CN113866275A - 一种自动声学分层测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种自动声学分层测量系统及测量方法，本发明包括测量装置、载体装置、声学测量仪和上位机，测量装置包括底座、主机架和样品管、升降驱动结构、升降机构、换能器夹持机构、样品管夹持机构和位移传感器机构；载体装置包括上级测量承载体和下级测量承载体，上级测量承载体和下级测量承载体用于围合封闭测量装置形成蓄水腔，蓄水腔用于为测量装置提供水介质测量环境。本发明的测量系统能在空气中或者水中进行自动化测量以减小人工强度和提高测量精度；本发明的测量系统的测量方法可以提高海底采集样品的测量精度。

Description

一种自动声学分层测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种自动声学分层测量系统及测量方法。

背景技术

海底沉积物的声学特性在水声学、地声学、沉积声学中都有着重要的应用，海底沉积物的声学参数包括传播速度和能量衰减等，是研究海底沉积物物理特性的重要参数，也是应用不同声学测量方法获取海底声波传播的特性参数，其对海洋环境模型的计算研究、海洋资源勘探开发、海洋工程建设有着十分重要的意义。

采集海底沉积物样品在实验室测量声速和声衰减是最常用的方法。通常获得圆柱状的海底沉积物样品，测量方式主要是通过在样品的两个端面放置声学换能器，基于发射换能器发出声波信号，穿过海底沉积物，再由接收换能器接收声波信号，通过声波的传播距离和传播时间差来计算平均声速，通过声波传播幅值比来计算声衰减系数。

不同样品采集方法获得的海底沉积物并不相同，如重力柱状采集器，可以获得1-6米的海底沉积物，按照目前方法往往分割成0.3-1.0米长的样品进行测量，目前缺乏便于测量超过1米以上的长样品的方法；而对于重力式多管采样器，采集的样品既包括底层海水、也包括分层界面的絮状沉积物、还包括表层海底沉积物，对于多管采样器的样品测量往往要倒掉底层海水和絮状沉积物，损失掉的测量对象较多；液压压入式取样器，可以取得类似于多管采样器具有底层海水、絮状沉积物和表层海底沉积物的长样品。

但当前海底采集样品有不同尺寸如直径75-110mm，需要快速更改对应安装固定方式，通常是对海底采集样品进行切割，但会造成切割扰动影响测量精度；并且为了获得海底沉积物多频率特性，需要一次性完成多个频率的测量；但在测量过程需要进行细致分层和每层进行多次测量，因此人工操作存在工作量巨大、精度低和耗时长等问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种自动声学分层测量系统，能在空气中或者水中进行自动化测量以减小人工强度和提高测量精度。

本发明的另一目的在于提出一种自动声学分层测量系统的测量方法，可以提高海底采集样品的测量精度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种自动声学分层测量系统，包括测量装置、载体装置、声学测量仪和上位机；

所述测量装置包括底座、主机架和样品管，所述主机架垂直架设于所述底座的安装面，所述主机架上设有升降驱动结构、升降机构、换能器夹持机构、样品管夹持机构和位移传感器机构，所述升降驱动结构设置在所述主机架的顶端，所述升降机构与所述主机架平齐架设于所述底座的安装面，所述换能器夹持机构安装于所述升降机构，所述样品管夹持机构安装于所述主机架的底端；

所述升降驱动结构用于驱动所述升降机构沿所述主机架的高度方向移动，且带动所述换能器夹持机构同步移动，所述换能器夹持机构用于夹持声学换能器模组，所述样品管夹持机构用于夹持所述样品管，所述样品管用于装纳待测样品，所述声学测量仪用于控制所述声学换能器模组发射声波并获得相关数据，所述上位机用于控制所述升降驱动结构和读取相关数据，所述位移传感器机构用于反馈所述换能器夹持机构的位移情况；

所述载体装置包括上级测量承载体和下级测量承载体，所述上级测量承载体和下级测量承载体之间设有安装通孔进行连通，所述安装通孔用于供所述样品管穿设，所述上级测量承载体和下级测量承载体用于围合封闭所述测量装置形成蓄水腔，所述蓄水腔用于为所述测量装置提供水介质测量环境，所述下级测量承载体的底部设有排水阀。

优选的，所述载体装置还包括工作台体，所述工作台体包括上工作台和下工作台，所述上工作台和下工作台呈相互平行设置；

所述底座安装于所述上工作台的上端面，所述底座与所述上工作台均设有相对应的所述安装通孔；

所述上级测量承载体为框体结构，所述框体结构的下端四周向外延伸形成密封部，所述密封部的密封面与所述上工作台贴合；

所述下级测量承载体为中空状的管体，所述下级测量承载体与所述上工作台的结合处设有密封圈，所述下级测量承载体的上端开口与所述安装通孔连通，所述下级测量承载体的下端形成封闭。

