（机械电子工程专业论文）海底沉积物声衰减的实验研究.pdf

摘要 海底承载着海洋的全部资源，因此对海底沉积物的研究在国防和经济领域都 有重大的意义。基于目前声学方法作为海底沉积物探测的主要手段，而声衰减作 为声学探测海底沉积物的关键参数，逐渐成为海洋研究的重要内容。由于地球各 海区温度的不同，造成沉积物温度也不相同，而且海底沉积物大部分并不是在现 场测试，在运输、保存和测试过程中的扰动会致使含水量等参数的变化，因此本 文提出测试声衰减随温度变化的趋势以及声衰减与受扰动状态下含水量变化的关 系，探索温度及过程扰动对声衰减的影响规律，为声学研究及测试提供参考或校 正的依据。 本文借鉴中科院南海海洋所的测试声衰减系数的方法设计了沉积物声衰减与 温度关系及声衰减与含水量关系的实验。围绕这两类实验做了几方面的工作，其 具体内容和结果如下： 由于实验的原状样品较少，使用南海所2 0 0 6 年9 月科考采样剩余海底沉积物， 制作实验用的人工样品。 对实验用的超声波换能器的频率进行检验，并设计实验得出用于接收声信号 的平面换能器与锥形换能器之间的能量转换倍数，得出能量转换倍数和距离关系 的曲线。 提出温变衰减系数并定义计算公式，通过实验得出温变衰减系数与温度的关 系，得到温变衰减系数能直观的反映沉积物声衰减随温度升高而增大的结论。 通过实验得出沉积物声衰减系数与温度的关系，运用频谱分析方法对其中出 现扰动的数据进行分析，得出由于沉积物的成分不同，粒径不同，导致在沉淀过 程中沉积物颗粒的不均匀分布( 分层) 的程度不同，最终影响声衰减系数不同的 发展趋势的结论。 探索沉积物声衰减系数与含水量的关系，运用频谱分析方法分析实验过程中 广东工业大学工学硕士学位论文 的扰动，得出扰动的随机性导致声衰减变化的无规律性。在此基础上对沉积物实 验测试提出建议。 关键词：声衰减、声衰减系数、温变衰减系数、温度、含水量、频谱分析 a b s t r a c t b e a r i n ga l lr e s o u r c e si nt h eo c e a ni nt h es e a f i o o r , t h es t u d yo ns e d i m e n t so f s e a f i o o rh a sg r e a tm e a n i n g si nt h en a t i o n a ld e f e n e ea n de c o n o m i cf i e l d t h em e t h o d b a s e do na c o u s t i c sa tp r e s e n ti sam a i nm e a n st os u r v e ys e d i m e n t so fs e a f l o o r , a n d a t t e n u a t i o ni so n eo ft h ek e yp a r a m e t e r so fs u r v e y i n gt h es e d i m e n t so fs e a f i o o r , t h e r e f o r et h es t u d yo na t t e n u a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti no c e a nf i e l d b e c a u s et h ed i f f e r e n c eo ft h et e m p e r a t u r eo fe v e r ys e aa r e ao ft h ee a r t hc a u s e s s e d i m e n t st e m p e r a t u r en o tt h es a m e ，a n dt h es e d i m e n t si sn o ti no n t h e s p o tt e s t i n g m o s t l y , t h ep e r t u r b a t i o ni nt h ec o u r s eo ft r a n s p o r t i n g ，k e e p i n ga n dt e s t i n gw i l lc a u s e t h ec h a n g ei ns u c hp a r a m e t e r sa st h ew a t e rc o n t e n t ，e t c ，s ot