CN116559290B - 一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，包括单极子发射换能器、偶极子发射换能器、接收换能器、PVC套管、第一同轴电缆、发射激励盒、数据采集卡机箱、上位机和第二同轴电缆。第一同轴电缆穿过PVC套管，其始端接单极子发射换能器，另一端接发射激励盒，再将发射激励盒与上位机相连。第二同轴电缆穿过PVC套管，其始端接接收换能器，另一端接数据采集卡机箱，再将数据采集卡机箱与上位机相连。本发明整体采取模块化设计，测量杆为松散连接结构，在测试过程中可更改发射换能器类型、调节源距、调整接收换能器的数量和间距，以达到预期测量范围和分辨率等指标。
Description
技术领域
本发明属于海底声学原位测试领域，特别涉及海底沉积物工程性质评价与参数的获取，具体涉及一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置。
背景技术
目前的海底探测主要依赖于声学探测技术，因为声波在海水中的传播距离远大于可见光和电磁波。海底沉积物是水下声场的重要边界，沉积物的声学特性和空间结构分布关联着所有海洋声学探测研究，因此常作为海洋声学探测的重要研究对象。沉积物的声学特性数据可以用于海底沉积物地声模型的构建，有助于提高海底沉积物特性反演的精度与效率，为解释海洋声学传播规律提供宝贵资料；此外沉积物声学特性还是人工地震勘探研究的重要初始条件和边界条件；当潜艇下潜触底时，声速和声衰减还可以为其提供沉积物软硬度资料。近年来我国海洋工程的体量也越来越大，越是大型的工程越需要更高精度、更大范围、更多要素综合的地质勘察。海洋工程基础结构设计对沉积物强度、稳定性等指标要求很高，声速可以反映沉积物土体小应变刚度特征，为工程设计提供重要参数；对范围目标体的探测还可以判断浅层气不良地质，为海洋工程选址提供关键依据，避免因浅层气喷发带来的工程灾害。如今，海底沉积物声学特性越来越成为海底资源勘探与开发、水下声通讯、海洋地球物理探测、海洋减灾防灾等领域的研究重点。
当前存在两种通用的声学技术，可以通过这些技术研究海洋沉积物的声波特性：实验室测量和原位测量。采用实验室测量，需到海底将沉积物样品采集回来，利用实验室装置进行声学特性测量，而过程中样本的收集、运输、存储和检测会引入难以量化的干扰，并且由于样本大小的限制，只能进行高频测量（>200kHz）；采用原位声学测量，能够有效地减少测量过程中温度与压力的变化、微生物活动和水分流失的影响，使得测量准确度大大提高，此外原位测量频率等方面受到的限制更小，因此原位测量技术是海底沉积物声学特性测量的重要组成部分。
目前海内外研发的海底沉积声学原位测量系统只能测量声速及声衰减，并且测量范围非常有限，降低了海底沉积物的测量效率。而在陆地声波测井领域，已经有了很多有效的测井技术被开发出来，可获取沉积物中目标体的方位、结构形状等信息，因此考虑将声波测井领域的技术应用到海底沉积物声学探测当中，使每一次测量所获取的信息量大大增加。
目前我国尚未有可借鉴的分析实验或仪器证明将上述声波测井技术用于海上沉积领域是可行并有效的。因此研发可测量海底沉积物结构体声学特性的原位探测技术设备在我国海底沉积物声学特性研究和相关应用方面有很大空间，建立一个研究实验模型装置，对该技术方法的功能和效果进行探究，也具有重要的意义和价值。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种可在实验室进行测试，结构可调、操作方便、结果准确可靠的小尺度海底沉积原位声学测量实验装置。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，该装置包括底座、单极子发射换能器、偶极子发射换能器、接收换能器、连接杆、PVC套管、第一同轴电缆、发射激励盒、水槽、数据采集卡机箱、上位机和第二同轴电缆；
第一同轴电缆穿过PVC套管，其始端接单极子发射换能器和/或偶极子发射换能器，另一端接发射激励盒，发射激励盒与上位机相连；第二同轴电缆穿过PVC套管，其始端接接收换能器，另一端接数据采集卡机箱，数据采集卡机箱与上位机相连；
所述底座上具有连接杆，单极子发射换能器和/或偶极子发射换能器，以及接收换能器均套在连接杆上，组成探测装置，贯入水槽内的沉积物中；所述连接杆上设有通孔，用于调节单极子发射换能器或偶极子发射换能器和接收换能器之间的距离。
进一步地，所述的单极子发射换能器为1个晶体圆管，工作频率由实验水槽尺寸、拟探测目标大小和最小分辨率而定。
进一步地，所述的偶极子发射换能器为4片矩形的偶极发射片，分为2个方向，2个方向相互正交。
进一步地，所述的接收换能器有4组，每组包含4片矩形的接收片，分为2个方向，2个方向相互正交。