优选的，所述上级测量承载体的长为0.6-1m，宽为0.6-1m，高度H₀依据所述样品管的高度设定；所述下级测量承载体的高度H₁为0.5-1.5m，直径为0.3-1m。

优选的，所述样品管内设有储存空腔，所述储存空腔用于装纳待测样品；所述样品管的底部连接有垫高管，且所述垫高管的长度大于等于所述声学换能器模组的顶端与所述底座的距离高度。

优选的，所述换能器夹持机构还包括第一传动模组、两组第一连接架、两组换能器安装架和轴夹组，所述第一传动模组可移动地连接于所述升降机构，所述第一传动模组与所述主机架呈垂直设置，所述第一传动模组包括两个活动端，所述两个活动端分别通过所述第一连接架连接所述换能器安装架，所述换能器安装架上分别固定连接所述轴夹组，所述轴夹组用于夹持所述声学换能器模组；所述升降机构用于驱动所述第一传动模组的上下移动，所述第一传动模组的上下移动带动所述声学换能器模组沿所述升降机构的高度方向活动；

所述第一传动模组用于驱动任一所述第一连接架的左右移动，所述第一连接架的左右移动带动两组所述声学换能器模组之间的靠近或远离的张合运动，使得所述轴夹组可调节地夹持所述声学换能器模组。

优选的，所述样品管夹持机构包括第二传动模组、两组V型块、两组第二连接架、防水驱动机构和上定位夹具，所述第二传动模组与所述主机架呈垂直设置，所述防水驱动机构设置在所述第二传动模组的一端，两组所述第二连接架的一端分别安装于所述第二传动模组的活动端，所述第二连接架的另一端分别连接所述V型块，所述V型块设有用于夹持所述样品管的夹持面，所述上定位夹具固定在所述主机架上，所述上定位夹具的两侧设有倒钩；

当外力作用于所述第二连接架使所述第二连接架发生移动时，两组所述V型块之间进行靠近或远离的张合运动，其中，外力作用包括所述第二传动模组的手动驱动外力和/或所述防水驱动机构的自动驱动外力。

优选的，所述声学换能器模组和所述样品管的轴线严格对中。

优选的，所述声学换能器模组包括若干换能器组，任一所述换能器组包括发射换能器和接收换能器，任一所述发射换能器的发射频率不同，任一所述发射换能器内安装有电子开关，所述声学测量仪通过所述电子开关控制所述发射换能器的开关，若干所述发射换能器通过任一所述轴夹组安装于所述换能器夹持机构的一端，若干所述接收换能器通过另一所述轴夹组安装于所述换能器夹持机构的另一端，所述发射换能器的发射端和所述接收换能器的接收端呈相对设置。

一种根据上述所述自动声学分层测量系统的测量方法，包括以下测量步骤：

步骤A1：将装有待测量样品的样品管插入下级测量承载体，调节样品管夹持机构将样品管进行固定，将不同频率的发射换能器和接收换能器固定安装在换能器夹持机构上，并且将其连接在声学测量仪上；

步骤A2：根据待测量的样品管的目标位置，上位机通过升降驱动结构的驱动器，指示升降驱动结构驱使换能器夹持机构移动到指定位置，在到达指定位置后激发单个频率的换能器组的电子开关进行测量，并向声学测量仪反馈并保存声学测量数据，依次对样品管在上级测量承载体的不同位置进行测量；

步骤A3：完成单个频率的换能器组测量后，切换另一频率的换能器组的电子开关，重复步骤A2，直至完成所有设定频率的换能器组完成样品管在上级测量承载体的部分测量；

步骤A4：通过手动操作或自动操作松开换能器夹持机构，人工抽出样品管，将安装通孔进行覆盖，将样品管的底部通过换能器夹持机构固定在安装通孔覆盖面上，重复步骤A2-A3，直至完成所有设定频率的换能器组完成样品管上所有分层的测量；