h i st h e s i sp u tf o r w a r d t e s t i n g t h ec o n n e c t i o nb e t w e e na c o u s t i ca t t e n u a t i o na n dt e m p e r a t u r e ，a c o u s t i c a t t e n u a t i o na n dd i s t u r b i n gw a t e rc o n t e n tt oo f f e rr e f e r e n c ef o rs t u d y i n ga n dt e s t i n gi n a c o u s t i c so rc o r r e c t i n g t h i st e x td r a wl e s s o n sf r o mt h et e s t i n gs y s t e mo fa c o u s t i ca t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n t o fs o u t hc h i n as e ai n s t i t u t eo fo c e a n l o g yo fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c et od e s i g n t h ee x p e r i m e n t st ot e s tt h ec o n n e c t i o n sb e t w e e na c o u s t i ca t t e n u a t i o na n dt e m p e r a t u r e ， a c o u s t i ca t t e n u a t i o na n dd i s t u r b i n gw a t e rc o n t e n t h a v i n gd o n et h ew o r ko fs e v e r a l r e s p e c t sa r o u n dt h e s et w ok i n d so fe x p e r i m e n t s ，i t sc o n c r e t ec o n t e n ta n dr e s u l ta r ea s f o l l o w s ： t h ee x p e r i m e n t a lm a n u a ls a m p l e sw e r em a d eo ft h er e m n a n ts e d i m e n t so fs o u t h c h i n as e ai n s t i t u t eo fo c e a n l o g ys a m p l i n gi ns e p 2 0 0 6f o rl e s su n d i s t u r b e ds a m p l e s t h ef r e q u e n c yo fu i t r a s o n i ct r a n s d u c e r st h a tu s e dt ot h ee x p e r i m e n t si se x a m i n e d t h ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt oc o m p u t i n gt h ec o e f f i c i e n to fc o n v e r s i o nf o re n e r g y b e t w e e nt r a n s d u c e r s ，a n dd r a w i n gt h ec u r v eo ft h i sc o e f f i c i e n ta n dd i s t a n c e t h ed e f i n i t i o na n df o r m u l ao fa t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n to ft e m p e r a t u r ec h a n g i n gi s 变三! 