CN113432696A - 一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法，包括发射换能器、圆柱架、第一水听器、异形支架、第二水听器，发射换能器位于圆柱架的中心，第一水听器位于圆柱架的外侧，异形支架放置在海洋管道表面，第二水听器放置在异形支架的外侧；一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，还包括方法；该测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法减少了海洋管道声散射信号中来自海面和海底混响的影响，削弱了洋流的大涡团脉动所带来的低频干扰，适合在浅海等洋流环境中进行海洋管道声散射强度的测量，避免了指向性换能器声波束聚焦及对准等问题，具有较好的工程应用前景。

Description

一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法，属于声学测量领域。

背景技术

以往对海洋管道的研究，多侧重于结蜡状态、耐腐蚀等方面，极少关注海洋管道的声学特性。水下航行器经常抵近海洋管道进行管道表面状态的探查加上其对声探测的需求，都需要准确了解海洋管道的声散射特性。海洋管道是多层的复合结构，每层的结构参数是不均匀的，而且还存在各向异性状态，使得采用理论方法计算的海洋管道声散射强度与试验测量的结果之间存在很大的差异。由此可见，试验测量海洋管道的声散射强度仍是评价海洋管道声散射特性的重要手段。但是，在试验测量海洋管道的声散射强度时，还存在以下问题：

第一，海洋管道的外径较小，一般为230mm，加上包裹了多层橡胶结构，散射信号较弱，也即信噪比很低，如果测量水听器放置在较远的距离处，则测量不到海洋管道的声散射信号；

第二，在浅海中海洋管道声散射强度易受到海底和海面混响的影响，如果处理方法不当，会使测量的海洋管道声散射强度偏大；

第三，在海流的作用下，贴敷在海洋管道表面的水听器在接收声信号的过程中，会受到海洋管道的阻挡和背衬效应，使得散射信号偏弱，导致声散射强度偏小；

最后，在浅海中进行的声散射强度试验测量，所采用的发射声源一般均为无指向性声源，如何标定无指向性声源的发射声强度，以及如何减少海面和海底混响的强度，也是在试验测量过程中需要注意的关键问题。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法。

本发明的目的是这样实现的：包括发射换能器、圆柱架、第一水听器、异形支架、第二水听器，发射换能器位于圆柱架的中心，第一水听器位于圆柱架的外侧，异形支架放置在海洋管道表面，第二水听器放置在异形支架的外侧。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.圆柱架是由顶面、侧面和底面组成的框架，顶面是由不同半径的同心圆圈和支撑杆制成，侧面为均布的直杆，底面是由不同半径的同心圆圈和支撑杆制成，在圆柱架内部有一立杆，立杆的头部为一圆环，发射换能器位于圆柱架的中心是指发射换能器设置在圆环上；在圆柱架的顶面安装多个空心球壳，在圆柱架的底面安装多个吸声尖劈，在侧面的每个直杆上均匀嵌有第一陶瓷轴承，每个第一陶瓷轴承的外侧连接第一扑翼。

2.异形支架包括塑料轴承、横杆、竖杆、第二陶瓷轴承、第二扑翼，塑料轴承嵌套至海洋管道的外表面，横杆嵌套至塑料轴承的外侧，横杆的端部连接竖杆的中部，在竖杆上均匀设置有第二陶瓷轴承，在第二陶瓷轴承上设置有第二扑翼，第二水听器放置在异形支架的外侧是指第二水听器设置在竖杆下端。

3.第二水听器与海洋管道表面的最近距离为海洋管道外径的0.5倍。

4.发射换能器为无指向性水声发射换能器。

5.一种测量浅海中海洋管道声散射强度的方法，包括测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，步骤如下：

第一步：发射换能器发射单频的CW脉冲信号，对第一水听器采集到的信号进行窄带滤波，然后进行傅里叶变换，得到CW脉冲信号的幅度为P₁，对第二水听器采集到的信号进行窄带滤波，然后进行傅里叶变换，得到CW脉冲信号的幅度为P₂；

第二步：根据发射换能器与第一水听器的距离L₁，可由第一水听器采集到的CW脉冲信号计算发射换能器发射CW脉冲的起始时刻；

第三步：由第二步确定的CW脉冲起始时刻，与第二水听器采集到的CW脉冲起始时刻进行比较，确定发射换能器与第二水听器之间的距离L₂；

第四步：通过L₁与L₂比较，以球面波扩展规律计算到达第二水听器中CW脉冲的直达波幅度P₃；

第五步：根据公式

计算海洋管道的声散射强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：首先，在海洋管道附近测量声散射强度的第二水听器不紧贴管道表面，避免了在洋流作用下导致海洋管道变形而产生的声遮挡和声背衬效应，保证水听器在测量过程中能可靠地接收到海洋管道的声散射信号；其次，采用在圆柱架上放置空心球壳和吸声尖劈的构造，能够有效散射和吸收发射换能器入射至海面和海底的声波，减少海洋管道声散射信号中来自海底混响和海面混响的影响；再次，在圆柱壳侧面中直杆的第一扑翼和异形支架外侧竖杆的第二扑翼有两方面的作用：一方面，可以衰减来流中的能量，减少大尺度涡团脉动对测量水听器带来的低频干扰，另一方面，作为导流装置，可以使得圆柱架和异形支架在流场中较好地跟随来流方向，减弱流动对圆柱架和异形支架的冲击；最后，该测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法为浅海环境下的目标散射强度测试提供了数据处理方法。