步骤A5：完成样品管各层的测量后对声学测量数据进行数据分析。

优选的，数据分析包括以下计算公式：

计算水样品的水声速：C_w＝1557-0.0245(74-T)²；

计算换能器的声延时为：

计算沉积物的声速：

计算沉积物声衰减为：

其中T为待测样品的温度，单位℃；d为测量的样品管内径，单位m；t₁为样品管中装有水时声学测量仪测得的声时，单位A；t₂为样品管中装有沉积物时测得的声时，单位A；C_w为水声速，单位m/s；α_p为沉积物的声衰减系数，单位dB/m；e_w、e_s分别表示同一通道采集的水和沉积物的接收电压，单位v，e_w/e_s为可视为水和沉积物的能量比。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下有益效果：对海底沉积物测量可满足(1)通过上级测量承载体和下级测量承载体，可以实现空气中的测量和以水为介质测量的两种方式；(2)实现海底沉积物大尺寸且保持原位竖直分层状态进行测量，尤其可以实现大于常规50cm长度样品测量方法的测量，避免横向测量沉积物流淌的扰动；(3)可测量海底沉积物任意层的声学特性，通过声学换能器模组的精确移动与位移，对海底沉积物依次进行所需细分层的测量，满足不同层沉积物的声学特性差异测量的对比，也可以此为不同层分层的判据。

附图说明

图1是本发明的测量装置的原理示意图；

图2是本发明的其中一个实施例的结构示意图；

图3是本发明的其中一个实施例的结构示意图；

图4是本发明的上级测量承载体的结构示意图；

图5是本发明的下级测量承载体的结构示意图；

图6是本发明的样品管的结构示意图；

图7是本发明的测量装置的结构示意图；

图8是本发明的测量装置的侧视示意图；

图9是本发明的测量装置的俯视示意图；

图10是本发明的测量装置的测量方法的标记示意图；

附图中：底座1、主机架2、样品管3、升降驱动结构4、升降机构5、换能器夹持机构6、样品管夹持机构7、位移传感器机构8、声学换能器模组9、工作台体10、上级测量承载体20、下级测量承载体30、垫高管31、梯形丝杠51、丝杆安装底座52、丝杆安装顶座53、升降滑块54、第一传动模组61、第一连接架62、换能器安装架63、轴夹64、第二传动模组71、V型块72、第二连接架73、防水驱动机构74、上定位夹具75、位移传感器81、位移传感器安装座82、位移传感器读头83、发射换能器91、接收换能器92、安装通孔100、上工作台101、安装通孔100、下工作台102、密封部201、水阀301、安装板611、挡块612、正反丝梯形丝杠613、滑块614、手轮615、倒钩751、上级测量承载体的长a，上级测量承载体的宽b，上级测量承载体的高度H₀、下级测量承载体的高度H₁、下级测量承载体的直径φ、无法完全测量长度H2、垫高管的长度L、换能器组之间的间距为D、样品管的内径为d、样品管的管壁厚度为δ。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-9所示，一种自动声学分层测量系统，包括测量装置、载体装置、声学测量仪和上位机；所述测量装置包括底座1、主机架2和样品管3，所述主机架2垂直架设于所述底座1的安装面，所述主机架2上设有升降驱动结构4、升降机构5、换能器夹持机构6、样品管夹持机构7和位移传感器机构8，所述升降驱动结构4设置在所述主机架2的顶端，所述升降机构5与所述主机架2平齐架设于所述底座1的安装面，所述换能器夹持机构6安装于所述升降机构5，所述样品管夹持机构7安装于所述主机架2的底端；

所述升降驱动结构4用于驱动所述升降机构5沿所述主机架2的高度方向移动，且带动所述换能器夹持机构6同步移动，所述换能器夹持机构6用于夹持声学换能器模组9，所述样品管夹持机构7用于夹持所述样品管3，所述样品管3用于装纳待测样品，所述声学测量仪用于控制所述声学换能器模组9发射声波并获得相关数据，所述上位机用于控制所述升降驱动结构4和读取相关数据，所述位移传感器机构8用于反馈所述换能器夹持机构6的位移情况；

所述载体装置包括上级测量承载体20和下级测量承载体30，所述上级测量承载体20和下级测量承载体30之间设有安装通孔100进行连通，所述安装通孔100用于供所述样品管3穿设，所述上级测量承载体20和下级测量承载体30用于围合封闭所述测量装置形成蓄水腔，所述蓄水腔用于为所述测量装置提供水介质测量环境，所述下级测量承载体30的底部设有排水阀301。

本发明的测量装置可以通过载体装置进行以水为介质的测量方式，具体为上级测量承载体20和下级测量承载体30构成两级测量承载体结构，可以装纳实验水源，且上级测量承载体20可以更换不同尺寸以适应测量不同长度的海底采集样品使用，下级测量承载体30起到放置样品底端的作用，且和上级测量承载体20一体对样品管3外壁进行水浸泡和消除空气气泡，以及下级测量承载体30底部设有排水阀301有助于实验完成后排水，进一步的上级测量承载体和下级测量承载体30可采用透明材质制成，便于测量者观察测量过程。