进一步地，所述单极子发射换能器上下设有晶体压盘，通过主体连接件将单极子发射换能器和晶体压盘组装起来。
进一步地，所述偶极子发射换能器外围设有偶极发射骨架；所述接收换能器外围设有接收骨架。
进一步地，连接杆上安装单极子发射换能器，通过发射激励盒控制单极子发射换能器激发纵波，经沉积物传播并反射回来的声波被接收换能器接收，数据存储到上位机中。
进一步地，连接杆上安装偶极子发射换能器，通过发射激励盒控制偶极子发射换能器激发横波，经沉积物传播并反射回来的声波被接收换能器接收，数据存储到上位机中。
进一步地，所述的数据采集卡机箱内含有接收电路，控制声波信号的接收。
进一步地，所述的上位机含有USB接口，与数据采集卡机箱和发射激励盒相连接，设置发射和接收参数，并将采集到的声波数据以波形的形式显示，计算得到声速、声衰减以及沉积物中结构体的方位和形状。
本发明的有益效果：本发明提供的小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，证明了将声波远探测技术用于海上工程领域是可行并有效的。本发明有益效果具体如下：
1. 本发明将声波远探测技术用于海上工程领域，延长了对海底沉积物的水平和垂直方向的探测距离，可供观察地层的变化。
2. 本发明中单极子发射换能器、偶极子发射换能器和接收换能器安装在一根测量杆上，收发一体结构更加简便，易操作，可获取沉积物目标体方位和形状等可靠信息。
3.本发明可调节、易操作，可以在实验室对技术可行性进行分析验证，为海上测量打下基础，并对产品的产业化具有重要意义。
4.本发明提供的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置整体采取模块化设计，测量装置为松散连接结构，在测试过程中可更改发射换能器类型、调节源距、调整接收换能器的数量和间距，以达到预期测量范围和分辨率等指标。该系统总体尺寸较小，操作方便、容易携带、测量结果准确度高，为海底沉积物声学原位远探测实践提供实验室测试基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置的结构示意图。
图2为单极子发射换能器的结构示意图。
图3为偶极子发射换能器的结构示意图。
图4为接收换能器的结构示意图。
图5为连接杆的结构示意图。
图中：1－底座，2－主体连接件，3－单极子发射换能器，4－晶体压盘、5－偶极发射骨架，6－偶极子发射换能器，7－接收骨架，8－接收换能器，9－连接杆，10－通孔，11－PVC套管，12-第一同轴电缆，13-发射激励盒，14-水槽，15-数据采集卡机箱，16-接收电路，17-上位机，18-第二同轴电缆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置作出进一步说明。
本发明的小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，见图1，包括底座1、主体连接件2、单极子发射换能器3、晶体压盘4、偶极发射骨架5、偶极子发射换能器6、接收骨架7、接收换能器8、连接杆9、通孔10、PVC套管11、第一同轴电缆12、发射激励盒13、水槽14、数据采集卡机箱15、接收电路16、上位机17和第二同轴电缆18。
第一同轴电缆12穿过PVC套管11，其始端接单极子发射换能器3，再接发射激励盒13，再将发射激励盒13与上位机17相连；第二同轴电缆18穿过PVC套管11，其始端接接收换能器8，另一端接数据采集卡机箱15，再将数据采集卡机箱15与上位机17相连；其中，所述底座1上具有连接杆9，单极子发射换能器3和/或偶极子发射换能器6，以及接收换能器8均套在连接杆9上，组成探测装置，贯入水槽14内的沉积物中；所述连接杆9上设有通孔10，用于调节单极子发射换能器3或偶极子发射换能器6和接收换能器8之间的距离，即源距。所述偶极子发射换能器6外围设有偶极发射骨架5；所述接收换能器8外围设有接收骨架7。
本发明的实验数据测量过程如下：
（1）首先在连接杆9上间隔适当距离放置单极子发射换能器3和接收换能器8，外部套上PVC套管11，将它们（探测装置）一同贯入水槽14内的沉积物中，通过发射激励盒13控制单极子发射换能器3激发纵波，经沉积物传播并反射回来的声波被接收换能器8接收，数据存储到上位机17中；
（2）完成测量后，探测装置暂停工作，从沉积物中取出，摘下PVC套管11，将单极子发射换能器3换成偶极子发射换能器6，再次套上PVC套管11，贯入水槽14内的沉积物中，通过发射激励盒13控制偶极子发射换能器6激发横波，经沉积物传播并反射回来的声波被接收换能器8接收，数据存储到上位机17中，观察采集到的数据的变化；
