关于海底沉积物声特性实验室直接测量方法的探讨

海底沉积物声学特性实验室测量是除原位(in situ)测量之外最直接的沉积物声学特性测量方法。作为一项基础性研究,利用声波参数仪准确测量海底沉积物的声速和声衰减对建立海洋地声学模型具有重要意义。文章针对RS- ST01C型数字超声测试仪在测量过程中所存在的一些问题进行了探讨,对规范海底沉积物声学特性实验室测量方法具有实际意义。     

海底沉积物声学参数相对量测量技术

针对目前海底沉积物声学特性普遍采用的绝对量测量方法的不足,提出了一种通过相对量来测量海底沉积物声学特性的新方法。并基于本测量方法原理设计了以声波探针为传感器、复杂可编程逻辑器件为核心的多通道声信号测量系统。本系统可发射单个、几个和连续的正弦波或脉冲波,且可在小频率范围内进行扫频。既可测量小距离(如一个波长以内)海底沉积物声波参数,又可测量长距离(如100个波长以上)海底沉积物声波参数。用本系统测量了一批海底沉积物样品,通过实验验证了测量系统的有效性。     

海底沉积物声学特征定量分析及其智能分类研究

海底底质特性描述及分类是当今浅海声学的研究热点,海底沉积物的物理结构特性与其声学响应特征密切相关。在分析海底沉积物声传播特性的基础上,应用现代计算机信号分析技术手段,对海底沉积物声学响应波形提取了4个特征参数:声速、波幅指数、波形关联维分形指数和声波频谱的频率矩。以这4个特征参数作为输入向量,海底沉积物的结构类型作为输出向量,建立径向基概率神经网络模型。研究表明建立的神经网络模型具有较强的海底沉积物分类预报能力。     

基于小波变换选择的海底沉积物声速分析技术

海底沉积物物理特性参数的研究对海洋资源开发、海底工程建设、海地测绘、海洋灾害预报、海底历史研究、航运国防等具有重要意义.它可由对出海采样的样品直接进行土工实验获取,或者经测量得到的声学特性参数表征.目前海底沉积物探测主要以声学测量为主,通过接收透射、反射、折射的声波后提取出声学特性而成,包括压缩波速、切变波速(液体不存在)、声波阻抗、声衰减.针对传统的走时法由于人工读取起跳点造成声速的精确度不高这一特点,引出小波分析方法读取起跳点,应用小波分解原始信号得到的细节信号的模极大值连线来确定原始信号的畸变点,从而确定为接收声信号的起跳点以计算声速.     

海底声学原位测试声速提取技术研究

海底沉积物的声学声速特性是沉积物声学中的一个重要的研究方向。正确提取声学原位测量的声速对海底沉积物声学反演至关重要。分析了海底声学原位测试系统的输出子波特性,提出了基于子波提取的互相关双向极值声速提取法。在声速提取过程中,发现某些通道实测声波到达时会出现超出正常范围的异常。分析后认为异常通道的到达波相位出现180°反至现象。通过互相关数值的负极小值提取的声波到达时对互相关正极大值所获得的到达时曲线进行校正后提取声速,得到了正确的结果,说明了本方法的正确性。     

菲律宾海深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系

为研究深海海底沉积物声学特性与物理性质相关关系,于2016年11月在实验室对水深3164～5 592 m的菲律宾海深海海底沉积物柱状样品的声学特性进行测量,获取了沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数等声学特性参数。结合沉积物的孔隙度和密度等物理性质参数,分析了海底沉积物声速、声速比、声阻抗、声阻抗指数与孔隙度、密度的相关关系,建立了该海域海底沉积物声学特性回归方程。研究结果表明:研究区深海数据与浅海回归方程符合度较差,与深海回归方程符合度较好;Hamilton校正方法有助于修正实验室测量引起的温度和压力误差,声速比与Hamilton方程符合度比声速好;声阻抗和声阻抗指数与物理性质参数的相关性优于声速和声速比。此外,研究认为由于海底沉积物的沉积环境较为复杂,其声学特性回归方程存在差异。由于上述差异的存在,在使用基于不同海域数据建立的回归方程进行海底沉积物声学特性预测时,应加以区别对待。该研究丰富了深海海底沉积物声学数据,对促进深海海底沉积物声学深入研究具有一定的借鉴意义。     