进一步的，本发明由上位机来下达命令和显示结果，硬件部分主体为单片机，主要包含电机控制模块和位移传感器机构8，位移传感器机构8可实现移动量的精确显示，且到达指定位置(上位机软件输入位置)自动触发声学换能器模组9，实现自动测量与控制，包括环境状态的自动测量、多频声波自动触发控制与测量(即声学换能器模组到达指定位置便可触发声学测量仪发出采集信号)、分层运动位移的自动控制与测量，减少人工操作的误差。具体实施原理如图1所示，首先上位机发送命令给运动控制单元中的单片机，通过电机驱动器控制升降驱动结构4带动升降机构5运动，从而带动声学换能器模组9运动，位移传感器机构8实时检测声学换能器模组9的位移情况，并反馈数据给单片机再传输至上位机中显示位移量；当声学换能器模组9到达样品管3的指定位置时，上位机发送采集命令给声学测量仪激发声学换能器模组9开始工作，而后接收声学换能器模组9接收信号传输至声学测量仪中，上位机将声学测量仪传输来的数据以波形图的形式呈现，并通过编程设计实时显示波形的起跳点数据，而后将波形的数据保存。

本发明针对海底沉积物测量可满足：(1)通过上级测量承载体和下级测量承载体，可以实现空气中的测量和以水为介质测量的两种方式；(2)实现海底沉积物大尺寸且保持原位竖直分层状态进行测量，尤其可以实现大于常规50cm长度样品测量方法的测量，避免横向测量沉积物流淌的扰动；(3)可测量海底沉积物任意层的声学特性，通过声学换能器模组的精确移动与位移，对海底沉积物依次进行所需细分层的测量，满足不同层沉积物的声学特性差异测量的对比，也可以此为不同层分层的判据。

进一步的说明，本实施例中的声学测量仪可以发射正弦信号与矩形脉冲信号两种，同时可以测量海底沉积物样品和上级测量承载体20中水的盐度和温度，盐度即为样品的电导率，温度即为温度传感器反馈的实时温度，能够准确获得测量过程的被测对象和校正对象的变化过程，并将得到的测量数据传输给上位机显示存储。

进一步的说明，本实施例中的所述升降机构5包括梯形丝杠51、滚动轴承组件、丝杆安装底座52、丝杆安装顶座53和升降滑块54；所述梯形丝杆51通过所述底滚动轴承组件与所述丝杆安装底座52和丝杆安装顶座53可转动地连接，所述梯形丝杠51贯穿升降滑块54和丝杆安装顶座52，所述梯形丝杆51的上端与所述升降驱动结构4的输出轴连接，所述升降驱动结构4用于驱动所述梯形丝杆51的自转，所述梯形丝杆51的自转用于带动所述升降滑块54沿所述梯形丝杆51的高度方向移动；所述滚动轴承组件包括底座滚动轴承和顶座滚动轴承，所述底座滚动轴承安装在所述丝杆安装底座53中，所述顶座滚动轴承安装在所述丝杆安装顶座52中；所述升降滑块54的安装面固定安装所述换能器夹持机构6，所述升降滑块54上设有升降通孔，所述升降通孔用于穿设所述梯形丝杆51。在该升降机构5中，升降滑板54沿梯形丝杠51直线导轨运动，精度高、运行平稳同时承受负载能力强。

进一步的说明，所述位移传感器机构8包括位移传感器81、位移传感器安装座82和位移传感器读头83，所述位移传感器81沿所述主机架2的高度方向延伸设置，所述位移传感器安装座82与所述第一传动模组61固定连接，所述位移传感器安装座82上安装有所述位移传感器读头83。

更进一步的说明，所述载体装置还包括工作台体10，所述工作台体10包括上工作台101和下工作台102，所述上工作台101和下工作台102呈相互平行设置；所述底座1安装于所述上工作台101的上端面，所述底座1与所述上工作台101均设有相对应的所述安装通孔100；

所述上级测量承载体20为框体结构，所述框体结构的下端四周向外延伸形成密封部201，所述密封部201的密封面与所述上工作台101贴合；所述下级测量承载体30为中空状的管体，所述下级测量承载体30与所述上工作台101的结合处设有密封圈，所述下级测量承载体30的上端开口与所述安装通孔100连通，所述下级测量承载体30的下端形成封闭。