生兰三兰璧圭竺堡篓圣 p u tf o r w a r d t h ec o n c l u s i o ni sm a d et h a ta c o u s t i ca t t e n u a t i o ni sa g g r a n d i z i n gw i t h t h et e m p e r a t u r er i s i n g t h ec o n c l u s i o nt h a ta c o u s t i ca t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n th a sd i f f e r e n td e v e l o p i n g t r e n d sw i t ht h et e m p e r a t u r er i s i n gi sp u tf o r w a r db yu s i n gt h es p e c t r u ma n a l y s i st o e l i m i n a t et h ed i s t u r b e dd a t ai nt h ec o u r s eo fe x p e r i m e n t t h ec o n c l u s i o ni sm a d et h a t d i f f e r e n tc o m p o s i t i o no fs e d i m e n t s ，d i f f e r e n td i a m e t e ro fg r a i n ，c a u s ea s y m m e t r yo f s e d i m e n td u r i n gs e d i m e n t a t i o n t h ec o n n e c t i o nb e t w e e na c o u s t i ca t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta n dw a t e rc o n t e n ti 8 e x p l o r e db yu s i n gs p e c t r u ma n a l y s i st oa n a l y z et h ed i s t u r b a n c ed u r i n ge x p e r i m e n t t h e c o n n e c t i o no fd i s t u r b e da t t e n u a t i o nc h a n g i n gi sr u l e l e s s o nt h eb a s i so ft h e s e ，t h e r e c o m m e n d a t i o n sa r em a d eo i le x p e r i m e n t a lt e s t i n g k e yw o r d s ：a c o u s t i ca t t e n u a t i o n a c o u s t i ca t t e n u a t i o nc o e f f i c i e n ta t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n to ft e m p e r a t u r ec h a n g i n g t e m p e r a t u r e w a t e rc o n t e n t s p e c t r u m a n a l y s i s i v 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方之外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 此外，由于本人知识和见识有限，以及论文完成具有时效性和知识更新交替 的快速性，论文中难免存在不当之处，诚望各位专家和广大学者批评指正。 指导老师签字： 论文作者签字： 2 0 0 7 年5 月2 9 日 蛳枷 第章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 海洋占地球总面积的7 l ，蕴藏着油气、矿产、生物、能源和海水等丰富的 资源。目前估计，海洋矿产资源，如锰结核矿、磷矿、砂矿、硫化矿等储藏量约 为6 0 0 0 亿亿吨；海底石油储量约为1 3 5 0 亿吨，占世界石油总储量的2 3 ；天然气 储量约为1 4 0 万亿立方米，海洋生物资源，如鱼、虾、贝、藻等共有2 0 万种以上； 海洋再生能源，如潮汐能、海水温差能、波浪能等，蕴藏量约l 亿千瓦：化学能 源，如可供提取的化学元素有8 2 种之多：巨大的海洋空间可供利用，进行海洋运 输、游乐等。