海底表层沉积物声速特性研究进展与探讨

海底表层沉积物具有多相、多颗粒、多形态的组成结构,导致其声学特性复杂多样。通过分析压缩波速度和切变波速度特性的研究现状,指出有待于解决的科学问题和关键技术问题。在分析国内外有关海底沉积层声速特性研究基础上,提出采取系统、可控的实验测量手段解决当前测量存在的4点问题。综合分析了压缩波速度和切变波速度存在的统计回归关系和理论分析关系,探讨了当前地声反演、采样样品声学测量、原位声学测量3种方法存在的测量尺度、测量频率、测量状态等的差异,探讨建立不同测量方法和测量技术对测量结果进行统一性解释的方法,从而获得不同类型、不同区域的海底表层沉积物真实的声速特性。最后,从实验室声学测量、物理力学参数测量、流固耦合特性分析、原位测量及海底监测、采样测量与原位测量的误差分析及校正、海底大纵深声学测量6个方面提出技术需求,为提高声学探测海洋和海底的精度服务,推动海洋声学探测和海洋工程发展。     

浅海沉积声学原位探测系统研制及深海功能拓展

海底沉积物的声速和声衰减系数等声学特性参数是影响水下声场空间结构、水声通讯、水声设备使用性能、海底目标探测的重要因素。介绍了最新研制的浅海海底沉积声学原位测量系统的工作原理、结构组成和性能特点,并对系统在黄海和南海海底沉积物声学特性调查中的应用情况进行了总结。最后,对系统在满足深海应用方面的功能拓展进行了讨论和展望。     

海底沉积物声速测量方法及其比较

归纳了海底沉积物声速特性及声速测量的两大类方法,分析比较了其各自的特点。针对所存在的问题提出了海底沉积物声速实验室仿真测量的思想。对正确运用“703”专项海洋环境调查技术规程中所采用的底质声速计算公式具有指导意义。     

声波在水-多孔介质海底界面上的反射与透射

声波在海底界面的反射和透射是海底散射、海底混响、海底目标探测的重要问题。利用Biot多孔介质声传播理论对声波在水-多孔海底界面上的反射和透射进行了分析,具体给出反射声波的反射系数,3种透射声波的透射系数以及声能透射系数随入射波入射角和频率(10~40 kHz)的变化关系,分析了各种透射波对透射声能的贡献。多孔海底介质参数分别采用Stoll和Chotiros给出的2组参数进行理论计算。     

海底沉积物声速-压力特性测试系统的设计与实验

文中设计基于可编程逻辑控制器(PLC)的测控平台、伺服加压控制、步进推动控制、多传感器测量、触摸屏交互等功能的温压可控声学测量系统,实现海底沉积物样品的孔隙水自动可控加压,通过声学测量功能单元测量海底沉积物在各个压力下的声速,模拟海底沉积物处于大陆坡2 000 m以浅海底表层任何深度变化时的声学特性测量,得到海底沉积物声速-压力特性,为校正实验室测量数据还原到海底原位测量数据提供一种方法。     

可变角度换能器在海底沉积物声学原位测量应用的探讨

海底沉积物的声学测量是海底测深的关键技术之一,应用于海底地形地貌测量、海洋矿产资源开采和海底工程建设等。海底沉积物声学测量方法中的原位测量方法可以避免保真采样法的强扰动性和遥测法的准确度、精度及灵敏度的不确定性等缺点,如何改进原位测量系统渐成为海底探测的研究热点。通过分析现有海底沉积物原位测量设备测试换能器的工作原理,针对垂直压入方式换能器测量深度有限,提出了一种通过改变换能器压入沉积物的角度来增加测量深度的方法。在理论上论证出在不低于换能器接收阈值时,测量深度随着掠射角的增加而增加。在不增加压入深度的前提下提供了一种增加测量深度方法。     

