述升降丝杠9上设置有与升降丝杠9啮合的升降丝杠螺母10，所述升降丝杠螺母10与升降导套11固定连接；所述换能器组17与声波仪连接；所述升降丝杠9上端设置升降手轮12，通过摇动升降手轮12，实现换能器夹持机构的升降。一个优选的方案中，所述岩芯管定位座6上设置升降丝杠轴承座7，所述升降导轨8、升降丝杠9通过升降丝杠轴承座7固定连接于岩芯管定位座6上。
参照图3，所述换能器夹持机构的夹持块包括换能器夹持上V块2、换能器夹持下V块4；换能器组17夹持于换能器夹持上V块2、换能器夹持下V块4之间，以保证不同频率的换能器组17在岩芯管1轴向上的重复定位精度。其中，所述换能器定位装置包括垂直于升降导轨8方向设置的换能器定位滑块19、换能器定位导轨20、换能器定位蝶形螺母18；所述换能器定位导轨20与升降导套11固定连接，换能器定位导轨20方向与升降导轨8方向垂直；换能器定位导轨20上设置可前后滑动的换能器定位滑块19，换能器夹持机构的夹持块固定连接于换能器定位滑块19。
一个优选的方案中，所述换能器夹持机构的夹持块由换能器定位蝶形螺母18固定于换能器定位导轨20上，由换能器定位蝶形螺母18调节其位置，使换能器组17压紧到岩芯管1的外壁上，保证测量时换能器组17在岩芯管1径向位置的稳定性。
参照图2，所述岩芯管定位装置包括沿垂直于升降导轨8方向设置的岩芯管定位导轨16、岩芯管定位V块14、岩芯管定位滑块15；所述岩芯管1由双侧的岩芯管定位V块14夹紧，岩芯管定位V块14后端与岩芯管定位滑块15固定连接；岩芯管定位滑块15设置于岩芯管定位导轨16上，可沿岩芯管定位导轨16滑动，调整岩芯管定位V块14的位置；双侧的岩芯管定位V块14前端由岩芯管定位蝶形螺母13连接一体并紧固。
一个优选方案中，所述岩芯管定位座6设置定位孔，岩芯管1通过岩芯管定位座6的定位孔进行定位。
采用本发明的海底沉积物声学剖面测量装置进行测量，具体过程如下：
S1：将测量装置放入充满水的水箱中，将装有沉积物样品的岩芯管1下部放入岩芯管定位座6的定位孔中，移动岩芯管定位V块14将岩芯管上部定位，并用岩芯管定位蝶形螺母13将岩芯管定位V块14与岩芯管夹紧；
S2：将换能器组17安装在换能器夹持上V块2与换能器夹持下V块4之间，并将换能器夹持蝶形螺母18拧紧；
S3：通过旋进换能器定位蝶形螺母18，使换能器组17压紧到岩芯管1的外壁上；
S4：旋转升降手轮12，根据试验方案将换能器组17移动到岩芯管1的某一高度位置；
S5：启动声波仪，采集信号；
S6：将同一岩芯管装满蒸馏水后再次启动声波仪进行测量，并计算声速与声衰减；
声速Vp和声衰减αp按以下公式计算：
其中Vw为蒸馏水的声速，Δt为岩芯管中是蒸馏水时和岩芯管中是沉积物时接收换能器接收到的声波信号的到时之差，d为岩芯管的内径，ew/es为岩芯管中是蒸馏水时和岩芯管中是沉积物时接收换能器接收到的信号的电压振幅的比值。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (8)
1.海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，其包括：岩芯管(1)、换能器夹持机构、升降机构，其中：
所述岩芯管(1)、升降机构垂直固定于岩芯管定位座(6)上；所述升降机构包括升降导轨(8)、升降丝杠(9)，所述升降导轨(8)、升降丝杠(9)与岩芯管(1)平行设置；
所述岩芯管(1)与升降导轨(8)之间由岩芯管定位装置进行固定连接与姿态调整；
所述换能器夹持机构与升降导轨(8)之间由换能器定位装置进行固定连接与姿态调整；
所述换能器定位装置通过升降导套(11)与升降导轨(8)连接，可沿升降导轨(8)升降；
所述换能器夹持机构包括设置于岩芯管(1)的相对侧的两组夹持块，用于夹持换能器组(17)；所述升降丝杠(9)上设置有与升降丝杠(9)啮合的升降丝杠螺母(10)，所述升降丝杠螺母(10)与升降导套(11)固定连接；所述换能器组(17)与声波仪连接；
