基于同轴差距测量法的南海深水海底沉积物声衰减特性研究

通过分析沉积物声波测量过程能量损失的实质，阐述平行轴差距衰减测量法和垂直轴差距衰减测量法的研究基础——差动式衰减测量方法原理，并推导了其衰减系数公式。根据南海沉积物的柱状样品分装的特点，结合以上两种方法，提出了同轴差距衰减测量法，这种方法具有原理上的合理性并且其可操作性强；运用此方法测量了沉积物在常温和温度控制变化条件下的声波信号，计算了衰减系数，研究了温度对沉积物声波传播能量的影响，得出南海深水海底沉积物具有以下声衰减特性：沉积物含砂量高，声衰减系数大；随着温度的升高，沉积物的声衰减系数变化具有不均匀性，整体呈非线性减小趋势。以上研究将为声学遥测和反演海底沉积物的物理力学特性提供数据和方法支持。     

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。     

海底沉积物声衰减研究现状及展望

根据近年来海底沉积物声学物理研究发展的态势,介绍了与研究声衰减有关的海底沉积物样品采集装置和海洋沉积物声速结构模式,综合解析多种对海底沉积物声衰减等声学特性研究方法,并做出较为详细地比较和讨论,提出对海底沉积物声衰减研究在满足科研要求的同时也应符合国家标准和要求。同时,指出了研究海洋沉积物声衰减的必要性和重要性,强调了对海底沉积物声衰减研究的科学意义和应用意义。     

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.     

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。     

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。     

温度变化下海底沉积物声学测量的信号处理和频谱分析

本文针对温度差异对沉积物的声学特性的影响，研究不同温度下沉积物的频谱特征规律。把南海深海沉积物的人工样品置于温控环境中，采集经历沉积物的超声信号，对其进行快速傅里叶变换获得频谱特征，分别从主频漂移、主频幅值、主频频宽、接收能量等方面归纳出温度影响下的海底沉积物超声信号的频谱特征规律：如温度变化影响频谱特征，但可重复性低；温度增加使沉积物对声信号的衰减增大；频宽与频率幅值呈负相关，但温度-幅值的关系明显于温度-频宽的关系。因此，温度改变导致沉积物超声信号频谱的规律性变化。     

超声无损检测技术在海底沉积物调查中的应用

论文就超声波无损检测技术在海底沉积物声学特性测量上的应用,介绍了其所需的必要设备、样品采集和测量基本原理。探讨了沉积物超声无损测量的资料处理与分析方法及其内容,主要包括声速、声衰减、声阻抗和声速比等声学特性计算;声速与孔隙度、平均粒径和粘土含量等物理力学参数的统计相关性研究。     

海底沉积物的基本地声结构与地声模型

为准确建立海底地声模型,本文探讨地声模型的基本组成和基本结构。通过样品实验室测量,分析南海海底表层沉积物的密度、孔隙度与声速随着埋深变化的关系,得出海底实际存在的低声速表面–声速缓慢变化类型、低声速表面–声速增大类型、高声速表面–声速缓慢变化类型和高声速表面–声速增大类型4种典型地声结构;对比钻探测量,分析黄海海底沉积物的密度、孔隙度与声速随埋深变化关系,得出海底地声模型分层特征与地声结构组合特征。研究表明,地声模型可以归结为4种基本地声结构的组合,通过与底层海水声速、同层内声速剖面以及与上层海底沉积物下表面声速的比较,可以建立各种海底地声模型;基于实验室测量法建立的地声模型可以作为参考地声模型,但需要考虑实际海底温度和压力梯度以及海底沉积物的频散特性等,借助于声速比校正法和频散性理论模型进行计算及修正。     

多频海底声学原位测试系统研制和试用

海底沉积物的声学特性(最重要的是声速和声衰减)以及它们与物理(包括土力学)特性之间的关系是沉积物声学中两个重要的研究项目.介绍了新研制的实时监控多频海底声学原位测试系统.该系统可测量浅表层沉积物的声速.探测频率为8,10,12,15 kHz,可根据实际情况选择发射波形、接收增益和采样长度,采样率为0.5~2.0 MHz,工作水深为300 m.系统具有倾斜传感器、8通道扩充等功能.用该系统在杭州湾测得了四种频率的沉积物原位声速.     

海底底质声学性质原位测量技术研究

系统介绍了海底底质声学性质原位测量技术，提出了新的原位测量方法，并根据这一测量方法，初步设计制作了相应的海底原位测量仪器。利用初步制作的测量仪器在实验室内对砂质沉积物进行了模拟测量试验，仪器测量得到的沉积物声速与直接透射法测量获得的声速基本一致。在宁波近海海域进行了海上实际测量试验，获得了该测量区域海底底质的声速，验证了此测量技术的可行性，为进一步研发先进的海底原位测量仪器奠定了基础。     

