海底浅表层沉积物原位声学测量方法探讨

研究透射式和折射式两类海底沉积声学原位测量方法,通过分析10种海底浅表层沉积物声学原位测量仪器的特征,指出不同声学原位测量技术对沉积物声学特性测量结果的影响。比较黄海海底浅表层沉积声学原位测量数据与实验室测量结果的差异,分析原位声学测量数据普遍小于实验室测量数据的原因,指出原位测量的作用和重要性。探讨指出海底浅表层沉积物原位声学测量所需要配合发展的其他物理性质原位测量技术。     

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。     

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。     

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。     

南黄海海底沉积物原位声速测量与实验室声速测量对比研究

介绍了海底沉积物原位声速测量方法和实验室声速测量方法的工作原理以及在南黄海中部海底沉积声学调查中的应用情况,详细对比分析了原位测量声速和船舶甲板实验室测量声速的差异,讨论了温度和压力等环境因素变化对声速的影响,研究成果对海底沉积物声速测量和预报具有一定应用价值.     

基于反射法的海底浅层沉积物声学原位测量方法

开展基于反射法的海底浅层沉积物声学原位测量方法研究,针对实际海洋环境中具有分层结构的沙或泥质沉积物,建立了具有粗糙界面的层状介质中球面波的三维反射模型,根据特点优化算法并建立海底沉积物特性参数快速反演方法,设计了海底浅层沉积物声学原位测量装置,该研究结果将为海底浅层沉积物快速实时原位精确观测提供科学依据。     

海底底质声学原位测量电路控制系统研究

介绍了一种液压驱动贯入式海底沉积声学原位测量系统的电路控制单元的研究实现过程,以及该控制单元在南海北部海底沉积声学调查中的应用。该电路控制单元以Cortex-A8处理器为核心,集成大容量FLASH存储器,与单片机接口控制板进行串口通讯,实现对声学发射采集单元和机械液压贯入单元的可视化控制和监测。基于该电路控制单元,海底底质声学原位测量系统兼具自容式和在线式两种工作模式,可自容记录或实时采集声学原位测量单元在海底的工作状态数据、海底沉积物声速和声衰减系数等声学特性数据。该声学原位测量系统的实验室联调及南海海试结果表明,使用该电路控制单元对海底底质声学测量过程的监测与控制是有效的,对精确获取海底底质的原位声学特性有重要作用,可以促进海底底质声学原位测量系统的产品化。     

海底沉积物声学性质原位测量系统海上试验研究

提出了一种新的海底沉积物声学性质原位测量方法,介绍了新研制的海底沉积物声学性质原位测量系统。在青岛近海海域对该系统进行了海试,获得了各个站位的声速数据。将测得的各站位的声速与不同海域的沉积物声速进行对比分析,并对各个站位的声速与沉积物的平均粒径进行了相关性分析,发现与以往研究结果一致,沉积物声速与沉积物类型相关,不同类型的沉积物的声速有明显差异;声速与平均粒径相关性较好,粒径越大,声速越高。结果表明,利用海底沉积物声学性质原位测量系统测得的原位声速是正确的,它能快速准确地得到海底沉积物的声速值。     

海底沉积物工程力学性质原位测量方法北大核心CSCD

随着海洋设施的开发和海底沉积物的调查,了解海底土体的工程力学性质成为必不可少的研究内容。海底沉积物工程力学性质原位测量方法,具有测试快捷,测量精度高,测试结果更加接近真实环境的特点,其应用前景日益广阔。系统介绍了海底沉积物的工程力学性质指标,原位测试的特点,分析了国际上目前主要测量方法的进展情况,包括海底静力触探、海底动力贯入仪、消耗式海底贯入仪、全流动贯入仪、扁铲侧胀等,希望能对我国海底沉积物工程力学性质原位测量技术的发展提供参考。     

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。     

基于声波探测海底浅层沉积物特性的方法研究

利用声波在水中的传输特性进行海底浅层沉积物特性的探测。在实践应用中有实验室方法、现场测量方法和海底声学遥测方法,并研制出大量的仪器。由于海上和海底实际条件的限制,声波探测方法都存在一定的不足之处,由此提出了声衰减测试沉积物特性以及建立实验室模拟海底环境探测方法的设想。     

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。     

海底松散沉积物声学性质原位测量实验研究

分析研究了国内外海底松散泥沙的声速和声衰减系数测量的研究现状,并据此研制了海底表层沉积物声速声衰减系数原位测量系统。利用原位测量系统分别在实验室和海滩对不同粒度的沉积物进行了测量分析,得到了不同粒度沉积物的声速和声衰减系数。数据分析表明,沉积物的声速和声衰减系数与沉积物的粒径有密切的关系,粒径越粗,声速越高,声衰减系数越大。通过沉积物声学性质研究,可以开发海底浅层沉积物声学性质原位测量技术,提高相关海洋调查的速度和效率。     

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。     

Experimental study of the ballast in situ sediment acoustic measurement system in South China Sea

The mechanical structure, the function modules, the working principles, and a sea trial of the newly developed ballast in situ sediment acoustic measurement system are reported in this study. The system relies on its own weight to insert transducers into seafloor sediments and can accurately measure the penetration depth using a specially designed mechanism. The system comprises of an underwater position monitoring and working status judgment module and has two operation modes: self-contained measurement and real-time visualization. The designed maximum working water depth of the system is 3,000?m, and the maximum measured depth of seafloor sediment is 0.8?m. The system has one transmitting transducer with the transmitting frequency band of 20–35?kHz and three receiving transducers. The in situ acoustic measurement system was tested at 15 stations in the northern South China Sea, and repeated measurements in seawater demonstrated good working performance. Comparison with predictions from empirical equations indicated that the measured speed of sound and attenuation fell within the predicted range and that the in situ measured data were reliable.     

基于浅地层剖面的海底浅表层沉积物物理性质参数反演技术研究

海底浅表层（小于1 m）沉积物的物理性质,如粒度、孔隙度、密度等是海洋沉积学研究和海洋工程地质分析的重要内容,目前主要基于有限的海底取样或原位测试获取这些沉积物的物理性质。浅地层剖面是基于声学信号（频率几千赫兹）在沉积物中的传播得到可反映沉积地层结构的数据,其中的一些声学参数,如海底反射系数、波阻抗等与沉积物物理性质密切相关。如何充分而有效地利用浅地层剖面资料,反演得到剖面覆盖区海底浅表层沉积物的物理性质参数,极具科学意义和应用价值,且基于声学属性反演沉积物物理性质是当前研究的热点。为此,本文基于渤海LD16-3CEPA至LD10-1PAPD路由段的浅地层剖面数据和海底表层沉积物的实测物理参数,利用Biot-Stoll模型建立研究区海底反射系数和沉积物物理性质之间的关系,并基于浅地层剖面数据计算得到的海底反射系数,反演了研究区海底浅表层沉积物的孔隙度、密度、平均粒径等物理性质参数。其中反演的孔隙度、密度、平均粒径与实测孔隙度、密度、平均粒径基本相符,偏差度基本都在20%的偏差范围内,表明该反演方法在该区的应用是可行的。