小尺度海底沉积物的声衰减特性研究

为研究小尺度海底沉积物样品的声衰减特性,作者提出了用声学探针测量海底沉积物声波幅值的新方法,对沉积物样品扰动小,两个测量点的距离可小于波长,为海底沉积物微观声衰减测量提供了新手段。作者用小于波长的间隔逐点测量了沉积物的压缩波幅值,数据分析表明沿沉积物柱状样全长的声衰减满足指数衰减模型。目前主要用同轴差距衰减测量法获得海底沉积物声衰减数据,但该方法不能辨识声衰减模型,因此不同海区的测量结果难以建立联系。对此作者又提出用声吸收系数反演的幅值比与声衰减系数反演的R值(两种幅值比的比值)作评价依据,分析了垂直轴差距衰减测量法获得的南海海底沉积物声衰减测量数据,发现部分沉积物样品声衰减的R值远大于1,其声衰减不满足指数衰减模型。在声衰减满足指数衰减模型的条件下,用Hamilton的声衰减和频率经验公式预报的南海沉积物声衰减比与作者用声学探针测量海底沉积物所得的声衰减比对比,通过对R值分析得出Hamilton的声衰减和频率经验公式可以预报南海沉积物声衰减比的范围。作者提出的声学探针测量海底沉积物声衰减的方法的优点是既能获得声衰减数据又能辨识声衰减模型,不同海区测量的沉积物声衰减比可用R值建立联系。     

中国东南近海海底沉积物声学物理性质及其相关关系

在获得的数据资料基础上,发现了中国东南近海海底沉积物声学物理参数的平面分布规律,通过对这些参数的回归分析以及对声速和沉积物密度的估计,建立了经验公式。结果显示,中国东南近海海底沉积物的基本声学物理特性如下:沉积物类型多样而且复杂,从黏土到砂砾有13个颗粒组分组合;沉积物物理力学参数变化范围较大;沉积物声学性质相对于附近海域的数据变化范围更大。这些都与海底沉积环境、沉积物来源、沉积条件和沉积作用过程有关。该项研究有助于建立海底地声模型及开展应用。     

温度对海底沉积物声学特性影响实验研究

温度的变化是影响海底沉积物声学特性非常重要的因素之一。文章采用同轴差距衰减测量法,在不同温度下对海底沉积物声学特性进行测量,实验得出南海海底沉积物随着温度的升高具有以下声学特性:1)沉积物声速变化比较缓慢,上下波动点较明显,但总体趋势接近线性下降;2)衰减幅值随着温度升高一直下降,偶尔有些波动的异常点,声衰减幅值呈现线性下降的趋势;3)声衰减系数变化呈现抛物线趋势,具有强非线性。对于此类沉积物声速特殊情况,还有待从理论和实验方面更深入地研究解释其成因。     

原位测量技术在黄海沉积声学调查中的应用

介绍了最新研制的基于液压驱动贯入的自容式海底沉积声学原位测量系统及其在南黄海中部海底沉积声学调查中的应用。该系统可以实现对海底沉积物声速和声衰减系数进行原位测量,通过液压驱动装置将四根声学探杆匀速贯入到海底沉积物中,减少了对沉积物的扰动,可按照预设的工作参数在海底全自动工作,无需甲板上人员实时控制,采集的声波信号自容式存储于存储单元。系统工作水深为500 m,测量深度为1 m,测量频率为30 kHz,采样频率为10 MHz。使用该系统在南黄海中部获得了40个站位不同类型沉积物的声学特性原位测量数据,并使用CTD剖面仪对该系统声速测量进行了标定,相对误差均小于0.5%,表明该系统测量数据准确、可靠。     

First arrival cycle-based calculation methods of in situ sound speed and attenuation in sediments

The acoustic properties of seafloor sediments are of great importance in geoacoustic modeling, detecting, and oceanic engineering. The methods based on the first arrival cycle are investigated to calculate sound speed and attenuation of sediment more precisely in in situ measurements. The comparison of different data analysis methods based on the first arrival cycle approach for in situ measurement results in the following conclusions: (1) the calculated methods can help find the effective cycles and reduce the errors in calculating sound speed and attenuation; (2) using this approach, the point judgment method-based data analysis has the same effectiveness as the cross-correlation method-based data analysis in calculating group sound speed and has the same effectiveness in calculating attenuation in the time domain as the spectrum analysis method-based data analysis has in calculating attenuation in frequency domain; and (3) measurement in water can help not only calibrate the transmitting distance but also can calculate the time delay for the sound speed and the attenuation loss in the transmitting process. Finally, theoretical calculation was used to calculate the measured results, indicating a good agreement, which supports that first arrival cycle-based calculated methods can be used to analyze the measured data and the effective density fluid model can be used to analyze more acoustic properties and invert several physical properties in this experiment.