本实施例中上工作台101和下级测量承载体30接合处有密封圈以防止水泄露，且工作台体的设计方便更换上级测量承载体20和连接安装下级测量承载体30。两级测量承载体的设计可有效增大可测样品的长度范围，对于水中测量和空中测量两种方式的切换，只需将上级测量承载体拆卸即可实现，并且仍然满足大尺寸样品的测量。除此以外，如若只采用一级承载体设计，测量水槽需要设计的非常大(高)，同时测量装置也需要设计的非常大(高)，会显著的提高加工成本。再者，大(高)尺寸的测量水槽的装拆需要耗费大量人力，并且对样品的放置也极其不便。

更进一步的说明，所述上级测量承载体20的长a为0.6-1m，宽b为0.6-1m，高度H0依据所述样品管的高度设定；所述下级测量承载体30的高度H1为0.5-1.5m，直径φ为0.3-1m。在本实施例中下级测量承载体30的高度为1m，直径为0.3m；对于标准测量长度2m的样品管，上级测量承载体20标准尺寸长宽高对应为0.8×0.6×1.5m；如果测量更长的样品管3，可以增加上级测量承载体20的高度，使得上级测量承载体20和下级测量承载体30的总高度大于待测量的样品管3至少0.5m，保证样品管3完全浸入水中。需注意的是增加上级测量承载体20的高度时，不改变其他结构，但对于放入其中的测量装置需要增加底座高度，使得测量装置高度高于样品管，并且保证升降驱动结构4露在上级测量承载体之外。

更进一步的说明，所述样品管3内设有储存空腔，所述储存空腔用于储存待测的海底采集样品；所述样品管3的底部连接有垫高管31，且所述垫高管31的长度L大于等于所述声学换能器模组9的顶端与所述底座1的距离高度H。在进行具体测量时，由于换能器组的移动距离会受到底座1上的样品管夹持机构7的影响，因此存在底段部分样品无法完全测量，如图8所示。声学换能器模组9的顶端与底座1的距离高度H为无法完全测量长度，当换能器组运动至接触到V型块72时不可再继续运动。声学换能器模组9从上到下每组换能器组所测层面对应位置为I、II、III和IV。位置I四组频率均可测，位置II可测下三组，位置III可测下两组，位置IV仅可测一组。为解决此问题，在样品管3的底部通过胶粘剂和粘接接头连接一段长度L大于无法完全测量长度的垫高管31，增加整个样品管3的可测范围，间接使得所有样品管3都在测量范围内。本实施例中垫高管31优选为PVC管。

更进一步的说明，所述换能器夹持机构6还包括第一传动模组61、两组第一连接架62、两组换能器安装架63和轴夹组，所述第一传动模组61可移动地连接于所述升降机构5，所述第一传动模组61的两活动端分别通过所述第一连接架62连接所述换能器安装架63，所述换能器安装架63上分别固定连接所述轴夹组；所述升降机构5用于驱动所述第一传动模组61的上下移动，所述第一传动模组61的上下移动带动所述声学换能器模组9沿所述升降机构5的高度方向活动；所述第一传动模组61用于驱动任一所述第一连接架62的左右移动，所述第一连接架62的左右移动带动两组所述声学换能器模组9之间的靠近或远离的张合运动，使得所述轴夹组可调节地夹持所述声学换能器模组9。换能器夹持机构6通过竖直设置的升降机构5的导向作用保证了换能器夹持机构6的垂直度要求，能够将样品管3内的海底采集样品进行竖直方向上进行分层测量。进一步的说明，所述轴夹组由若干个轴夹64一字排列组成，所述轴夹组对称分布于所述第一传动模组61的两侧。

更进一步的说明，所述样品管夹持机构7包括第二传动模组71、两组V型块72、两组第二连接架73、防水驱动机构74和上定位夹具75，所述第二传动模组61与所述主机架2呈垂直设置，所述防水驱动机构74设置在所述第二传动模组71的一端，两组所述第二连接架73的一端分别安装于所述第二传动模组71的活动端，所述第二连接架73的另一端分别连接所述V型块72，所述V型块72设有用于夹持所述样品管3的夹持面，所述上定位夹具75固定在所述主机架2上，所述上定位夹具75的两侧设有倒钩751；当外力作用于所述第二连接架73使所述第二连接架73发生移动时，两组所述V型块72之间进行靠近或远离的张合运动，其中，外力作用包括所述第二传动模组71的手动驱动外力和/或所述防水驱动机构74的自动驱动外力。