（3）完成测量后，探测装置暂停工作，从沉积物中取出，摘下PVC套管11，调节单极子发射换能器3或偶极子发射换能器6和接收换能器8之间的距离（即源距），再次套上PVC套管11，重复步骤（1），观察采集到的数据的变化；
（4）完成测量后，探测装置暂停工作，从沉积物中取出，摘下PVC套管11，改变换能器8的数量或间距，再次套上PVC套管11，重复步骤（1），观察采集到的数据的变化。
步骤（1）和步骤（2）中，连接杆9也可以同时安装单极子发射换能器3和偶极子发射换能器6，但是进行采集工作时，通过发射激励盒13单独控制单极子发射换能器3或者偶极子发射换能器6激发纵波或横波。
本发明中，单极子发射换能器3为1个晶体圆管，上下设有晶体压盘4，外径35mm，内径25mm，高20mm。单极子发射换能器3和晶体压盘4通过主体连接件2进行组装；
本发明中，偶极子发射换能器6为矩形片，长77.2mm，宽16mm，厚10mm。分为2个方向，2个方向相互正交，一共含4片偶极发射片。
本发明中，接收换能器8为矩形片，长20mm，宽17.5mm，厚5.6mm。一共4组，分为2个方向，2个方向相互正交，每组含4片偶极发射片，总共含16片偶极发射片。
本发明中，连接杆9上设有65个通孔10，呈等距垂向排列，用以调节单极子发射换能器3、偶极子发射换能器6、接收换能器8的位置。
本发明中，PVC套管11声透性好，可将底座1、单极子发射换能器3、偶极子发射换能器6、接收换能器8、连接杆9罩在内部，使得在测试过程中可调节发射换能器类型、源距及接收换能器数量和间距。
本发明中，发射激励盒13与上位机17通过USB直连，通过串口发送序列配置及激励，包含 2个通道，分别可独立关断，兼顾单极、偶极激励。
本发明中，发射激励盒13箱体采用19英寸机箱结构，内部放置USB航空插头、ACDC模块、USB转485模块、TX数字板、HV高压驱动板（2kV储能电容40支）、1.5kV高压电源模块、隔离变压器模块和J63A连接器（插头+插座一套），兼顾单极、偶极激励，激励频率为1.0kHz至30kHz连续可调。
本发明中，数据采集卡机箱15内含有接收电路16，控制声波信号的接收。
本发明中，上位机17含有USB接口，可以与数据采集卡机箱15和发射激励盒13相连接，设置发射和接收参数，并对采集到的数据进行处理，将波形进行显示，计算得到声速、声衰减以及沉积物中结构体的方位和形状。
本发明中，根据声波传播范围和分辨率要求，利用声波的衰减规律和分辨率公式，结合换能器的结构和性能参数，求解出最适合的换能器工作频率值。
纵向分辨率应满足最小目标体探测需求，其可以用下面的公式近似计算：
Ra=N×λ/2
其中Ra是纵向分辨率，N是发射脉冲的周期数，λ是声波的波长。再由f=v/λ计算工作频率。
为了减少水槽壁的反射波干扰，声波传播范围应小于水槽尺寸（或者用消声材料消声），其计算公式是：
R=A/α
其中，R是声波传播范围，A是声波振幅，α是声波在介质中的衰减系数。
衰减系数与声波频率的关系式是：
α=α0×fn
其中，α0是衰减系数的参考值，f是声波频率，n是衰减指数。
本发明在使用时，在连接杆9上间隔适当距离放置单极子发射换能器3和/或偶极子发射换能器6、接收换能器8，外部套上PVC套管11，将它们（探测装置）一同贯入水槽14内的沉积物土体中，单极子发射换能器3向沉积物中发射声波，声脉冲由PVC套管11内的流体折射进入沉积物时，使周围产生轻微的膨胀，在硬沉积物中产生滑行纵波和滑行横波，并由接收换能器8接收。若沉积物较软则无法测出横波首波。利用通孔10合理调节源距，使滑行纵波传播时间小于一次反射波和直达波，通过接收换能器8的间距、接收声波的时间差和接收到的声波能量可算出声速和声衰减。记沉积物平均纵波声速v，声衰减系数r，两接收换能器8的间距为l，接收到的声波能量分别为e1和e2，接收声波的时间差Δt，声速v如下：
v=l/Δt
声衰减系数r如下：
r=(e1-e2)/e1
偶极子发射换能器6直接激发以横波速度为界限值的弯曲波或扭转波，在沉积物中传播并由接收换能器8接收由沉积物中目标体反射回来的声波。由于频率较低，该方法有较远的横向探测距离。此外，由于偶极子声源的指向性具有方向性，采用四分量的偶极发射和接收，可同时确定反射体的位置、方位和形状。
偶极声源激发SV和SH 波，反射回探杆上分别被x和y方向的接收器接收，在同向和交叉方向采集波形可以得到四分量偶极数据(xx、xy、yx、yy)：
把四个接收分量组合起来可以得到SH 和SV波：
其中，为x向声源的指向与反射体走向的夹角；由四分量数据确定来自沉积物中地质反射体的SH和SV反射波，并由反射波确定反射体的位置、方位和形状。