所述升降丝杠(9)上端设置升降手轮(12)，通过摇动升降手轮(12)，实现换能器夹持机构的升降。
2.根据权利要求1所述的海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，所述换能器夹持机构的夹持块包括换能器夹持上V块(2)、换能器夹持下V块(4)；换能器组(17)夹持于换能器夹持上V块(2)、换能器夹持下V块(4)之间，以保证不同频率的换能器组(17)在岩芯管(1)轴向上的重复定位精度。
3.根据权利要求2所述的海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，所述换能器定位装置包括垂直于升降导轨(8)方向设置的换能器定位滑块(19)、换能器定位导轨(20)、换能器定位蝶形螺母(18)；
所述换能器定位导轨(20)与升降导套(11)固定连接，换能器定位导轨(20)方向与升降导轨(8)方向垂直；
换能器定位导轨(20)上设置可前后滑动的换能器定位滑块(19)，换能器夹持机构的夹持块固定连接于换能器定位滑块(19)。
4.根据权利要求3所述的海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，所述换能器夹持机构的夹持块由换能器定位蝶形螺母(18)固定于换能器定位导轨(20)上，由换能器定位蝶形螺母(18)调节其位置，使换能器组(17)压紧到岩芯管(1)的外壁上，保证测量时换能器组(17)在岩芯管(1)径向位置的稳定性。
5.根据权利要求1所述的海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，所述岩芯管定位装置包括沿垂直于升降导轨(8)方向设置的岩芯管定位导轨(16)、岩芯管定位V块(14)、岩芯管定位滑块(15)；
所述岩芯管(1)由双侧的岩芯管定位V块(14)夹紧，岩芯管定位V块(14)后端与岩芯管定位滑块(15)固定连接；
岩芯管定位滑块(15)设置于岩芯管定位导轨(16)上，可沿岩芯管定位导轨(16)滑动，调整岩芯管定位V块(14)的位置；
双侧的岩芯管定位V块(14)前端由岩芯管定位蝶形螺母(13)连接一体并紧固。
6.根据权利要求1所述的海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，所述岩芯管定位座(6)设置定位孔，岩芯管(1)通过岩芯管定位座(6)的定位孔进行定位。
7.根据权利要求1所述的海底沉积物声学剖面测量装置，其特征在于，所述岩芯管定位座(6)上设置升降丝杠轴承座(7)，所述升降导轨(8)、升降丝杠(9)通过升降丝杠轴承座(7)固定连接于岩芯管定位座(6)上。
8.海底沉积物声学剖面测量方法，包括以下步骤：
S1：将测量装置放入充满水的水箱中，将装有沉积物样品的岩芯管(1)下部放入岩芯管定位座(6)的定位孔中，移动岩芯管定位V块(14)将岩芯管上部定位，并用岩芯管定位蝶形螺母(13)将岩芯管定位V块(14)与岩芯管夹紧；
S2：将换能器组(17)安装在换能器夹持上V块(2)与换能器夹持下V块(4)之间，并将换能器夹持蝶形螺母(18)拧紧；
S3：通过旋进换能器定位蝶形螺母(18)，使换能器组(17)压紧到岩芯管(1)的外壁上；
S4：旋转升降手轮(12)，根据试验方案将换能器组(17)移动到岩芯管(1)的某一高度位置；
S5：启动声波仪，采集信号；
S6：将同一岩芯管装满蒸馏水后再次启动声波仪进行测量，并计算声速与声衰减；
声速Vp和声衰减αp按以下公式计算：
其中Vw为蒸馏水的声速，Δt为岩芯管中是蒸馏水时和岩芯管中是沉积物时接收换能器接收到的声波信号的到时之差，d为岩芯管的内径，ew/es为岩芯管中是蒸馏水时和岩芯管中是沉积物时接收换能器接收到的信号的电压振幅的比值。
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