本实施例中样品管夹持机构7可以满足在水中操作和在空气中测量,对样品管3夹持或松开的需求，具体为防水驱动机构74驱动第二传动模组71的自动操作实现在水中自动夹紧和松开样品；或者是通过第二传动模组71采用手动操作或者是采用上述的自动操作在空气中测量时夹紧和松开样品。本实施例中还包括上定位夹具75，上定位夹具75通过螺栓固定在主机架2上，当测量长尺寸样品时可用皮带或者绳子配合上定位夹具75的倒钩751，以此来避免样品管3的倾倒；此外V型块72的设计可以满足直径在75mm-110mm之间的样品管3的夹紧要求。

进一步的说明，在本实施例中，所述第二传动模组71和所述防水驱动机构74通过所述磁性联轴器连接；所述第一传动模组61和所述第二传动模组71均包括安装板611、挡块612、正反丝梯形丝杠613、滑块614和手轮615，所述安装板611的两端均固定安装有所述挡块612，所述正反丝梯形丝杠613沿所述安装板611的长度方向设置在所述挡块之间，所述正反丝梯形丝杠613设有丝杠螺纹，所述丝杠螺纹的旋向以所述正反丝梯形丝杠的中心呈对称相反，旋向相反的所述丝杠螺纹上分别连接有所述滑块614，所述正反丝梯形丝杠613的自转用于带动两个所述滑块614沿所述正反丝梯形丝杠613进行靠近或远离的张合运动，且所述手轮615与所述正反丝梯形丝杠613传动连接。

更进一步的说明，所述声学换能器模组9和所述样品管3的轴线严格对中。通过第一传动模组61和第二传动模组71确保正反丝梯形丝杠613上两边的滑块614同时运动相同距离，依次保证声学换能器模组9以及V型块组72的中轴线一致，具体如图6所示。

更进一步的说明，所述声学换能器模组9包括若干换能器组，任一所述换能器组包括发射换能器91和接收换能器92，任一所述发射换能器91的发射频率不同，任一所述发射换能器91内安装有电子开关，所述声学测量仪通过所述电子开关控制所述发射换能器91的开关，若干所述发射换能器91通过任一所述轴夹组安装于所述换能器夹持机构6的一端，若干所述接收换能器92通过另一所述轴夹组安装于所述换能器夹持机构6的另一端，所述发射换能器91的发射端和所述接收换能器92的接收端呈相对设置。

本发明测量装置包括可兼容多种频率的换能器组，基本满足了沉积物声学特性测量所需频率要求，操作者能够一次性装夹多对发射换能器91和接收换能器92，只需在每次测量时通过声学测量仪切换至对应频率的发射换能器91和接收换能器92即可。

根据上述所述的一种自动声学分层测量系统的测量方法，包括以下测量步骤：步骤A1：将装有待测量样品的样品管插入下级测量承载体，调节样品管夹持机构7将样品管进行固定，将不同频率的发射换能器91和接收换能器92固定安装在换能器夹持机构6上，调节换能器组与样品管的反应距离，并且将其连接在声学测量仪上；

步骤A2：根据待测量的样品管3的目标位置，上位机通过升降驱动结构4的驱动器，指示电机驱使换能器夹持机构6移动到指定位置，在到达指定位置后激发单个频率的换能器组的电子开关进行测量，并向声学测量仪反馈并保存声学测量数据，依次对样品管3在上级测量承载体的的不同位置进行测量；

步骤A3：完成单个频率的换能器组测量后，切换另一频率的换能器组的电子开关，重复步骤A2，直至完成所有设定频率的换能器组完成样品管在上级测量承载体的部分测量；

步骤A4：通过手动操作或自动操作松开换能器夹持机构6，人工抽出样品管，将安装通孔100进行覆盖，将样品管的底部通过换能器夹持机构6固定在安装通孔100覆盖面上，重复步骤A2-A3，直至完成所有设定频率的换能器组完成样品管上所有分层的测量；

步骤A5：完成样品管3各层的测量后对声学测量数据进行数据分析。

更进一步的说明，数据分析包括以下计算公式：

计算水样品的水声速：C_w＝1557-0.0245(74-T)²；

计算换能器的声延时为：

计算沉积物的声速：

计算沉积物声衰减为：

其中，其中T为待测样品的温度，单位℃；d为测量的样品管内径，单位m；t₁为样品管中装有水时声学测量仪测得的声时，单位A；t₂为样品管中装有沉积物时测得的声时，单位A；C_w为水声速，单位m/s；α_p为沉积物的声衰减系数，单位dB/m；e_w、e_s分别表示同一通道采集的水和沉积物的接收电压，单位v，e_w/e_s为可视为水和沉积物的能量比。