本发明的有益之处还在于：首先，该测量浅海中海洋管道声散射强度的装置采用的发射换能器为无指向性换能器，在浅海中发射声波时，一定会有声波入射至海洋管道，避免了指向性换能器在发射声波时受到海流影响而导致的声波束偏离、甚至没有声波束入射至海洋管道问题；其次，该测量浅海中海洋管道声散射强度的装置中的圆柱架顶面放置空心球壳、底面放置吸声尖劈，在水中可保证圆柱架的重心偏下，在洋流作用下不易发生翻动、滚动等现象，避免了发射换能器和第一水听器因电缆缠绕和扭转导致的断裂问题；最后，该测量浅海中海洋管道声散射强度的装置中的发射换能器与第二水听器在流场的作用下、特别是放置在试验船头使用时，能够使得第二水听器接收到近似为海洋管道在声波正入射条件下的声散射信号，即可以得到海洋管道在声波0°角入射时的散射强度，此时的散射强度最大，可以将此作为评定海洋管道声散射强度的依据，同时也为不同海洋管道声散射强度的评价提供了一种试验测量装置。

附图说明

图1为一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置中圆柱架的剖面示意图；

图2为一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置中圆柱架顶面示意图；

图3为一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置中圆柱架底面示意图；

图4为一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置中异形支架的剖面示意图；

图5为一种测量浅海中海洋管道声散射强度的方法的流程图；

图6为在浅海中开展的海洋管道散射试验测量得到的第一水听器的时域波形；

图7为在浅海中开展的海洋管道散射试验测量得到的第二水听器的时域波形；

其中，1为发射换能器、2为圆柱架、3为第一水听器、4为异形支架、5为第二水听器、6为海洋管道、21为顶面、22为侧面、23为底面、24为空心球壳、25为吸声尖劈、26为立杆、27为圆环、28为第一陶瓷轴承、29为第一扑翼、211为圆圈、212为支撑杆、221为直杆、231为圆圈、232为支撑杆、41为塑料轴承、42为横杆、43为竖杆、44为第二陶瓷轴承、45为第二扑翼。

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7，本发明的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，包括发射换能器1、圆柱架2、第一水听器3、异形支架4、第二水听器5，发射换能器1位于圆柱架2的中心，第一水听器3位于圆柱架2的外侧，异形支架4放置在海洋管道6的外侧，第二水听器5放置在异形支架4的外侧。

发射换能器1是球形发射换能器，由美国PCB公司生产，型号为6829-17，谐振频率17kHz，发射声源级为150dB，最大可加电压为1000V，在试验测量中用于发射CW脉冲。

圆柱架2是由不锈钢制成的，由顶面21、侧面22和底面23构成，顶面21是由多个同心的圆圈211制成，在圆圈211上焊接支撑杆212，在顶面21上放置空心球壳24，圆圈211为不锈钢无痕圆圈，支撑杆212为不锈钢杆，空心球壳24为不锈钢制成的薄球壳，用于散射发射换能器1入射至海面的声波，侧面22是由多根直杆221构成的，直杆221为不锈钢杆，底面23是由多个同心的圆圈231制成，在圆圈231上焊接支撑杆232，在底面23上放置吸声尖劈25，圆圈231为不锈钢无痕圆圈，支撑杆232为不锈钢杆，吸声尖劈25是由橡胶制成的尖劈结构，用于吸收发射换能器1入射至海底的声波，在圆柱架2的顶面21的中心位置焊接立杆26，在立杆26的头部焊接圆环27，立杆26为不锈钢杆，长度为圆柱架2长度的一半，圆环27由不锈钢制成，用于悬挂发射换能器1，在直杆221上嵌套多个第一陶瓷轴承28，在第一陶瓷轴承28上利用高强度胶粘第一扑翼29，第一陶瓷轴承28是氧化锆陶瓷轴承，第一扑翼29是聚氨酯制成的，线型为NACA0012。

第一水听器3是压电陶瓷制成的声压水听器，灵敏度为-173dB(ref：1uV/Pa)，测量频率范围为0.1Hz-20kHz，电缆线长为50m。

异形支架4是由塑料轴承41、横杆42、竖杆43、第二陶瓷轴承44、第二扑翼45构成，塑料轴承41嵌套至海洋管道6的外表面，塑料轴承41是PP塑料轴承，横杆42嵌套至塑料轴承41的外侧，横杆42是由碳纤维制成，横杆42的另一端连接竖杆43的中部，竖杆43是由碳纤维制成，在竖杆43上嵌套多个第二陶瓷轴承44，在第二陶瓷轴承44上利用高强度胶粘第二扑翼45，第二陶瓷轴承44是氧化锆陶瓷轴承，第二扑翼45是聚氨酯制成的，线型为NACA0012。