我国是一个海洋大国，有长达1 8 0 0 0 多公里的大陆海岸线，管辖的 海域近3 0 0 万平方公里。随着地球陆地资源的日渐短缺，2 l 世纪人类将步入全面 开发利用海洋的新时代“，。 海洋大陆架海域海洋经济活动日益频繁，海上和海底工程项目不断增多，有 沿海码头、跨海大桥、海岛及堤围建造、近海石油开发和管线铺设等，迫切需要 了解海底沉积物的结构特征，满足海洋开发建设和海洋工程地质上的要求。 海洋作为未来水下海战的战场，调查了解我国海军作战海域的海洋环境，海 底特性和地形地貌，让我军的作战海区海底由“黑暗”变成“透明”，增强我军作 战的胜利筹码，海底沉积物特性的研究是基础性的工作之一。 随着现代高科技的发展，人类拥有很多的探测手段：雷达、红外线望远镜、 卫星遥感技术、射电天文望远镜等。但是因为海水有良好的导电性，极强的吸热 能力，极差的透光性，使得这些先进的手段无用武之地，不适于海洋环境中的海 底沉积物的探测，而声波尽管在空气中的衰减很快，但是在固体和液体中的衰减 相对较小，声波在海水的传播能力很强，因此声波成为海底探测手段的首选。 在所有的浅海环境和深水条件下，海底是影响声传播的重要因素之一，研究 海底界面的声学性质是海底声学的兴趣所在。在海底沉积物表层几米范围内，其 物理和声学性质有较大的梯度变化。在海底沉积物声学物理研究中主要根据两个 广东工业大学工学硕士学位论文 基本声学参数：声速和声衰减，其中沉积物声衰减参数一直是比较重要的海底 地声参数，直接反映出海底对声波传播和地震过程的作用影响，是海洋探测的关 键参数。 声衰减是描述海底沉积物特性的一项重要参数，是沉积物分子、聚集态与相 间结构和组成的反映。声衰减主要考虑声波传播过程中能量衰减的影响，能够弥 补海底沉积物实验研究的不足，校正以声学为基础的实验研究，同时为设计新的 实验声学仪器提供了参考依据，是以分析沉积物特性进行沉积物分类分层的水声 学和地声学重要的参数，为进行海洋地质分类和地声模型的建立提供了更有效的 方法。 1 2 声衰减的研究现状 声波在海洋中传播，其衰减比单纯在海水中吸收大很多倍，这是由于海底沉 积物构成了声在海洋中传播的下部边界，在传播过程中，有相当一部分声能转入 海底，因此海底对水下声传播有很大的影响。一直以来，声波在海底传播的波速 ( 纵波波速和横波波速) 是研究的重点，研究者们通过建立固液两相混合物的理 论找寻到声速传播与沉积物的自然物理属性之间的关系，并通过大量的测试和分 析验证了诸多理论的研究成果。自从沉积物粘弹性属性的认识受到了关注后，声 衰减的研究越来越受到重视，从目前的研究趋势来看，海底沉积物声衰减正成为 海底沉积物声学研究的热点。 针对海底沉积物声衰减的研究主要从两方面开展：一是理论分析及理论模型 建立。通过海底沉积物组成成分、结构来研究声衰减机制，建立声衰减与宏观参 数如自然物理力学参数、频率等的关系：另一方面是开展实验研究，通过测量海 底沉积物的声衰减量和自然物理力学参数等，运用统计分析理论，建立声传播的 衰减的传播模型。 1 9 世纪4 0 年代起，b i o t 先后在一系列的论文中建立了包括可压缩流体的多 孔材料的静态和动态的线性响应的综合理论，并在5 0 年代建立了流体饱和多孔介 质的声传播理论m 。其研究成为声波探测海底沉积物传播的研究基础和主流理论 “1 。b l o t 以固相物质组成弹性骨架为前提，分析了声传播在多孔介质的耗散。s t o w u 2 第章绪论 在b i o t 理论的基础上，引入了固液两相粘性的作用，进一步推动了b i o t 理论。 a m e n t t ”则将固相看成是液相基质的包裹体，研究弹性波传播的散射效应，刘旭 m 在论文中称其为散射效应分析模型，同时指出b r a n t 的颗粒分析模型将固相材料 看成是许多理想化球粒研究分析声传播理论。b u c k i n g h a m ”1 则从松散无骨架饱和 沉积物入手，引入记忆函数来解释沉积物的横波传播并且推导出衰减公式。 我国的唐应吾w 以a m e n t 的研究为基础分别推导纵波在松散沙质沉积物、泥 质沉积物、絮状沉积物的声速和声衰减公式。 