步骤A1中的待测样品包括水样品和沉积物样品，无论是在空气中还是在水中测量，都需要先采用水作为标定样品，即在测量样品前，需要对样品管封装一定的水，或者直接采用等直径管装水进行测量，并且通过声学测量仪获取声学测量数据包括各频率的换能器组测得的数据、水的盐度和温度，再由上位机计算获得波形图。对于多管采样类似的样品管，已经采集封存了一定的海底底层水，因此可以直接测量封存的海底底层水进行标定；对于重力柱状采样样品，可以在顶部空管预留10cm加入水进行测量标定，也可以直接采用相同的空管在相同的环境条件下进行测量标定。

步骤A1中的调节换能器组与样品管的反应距离，以在水中测量为例，安放换能器组之间的间距为D，样品管3的内径为d，样品管3的管壁厚度为δ，其中D＞d+2δ，保证换能器组和样品管3之间保持一定的间距，以水作为耦合剂传播声波；将管壁和管外的水等效看作换能器的内部构造，如图10所示。

具体的以水做样品时声波旅行时间为t1，以沉积物为样品时声波旅行时间为t2，水实验环境温度为T，其中t1和t2的数值分别通过声学测量仪获取的数据产生的波形图的第一个起跳点所读取，T的数值通过声学测量仪直接读取，由此测得水声速Cw，换能器的声延时t0、沉积物的声速Cp和沉积物声衰减ap。

在空气中测量时，则需要额外增加耦合剂如黄油或者凡士林，涂抹于换能器和样品管接触处，此时换能器组之间的间距D＝d+2δ，保证换能器和样品管之间完全贴近，以耦合剂排除空气传播声波，其声速和声衰减系统计算方法同上。

步骤A4中将安装通孔100进行覆盖，在本实施例中采用端盖盖住安装通孔100，并且端盖上有手环，若在水中测量则采用带勾的棍子勾住手环，将端盖慢慢放下去，以实现将安装通孔100进行覆盖。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种自动声学分层测量系统，其特征在于：包括测量装置、载体装置、声学测量仪和上位机；

所述测量装置包括底座、主机架和样品管，所述主机架垂直架设于所述底座的安装面，所述主机架上设有升降驱动结构、升降机构、换能器夹持机构、样品管夹持机构和位移传感器机构，所述升降驱动结构设置在所述主机架的顶端，所述升降机构与所述主机架平齐架设于所述底座的安装面，所述换能器夹持机构安装于所述升降机构，所述样品管夹持机构安装于所述主机架的底端；

所述升降驱动结构用于驱动所述升降机构沿所述主机架的高度方向移动，且带动所述换能器夹持机构同步移动，所述换能器夹持机构用于夹持声学换能器模组，所述样品管夹持机构用于夹持所述样品管，所述样品管用于装纳待测样品，所述声学测量仪用于控制所述声学换能器模组发射声波并获得相关数据，所述上位机用于控制所述升降驱动结构和读取相关数据，所述位移传感器机构用于反馈所述换能器夹持机构的位移情况；

所述载体装置包括上级测量承载体和下级测量承载体，所述上级测量承载体和下级测量承载体之间设有安装通孔进行连通，所述安装通孔用于供所述样品管穿设，所述上级测量承载体和下级测量承载体用于围合封闭所述测量装置形成蓄水腔，所述蓄水腔用于为所述测量装置提供水介质测量环境，所述下级测量承载体的底部设有排水阀。

2.根据权利要求1所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述载体装置还包括工作台体，所述工作台体包括上工作台和下工作台，所述上工作台和下工作台呈相互平行设置；

所述底座安装于所述上工作台的上端面，所述底座与所述上工作台均设有相对应的所述安装通孔；

所述上级测量承载体为框体结构，所述框体结构的下端四周向外延伸形成密封部，所述密封部的密封面与所述上工作台贴合；

所述下级测量承载体为中空状的管体，所述下级测量承载体与所述上工作台的结合处设有密封圈，所述下级测量承载体的上端开口与所述安装通孔连通，所述下级测量承载体的下端形成封闭。

3.根据权利要求2所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述上级测量承载体的长为0.6-1m，宽为0.6-1m，高度H₀依据所述样品管的高度设定；

所述下级测量承载体的高度H1为0.5-1.5m，直径为0.3-1m。

4.根据权利要求3所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述样品管内设有储存空腔，所述储存空腔用于储存待测的海底采集样品；所述样品管的底部连接有垫高管，且所述垫高管的长度大于等于所述声学换能器模组的顶端与所述底座的距离高度。