渤海海峡及周边海域浅地层结构及地层声速的拾取

通过系统分析渤海海峡及周边海域的高分辨率浅地层剖面与3口钻孔的资料,将研究区地层自上而下划分为T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8共9个反射界面及SU11、SU12、SU13、SU2、SU3、SU41、SU42、SU43、SU5共9个声学地层单元,SU1地层单元对应全新世海相沉积,其底界为一海进侵蚀面,削蚀对应晚更新世晚玉木冰期陆相沉积的SU2地层单元。SU3地层单元对应晚更新世晚玉木间冰期的海相沉积,通过侵蚀间断面与上覆SU2呈不整合接触。SU41地层单元对应晚更新世早玉木冰期晚期的陆相沉积,SU42地层单元对应晚更新世早玉木亚间冰期的海相沉积,与上覆SU41呈侵蚀不整合接触,SU43地层单元对应晚更新世早玉木冰期早期的陆相沉积,其顶界面为海进侵蚀面,与下伏地层呈不整合接触,SU5对应晚更新世玉木—里斯间冰期的海相沉积。对比分析浅地层剖面地层单元与钻孔沉积地层,确定了研究区海底面之下不同地层单元对应的平均声学速度,为后续的地层层序的研究奠定了基础。研究区"海侵-海退-海侵-海退-高水位"的沉积过程,决定了地层平均声速随深度自下而上呈现由高-低-高-低的变化模式。     

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。     

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。     

声学与海洋沉积学交叉领域的研究

声学与海洋沉积学交叉领域研究可分为“沉积层声学特性的研究”、“海底高频声散射或低频声反射与底质类型之间关系的研究”、“回声参数反演海底类型技术”和“海底回声图象识别海底沉积类型技术”4个方面的研究,较详细论述了4个方面的国内外研究现状,最后提出了该领域进一步研究的战略思路。     

南黄海海底沉积物声学特性及其影响因素试验研究

利用自南黄海中西部海底取回的沉积物样品,对其声学特性及其影响因素进行了试验研究,结果显示,研究区海底沉积物的压缩波速为1.359 ~1.695 km/s,剪切波速为12.5 ~70.9 m/s;颗粒较细的沉积物与较低的压缩波速、剪切波速对应,主要集中在研究区东侧水深较深处;沉积物的物理力学性质对其压缩波速、剪切波速的影响较显著,沉积物的温度和换能器的频率对上述声学两参数也具有一定的影响,而沉积物的包含物及薄夹层等影响声波传播的理论计算结果。给出了研究区海底沉积物物理力学各参数与压缩波速、剪切波速之间的回归方程,以期为国防、工程提供基础资料。     

南沙海域深水区表层沉积物声速与孔隙度相关关系

采用同轴差距测量法对南沙海域海底沉积物取样进行甲板现场声学测量,并计算了声速,结合沉积物取样分析获得的孔隙度,研究了海底表层100 cm沉积物的声速和孔隙度之间的相互关系,分析获得了孔隙度与海底沉积物声速关系的经验公式,结果表明此海域沉积物声速的临界孔隙度为67.80%。将此公式与国内外其他学者建立的经验公式进行了对比,分析发现各预测方程之间存在着差异,说明不同海域的沉积物声学特性具有差异性,经验公式具有区域性,同时分析了其他影响声速的因素。此项工作对于建立和研究南海声场环境具有重要意义。     

珠江口外伶仃洋海底含气沉积物声波反射及衰减特征

高分辨率地震剖面显示,在珠江口外伶仃洋海底有大面积含气沉积物。根据含气沉积物地震反射特征将其分为声学空白、声学幕、声学扰动、不规则强反射顶部和相位下拉等类型。对含气沉积物声波衰减初步分析表明约在3.3kHz附近有一衰减峰值,将实际资料与理论模型计算进行对比,认为此峰值频率对应于等效半径约6mm的气泡的特征振荡频率,此等效半径气泡的阻尼振荡是引起声波衰减的主要原因。     

南海浅海海底沉积物的声衰减

报道了南海浅海海底沉积物的声衰减性质。给出了测量和计算海底沉积物声衰减的方法。分析讨论了不同频率下的声衰减以及与若干个海底沉积物物理参数的关系,结果表明,同一类型沉积物在高频段时的声衰减要比低频段的声衰减大;同一频段下粗颗粒沉积物的声衰减要比细颗粒的声衰减大;北部湾海底浅层沉积物声衰减在低频100kHz下为80~150dB/m,在高频1MHz下为150~360dB/m;海南岛南部外海海底浅层沉积物声衰减在低频下为66~160dB/m,在高频1MHz下为190~350dB/m;高频段的数据与台湾海峡北部海底表层沉积物声衰减测量分析数据比较接近,而低频段的数据与台湾海峡北部海底表层沉积物声衰减测量分析数据有较大的差别。     

Effects of seabed properties on acoustic wave fields in a seismo-acoustic ocean waveguide

Acoustic wave fields in an ocean waveguide with a sediment layer having continuously varying density and sound speed overlying an elastic subbottom are considered in this analysis. The objective of this study is to investigate the effects of seabed acoustic properties, including the density and sound speed of the sediment layer and subbottom, on the characteristics of the wave fields. Examination of the reflection coefficient, wavenumber spectrum, and noise intensity of the sound field through numerical analysis has shown that the variation in the acoustic properties in the sediment layer is an important factor in determining the reflected or noise sound fields. In particular, the sediment thickness-to-wavelength ratio and the types of variation of acoustic properties inside the layer give rise to many characteristics that potentially allow for acoustic inversion of the seabed properties. With regard to the wave-field components in a shallow-water environment, the various types of waves existing in a seismo-acoustic waveguide have been illustrated. The results indicate that the effects of the sediment properties on the wavenumber spectrum are primarily on the continuous and evanescent regimes of the wave field. The noise intensity generated by distributive random monopoles at various depths, together with the effect of refractive sound-speed distribution in the water column, has been obtained and analyzed.