研究者们以不同的假设和角度出发，得出了沉积物声衰减与沉积物自然物理 力学性质的关系公式，所有的公式都非常繁琐，而且涉及到很多的物理量，在应 用上及验证上存在了困难，而这些理论公式在一定的假设或者条件下都作了简化， 得到如下模型公式： 口= 矽”( 1 1 ) 式中：吐为单位距离上的声衰减系数，单位为d b m ；j 为衰减常数系数，是与各 种不同沉积物类型、外部环境状态等有关的参数，单位为d b m k h z ；为声频率， 单位为k h z ：以为指数系数。 理论指导实践，因此众多实验研究者们一方面通过实验数据验证各种理论的 有效性和比较性，一方面得出不同沉积物的衰减常数系数和指数系数。 h a m i l t o n 作了大量的实验测量研究工作，在其一系列研究成果论文 ( 【1 0 1 2 】) 中总结海底沉积物的声衰减系数的定量表达式。在实验研究声衰减 与频率关系中，得出了海底沉积物的声传播衰减与频率成正比，即衰减指数刀等 于1 ( 见式1 2 ) ： 口= 矿1( 1 2 ) 这与前面b l o t 、b u c k i n g h a m d 衰减理论研究的结果在一定假设和范围内的结 果相符。其他实验研究者也得出类似的结果。 h a m i l t o n 研究得出衰减常数系数七与孔隙度的关系、与中值粒径的关系，从 而给出了系数| i 的预测范围。其研究使得衰减的定量研究和预测变得容易简便。 r o b b m ，在研究纵波传播与海底沉积物的物理特性关系中。通过实验数据给出了系 数j | 与孔隙度、体密度、中值粒径的关系。 广东工业大学工学硕士学位论文 在我国，张淑英等1 研究了长江口水下浮泥，并通过建立地声模型研究了其 声衰减特性，提出了声衰减与浮泥密度和测试频率的关系。蒋德军等m ，介绍了一 种计算浅海海底衰减系数的方法，对液态，高声速海底介质，给出了在中低频率 下的海底沉积物的声衰减公式。李风华等m 1 从这个角度出发探讨了由脉冲波形和 传播损失来反演海底沉积物的声衰减系数。反演的频段主要集中在低频段上，而 且反演建立相应的反演模型，在一定程度上简化了海底沉积物本身的复杂性和区 域的特殊性。中科院南海海洋所刘强n 正在进行的是研究海底沉积物声速结构对 声衰减系数的影响。苏明旭等m ，对悬浊液中的颗粒物质引起的衰减进行了研究， 计算声衰减的公式： 盯= 2 0 1 0 9 ( a o 4 ) l( 1 3 ) 式中：爿。为声衰减测量中为加入颗粒前清水中所测测量幅值；4 l 为加入颗粒形成 悬浊液后所测得幅值；三为声程。 以上研究及研究成果表明，声衰减是海底沉积物声传播的一个重要的特性参 数。不同的沉积物具有不同的衰减系数，相同的沉积物在不同的状态下具有不同 的衰减系数。这一特性可作为划定沉积物类型的一种重要依据。 基于h a m i l t o n 研究，在特定频率作用下，不同类型的沉积物的声衰减系数口 可以直接转化为衰减常数系数k 的研究，也就是可以通过系数k 来辨别沉积物的 类型等。然而系数k 的确定不仅仅与沉积物以上研究的性质有关，还与自然环境 包括温度“”、压力的变化影响有关、沉积物饱和度有关，而前面的研究对这些方 面涉及甚少。 温度作为影响沉积物中声传播的研究文献资料不多，而且以研究声速的变化 为主，文献 t 9 给出了温度变化对声吸收的明确影响关系。但是对于不同沉积物 的温度对衰减的影响还需要大量的研究工作。 而将扰动作为影响因素的研究更为少见，但是沉积物从采样之后到实验测试 过程中不可避免的受到各种因素的扰动，从而影响到沉积物的孔隙度、含气量、 含水量等参数，改变沉积物的微结构而引起衰减的变化。 因此声衰减常数受温度、扰动的影响还需要大量开展研究性的工作。 4 第章绪论 1 3 课题来源、研究内容 本课题来源于国家自然科学基金资助项目( 批准号：4 0 4 7 6 0 2 0 ) “海底沉积物 弹性性质和地声模型的研究”。 本文主要研究温度和饱和度对沉积物声衰减的影响性，通过实验找寻到温度 和受扰动影响的含水量变化与海底沉积物的衰减系数变化的规律。 地球上各个海区的水温不尽相同，一般海水的温度的范围是一2 c 3 0 c ，其 中，7 5 的水温为0 到6 ，5 0 的水温为1 3 到3 8 。对于海底沉积物的温 度，并没有相关的文献做这方面的叙述，因此，我们认为海底的沉积物的温度接 近海水的温度，并且考虑到实验室研究的环境，将温度实验的范围设置在- l 室温。在这个温度范围内通过实验测试出声衰减和温度之间关系的变化曲线。 海底沉积物是由沉积物颗粒、海水与少量的气体组成。传统的海底沉积物特 性分析，是采用海底取样实验室研究的方法，在取得沉积物之后，要经过运输， 保存，这样沉积物必然会受到空气的影响，使部分水和空气发生交换而改变沉积 物的状态，从而造成样品的失真和测试结果的误差。