5.根据权利要求1所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述换能器夹持机构还包括第一传动模组、两组第一连接架、两组换能器安装架和轴夹组，所述第一传动模组可移动地连接于所述升降机构，所述第一传动模组与所述主机架呈垂直设置，所述第一传动模组包括两个活动端，所述两个活动端分别通过所述第一连接架连接所述换能器安装架，所述换能器安装架上分别固定连接所述轴夹组，所述轴夹组用于夹持所述声学换能器模组；

所述升降机构用于驱动所述第一传动模组的上下移动，所述第一传动模组的上下移动带动所述声学换能器模组沿所述升降机构的高度方向活动；

所述第一传动模组用于驱动任一所述第一连接架的左右移动，所述第一连接架的左右移动带动两组所述声学换能器模组之间的靠近或远离的张合运动，使得所述轴夹组可调节地夹持所述声学换能器模组。

6.根据权利要求1所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述样品管夹持机构包括第二传动模组、两组V型块、两组第二连接架、防水驱动机构和上定位夹具，所述第二传动模组与所述主机架呈垂直设置，所述防水驱动机构设置在所述第二传动模组的一端，两组所述第二连接架的一端分别安装于所述第二传动模组的活动端，所述第二连接架的另一端分别连接所述V型块，所述V型块设有用于夹持所述样品管的夹持面，所述上定位夹具固定在所述主机架上，所述上定位夹具的两侧设有倒钩；

当外力作用于所述第二连接架使所述第二连接架发生移动时，两组所述V型块之间进行靠近或远离的张合运动，其中，外力作用包括所述第二传动模组的手动驱动外力和/或所述防水驱动机构的自动驱动外力。

7.根据权利要求1所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述声学换能器模组和所述样品管的轴线严格对中。

8.根据权利要求1所述的一种自动声学分层测量系统，其特征在于，所述声学换能器模组包括若干换能器组，任一所述换能器组包括发射换能器和接收换能器，任一所述发射换能器的发射频率不同，任一所述发射换能器内安装有电子开关，所述声学测量仪通过所述电子开关控制所述发射换能器的开关，若干所述发射换能器通过任一所述轴夹组安装于所述换能器夹持机构的一端，若干所述接收换能器通过另一所述轴夹组安装于所述换能器夹持机构的另一端，所述发射换能器的发射端和所述接收换能器的接收端呈相对设置。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种自动声学分层测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下测量步骤：

步骤A1：将装有待测量样品的样品管插入下级测量承载体，调节样品管夹持机构将样品管进行固定，将不同频率的发射换能器和接收换能器固定安装在换能器夹持机构上，调节换能器组与样品管的反应距离，并且将换能器组连接于声学测量仪；

步骤A2：根据样品管的目标位置，上位机通过升降驱动结构的驱动器，指示升降驱动结构驱使换能器夹持机构移动到指定位置，在到达指定位置后激发单个频率的换能器组的电子开关进行测量，并向声学测量仪反馈并保存声学测量数据，依次对样品管在上级测量承载体的不同位置进行测量；

步骤A3：完成单个频率的换能器组测量后，切换另一频率的换能器组的电子开关，重复步骤A2，直至完成所有设定频率的换能器组完成样品管在上级测量承载体的部分测量；

步骤A4：通过手动操作或自动操作松开换能器夹持机构，人工抽出样品管，将安装通孔进行覆盖，将样品管的底部通过换能器夹持机构固定在安装通孔覆盖面上，重复步骤A2-A3，直至完成所有设定频率的换能器组完成样品管上所有分层的测量；

步骤A5：完成样品管各层的测量后对声学测量数据进行数据分析。

10.根据权利要求9所述的一种自动声学分层测量系统的测量方法，其特征在于，数据分析包括以下计算公式：

计算水样品的水声速：

C_w＝1557-0.0245(74-T)²；

计算换能器的声延时为：

计算沉积物的声速：

计算沉积物声衰减为：

其中T为待测样品的温度，单位℃；d为测量的样品管内径，单位m；t₁为样品管中装有水时声学测量仪测得的声时，单位A；t₂为样品管中装有沉积物时测得的声时，单位A；C_w为水声速，单位m/s；α_p为沉积物的声衰减系数，单位dB/m；e_w、e_s分别表示同一通道采集的水和沉积物的接收电压，单位v，e_w/e_s为可视为水和沉积物的能量比。

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