使用过程中，PVC套管11将探测装置（连接杆9、单极子发射换能器3、偶极子发射换能器6、接收换能器8）罩在内部，使其与外部沉积物隔开，完成一次测量后，探测装置暂停工作，从沉积物中取出，摘下PVC套管11，调节发射换能器类型、源距或者接收换能器8数量和间距，调节完成后再将其放入实验环境中进行测量，实现不同的测量范围和分辨率，多次实验可获得不同的数据。采集到的声波数据以波形的形式显示在上位机上，计算分析得到声速、声衰减以及沉积物中结构体的方位和形状，可指导实际海底沉积物勘测设备的设计和数据解释。
本发明整体采取模块化设计，测量杆为松散连接结构，在测试过程中可更改发射换能器类型、调节源距、调整接收换能器的数量和间距，以达到预期测量范围和分辨率等指标。该系统总体尺寸较小，操作方便、容易携带、测量结果准确度高，为海底沉积物声学原位探测实践提供实验室测试基础。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：该装置包括底座(1)、单极子发射换能器(3)、偶极子发射换能器(6)、接收换能器(8)、连接杆(9)、PVC套管(11)、第一同轴电缆(12)、发射激励盒(13)、水槽(14)、数据采集卡机箱(15)、上位机(17)和第二同轴电缆(18)；
第一同轴电缆(12)穿过PVC套管(11)，其始端接单极子发射换能器(3)和/或偶极子发射换能器(6)，另一端接发射激励盒(13)，发射激励盒(13)与上位机(17)相连；第二同轴电缆(18)穿过PVC套管(11)，其始端接接收换能器(8)，另一端接数据采集卡机箱(15)，数据采集卡机箱(15)与上位机(17)相连；
所述的偶极子发射换能器(6)为4片矩形的偶极发射片，分为2个方向，2个方向相互正交；所述的接收换能器(8)有4组，每组包含4片矩形的接收片，分为2个方向，2个方向相互正交；
所述底座(1)上具有连接杆(9)，单极子发射换能器(3)和/或偶极子发射换能器(6)，以及接收换能器(8)均套在连接杆(9)上，组成探测装置，贯入水槽(14)内的沉积物中；所述连接杆(9)上设有呈等距垂向排列的多个通孔(10)，用于调节单极子发射换能器(3)或偶极子发射换能器(6)和接收换能器(8)之间的距离，能够在测试过程中可调节发射换能器类型、源距及接收换能器数量和间距，调节完成后再将其放入实验环境中进行测量，实现不同的测量范围和分辨率，多次实验可获得不同的数据；具体过程为：单极子发射换能器(3)向沉积物中发射声波，声脉冲由PVC套管(11)内的流体折射进入沉积物时，使周围产生轻微的膨胀，在硬沉积物中产生滑行纵波和滑行横波，并由接收换能器(8)接收；若沉积物较软则无法测出横波首波；利用通孔(10)合理调节源距，使滑行纵波传播时间小于一次反射波和直达波，通过接收换能器(8)的间距、接收声波的时间差和接收到的声波能量可算出声速和声衰减。
2.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：所述的单极子发射换能器(3)为1个晶体圆管，工作频率由实验水槽尺寸、拟探测目标大小和最小分辨率而定。
3.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：所述单极子发射换能器(3)上下设有晶体压盘(4)，通过主体连接件(2)将单极子发射换能器(3)和晶体压盘(4)组装起来。
4.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：所述偶极子发射换能器(6)外围设有偶极发射骨架(5)；所述接收换能器(8)外围设有接收骨架(7)。
5.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：连接杆(9)上安装单极子发射换能器(3)，通过发射激励盒(13)控制单极子发射换能器(3)激发纵波，经沉积物传播并反射回来的声波被接收换能器(8)接收，数据存储到上位机(17)中。
6.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：连接杆(9)上安装偶极子发射换能器(6)，通过发射激励盒(13)控制偶极子发射换能器(6)激发横波，经沉积物传播并反射回来的声波被接收换能器(8)接收，数据存储到上位机(17)中。
7.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：所述的数据采集卡机箱(15)内含有接收电路(16)，控制声波信号的接收。
8.根据权利要求1所述的一种小尺度海底沉积原位声学测量实验装置，其特征在于：所述的上位机(17)含有USB接口，与数据采集卡机箱(15)和发射激励盒(13)相连接，设置发射和接收参数，并将采集到的声波数据以波形的形式显示，计算得到声速、声衰减以及沉积物中结构体的方位和形状。
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