因此在实验室中通过样品水 分蒸发使得空气介入的方法来模拟样品受到气体扰动的现象，并将这种扰动归结 为含水量的变化，研究在这样的情况下声衰减与含水量之间的关系。 1 4 研究方法及研究线路 本文运用实验室的测试方法n “，通过模拟温度变化以及样品受扰动的状态， 对原状样品和人工样品进行测量，求得声衰减的变化规律。 本文分为五个部分。结构图如下： 广东工业大学工学硕士学位论文 图1 1 论文框架 f i g 1 1d i s s e r t a t i o nl a m e 第一章绪论是讨论研究的重要性，以往研究方法的总结，以及对论文思路结 构的说明；第二章主要介绍声衰减的原理，以及进行实验所作的准备工作；第三 章主要介绍声衰减的温度试验，包括实验方案，数据分析；第四章主要介绍在实 验室环境下，受到环境因素扰动的声衰减与含水量的关系实验，包括实验方案， 数据分析等；最后是对所做工作的总结，分析其中未完成的东西，提出可以进一 步做的工作。 6 第二章实验准备及数据处理方法的研究 第二章实验准备及数据处理方法的研究 2 1 声衰减的研究 声衰减是海底沉积物的一项重要参数，了解沉积物的声衰减原理，对于沉积 物声衰减的测试，实验的设计极为重要。 2 1 1 声衰减的原理 声波在介质中传播时，会出现随传播距离增大而逐渐衰减的物理现象。在文 献 2 1 中详细的介绍了声衰减的原因，将声衰减的原因归纳为三个方面： l ，几何衰减n 。传播过程中由于声波波阵面的扩展，引起能量空间扩散，以 致波振幅随距离增加而减弱，如球面声波和柱面声波的波阵面扩展传播。 2 散射作用a d 。由于介质中粒子的散射作用，使得有用传播方向的声波能量 减少。如在海洋介质中，存在泥沙、气泡、浮游生物等悬浮粒子以及介质的不均 匀，引起声波散射和声强衰减。这时，传播的平面波的波阵面似乎并未扩大，但 实际上部分声波被零星、陆续地散开，而偏离了平面波主体方向，从而沿平面波 主体方向的声波减弱了。在这种情况下，声波的总能量并没有减少，只是从指定 的方向看，声波越传越弱。 3 吸收损失。由于介质本身对声能的吸收，声波不断损失能量。或者说， 波动形式的力学能量不断转换为其他种类的能量，在大多数的情况下，转换为热 能。在均匀介质中产生声吸收的原因是介质的黏性、熟传导以及介质的微观过程 引起的迟豫效应的等。实际流体介质具有黏性，由介质黏性产生的应力表现为介 质内“摩擦力”作用，声波在介质中传播时，黏性作用使部分声能转变为热能而 损耗，从而表现出声波强度随距离衰减的现象。这种衰减在声学中称为介质的黏 性吸收，它是均匀介质中声波衰减的主要原因。声波传播过程中，引起各处介质 形变，对于理想流体介质来说，当介质被压缩时，其温度升高；而它膨胀时，温 度下降。由于声波引起的压缩和膨胀过程很快，因此可以把这种过程近似地当作 7 广东工业大学工学硕士学位论文 绝热过程。然而，对于海底沉积物这类非理想介质，介质中存在热传导。这时， 相邻的压缩区和膨胀区之间的温度梯度，将导致一部分热量的交换即热传导，这 个过程是不可逆的，而在不可逆过程中就会发生这种机械能转化为热能的现象， 这种由热传导引起声能在介质中的损耗称为介质的热传导吸收。分子迟豫理论实 质是分子的外自由度能量( 指分子移动和转动的能量) 和内自由度能量( 振动能 量) 之间的重新分配。当声波通过时，介质产生了膨胀和压缩的过程，介质的物 理参数( p ，v ，t ) 将随时间而变( 如简谐变化) ，而任何状态的变化都伴有内外 自由度能量的重新分配，并向着一个具有新的平衡能量分配的状态过渡。因此， 由于介质状态的变化而引起介质热动平衡的破坏，并开始其内部过程以建立新的 平衡态。由旧的平衡态向新的平衡态的转移过程，称为迟豫过程。这种过程需要 一个有限的时间，即所谓的迟豫时间r 。在迟豫过程中产生了有规声振动转变为 无规热运动的附加能量耗散，即引起了声波的附加吸收也称为迟豫吸收。当声振 动的周期和迟豫时间具有同数量级时，这种吸收就很大。显然。分子内过程的迟 豫吸收是由于介质的压缩与膨胀过程即体积形变所引起的，因此必然在宏观方面 与容变黏性有关。 由此可见海底沉积物的总的声衰减等于三个部分的和： 口= q + + 吒( 2 1 ) 2 1 2 海底浅层沉积物的声衰减计算方法 按照1 9 9 2 年颁布和实施的中华人民共和国国家标准海洋调查规范海洋声、 光要素调查中给出了由仪器测得的两个不同固定距离上声信号振幅推算出声衰 减系数的公式： 口= 2 0 l g ( h 4 ) 心一厶) ( 2 2 ) 式中：彳i 为在固定距离l l ( m ) 上测得的声压振幅，p a ；a 2 为在固定距离l 2 ( m ) 上测得的声压振幅，p a 。 