第二水听器5是压电陶瓷制成的声压水听器，灵敏度为-173dB(ref：1uV/Pa)，测量频率范围为0.1Hz-20kHz，电缆线长为50m。

海洋管道6是多层复合结构，内层为钢骨架，外层为各种橡胶包覆层，外径尺寸约为230mm。

一种测量浅海中海洋管道声散射强度的方法，步骤如下：

第一步，发射换能器1发射单频的CW脉冲信号，对第一水听器3采集到的信号进行窄带滤波，然后进行傅里叶变换，得到CW脉冲信号的幅度为P₁，对第二水听器5采集到的信号进行窄带滤波，然后进行傅里叶变换，得到CW脉冲信号的幅度为P₂；

第二步，根据发射换能器1与第一水听器3的距离L₁，可由第一水听器3采集到的CW脉冲信号计算发射换能器1发射CW脉冲的起始时刻；

第三步，由第二步确定的CW脉冲起始时刻，与第二水听器5采集到的CW脉冲起始时刻进行比较，确定发射换能器1与第二水听器5之间的距离L₂；

第四步，通过L₁与L₂比较，以球面波扩展规律计算到达第二水听器5中CW脉冲的直达波幅度P₃；

第五步，根据公式(1-1)计算海洋管道的声散射强度。

在该实施例中CW脉冲的频率为7kHz，脉冲个数为10个，重复周期为1Hz，L₁为1m，L₂为10.2m，根据公式(1-1)计算的海洋管道6的散射强度为-20.0dB。

综上，本发明包括发射换能器、圆柱架、第一水听器、异形支架、第二水听器，发射换能器位于圆柱架的中心，第一水听器位于圆柱架的外侧，异形支架放置在海洋管道表面，第二水听器放置在异形支架的外侧；一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，还包括方法；该测量浅海中海洋管道声散射强度的装置及方法减少了海洋管道声散射信号中来自海面和海底混响的影响，削弱了洋流的大涡团脉动所带来的低频干扰，适合在浅海等洋流环境中进行海洋管道声散射强度的测量，避免了指向性换能器声波束聚焦及对准等问题，具有较好的工程应用前景。

Claims (8)

1.一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：包括发射换能器、圆柱架、第一水听器、异形支架、第二水听器，发射换能器位于圆柱架的中心，第一水听器位于圆柱架的外侧，异形支架放置在海洋管道表面，第二水听器放置在异形支架的外侧。

2.根据权利要求1所述的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：圆柱架是由顶面、侧面和底面组成的框架，顶面是由不同半径的同心圆圈和支撑杆制成，侧面为均布的直杆，底面是由不同半径的同心圆圈和支撑杆制成，在圆柱架内部有一立杆，立杆的头部为一圆环，发射换能器位于圆柱架的中心是指发射换能器设置在圆环上；在圆柱架的顶面安装多个空心球壳，在圆柱架的底面安装多个吸声尖劈，在侧面的每个直杆上均匀嵌有第一陶瓷轴承，每个第一陶瓷轴承的外侧连接第一扑翼。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：异形支架包括塑料轴承、横杆、竖杆、第二陶瓷轴承、第二扑翼，塑料轴承嵌套至海洋管道的外表面，横杆嵌套至塑料轴承的外侧，横杆的端部连接竖杆的中部，在竖杆上均匀设置有第二陶瓷轴承，在第二陶瓷轴承上设置有第二扑翼，第二水听器放置在异形支架的外侧是指第二水听器设置在竖杆下端。

4.根据权利要求3所述的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：第二水听器与海洋管道表面的最近距离为海洋管道外径的0.5倍。

5.根据权利要求1或2所述的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：发射换能器为无指向性水声发射换能器。

6.根据权利要求3所述的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：发射换能器为无指向性水声发射换能器。

7.根据权利要求4所述的一种测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：发射换能器为无指向性水声发射换能器。

8.一种测量浅海中海洋管道声散射强度的方法，包括测量浅海中海洋管道声散射强度的装置，其特征在于：步骤如下：

第一步：发射换能器发射单频的CW脉冲信号，对第一水听器采集到的信号进行窄带滤波，然后进行傅里叶变换，得到CW脉冲信号的幅度为P₁，对第二水听器采集到的信号进行窄带滤波，然后进行傅里叶变换，得到CW脉冲信号的幅度为P₂；

第二步：根据发射换能器与第一水听器的距离L₁，可由第一水听器采集到的CW脉冲信号计算发射换能器发射CW脉冲的起始时刻；

第三步：由第二步确定的CW脉冲起始时刻，与第二水听器采集到的CW脉冲起始时刻进行比较，确定发射换能器与第二水听器之间的距离L₂；

第四步：通过L₁与L₂比较，以球面波扩展规律计算到达第二水听器中CW脉冲的直达波幅度P₃；

第五步：根据公式

计算海洋管道的声散射强度。

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