声强与声压的平方成正比，公式( 2 2 ) 可以变为： a = 1 0 1 9 ( z ，) ( 如一厶) ( 2 3 ) 式中：a l 为在固定距离三l ( m ) 上测得的声强，w m 2 ；a 2 为在固定距离三2 ( m ) 8 第二章实验准备及数据处理方法的研究 上测得的声强，w m 2 。 公式( 2 3 ) 直观的反映了声传播的能量损失，但是实际测量中。声压的测量 相对比较容易，因此，普遍选用公式( 2 2 ) 进行计算。 2 2 声衰减研究的测试系统及样品制备 2 2 1 测试系统 声衰减的研究是借鉴中科院南海海洋研究所提出的测试方法“2 ，来进行，图2 1 是中科院南海海洋研究所所采用的声衰减的测试原理图：在同一样品上安装三个 1 0 0 k h z 换能器。一个柱状平面换能器作为发射端，安装在样品的一端；两个接收 换能器，其中柱状平面换能器安装在样品的另一端，在样品的侧壁钻孔( 直径 2 0 m m ) 插入锥形换能器。将换能器、d b 4 型多功能声波仪和手提电脑连接好， 记录两个换能器的声信号，铡量幅值，根据公式( 2 2 ) 计算声衰减系数。 平面换能器( 接收端) 图2 - 1 声衰减测试原理图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fa t t e n u a t i o nt e s t i n g 整个测试系统由d b 4 型多功能声波仪、手提电脑、发射换能器、接收换能器 9 广东工业大学工学硕士学位论文 和样品组成。 d b 4 型多功能声波仪，是采用三分量或多分量压电换能器，由微机控制并全 波列记录多波多震相应用的声波仪。配置超磁伸缩发射源，并具有高速、多道、 一次或连续采集功能。配置专用软件包，可以实现对声信号的处理，例如计算声 速。其部分参数见表2 1 。 表2 1d b 4 型多功能声波仪部分参数 工作方式人机交互式采样字节2 k ( 可调) 触发类型外触发，微机触发采样间隔时间一般为l u s ( 可调) 通道数4 个c h 通道被测时间范围0 0 5 u s 一1 6 38 4 s 放大器灵敏度 样品2 - 1 3 样品2 一1 4 。人工 样品1 7 的制作过程采用样品垂直放置的方式，这样会导致样品在沉淀过程中大 颗粒固体集中在样品底部，而小颗粒固体浮在样品的上部，从总的长度来看就会 出现样品的不均匀状态。天然沉积物的沉积过程也是与人工样品的沉淀过程类似。 推断用于实验的人工样品1 7 和原状样品1 8 粒径较大这种不均匀性相对于平均 粒径小的样品2 1 3 和2 1 4 要大得多，导致了样品的声衰减系数的不同发展趋势。 3 实验结论 ( 1 ) 样品声速符合南海海区沉积物声速范围，认定在这种测试条件下， 样品的测试是合理的。 ( 2 ) 声衰减系数作为沉积物特有的声学参数，是能够表征沉积物类型的。从 其计算公式( 3 3 ) 可以得出，如果沉积物均匀或者随着温度变化是均匀的，相距 ( l 2 - l 1 ) 的两个换能器接收到能量的幅值比是不变的，声衰减系数不会随着温度 变化而变化，但是实验测量的结果表明，声衰减系数不但变化而且变化比较大， 这说明沉积物变化在温度变化下是非线性的，这一点从温变衰减系数的测量中可 以看到变化的过程，温度变化时沉积物的衰减处于非线性增大趋势。 沉积物存在着不均匀性，在颗粒形态上主要是以粘土、粉砂和砂存在，此外 还有砾，混合比例不同而形成了沉积物类型的多样性，基于不同的沉积历史和外 部环境条件产生了复杂的状态特征m ，( 温度、压力变化等) ，同一海域的沉积物组 成相似而结构会略有差异，沿纵深方向会发生结构密实1 ，因此衰减测量的量会 有所不同，如相似样品同一温度的声衰减系数都会有差异。 广东工业大学工学硕士学位论文 通过实验得出用于实验的样品声衰减系数有上升和下降两种趋势，因为沉积 物成分不同，平均粒径不同，导致在沉淀过程中沉积物颗粒的不均匀分布( 分层) 的程度不同，最终影响声衰减系数不同的发展趋势。 3 4 本章小结 本章主要介绍沉积物在温度变化下的实验，主要完成下面的内容： ( 1 ) 首次提出温变衰减系数的公式，通过实验初步得出南海海区温变衰减系 数随温度变化呈下降趋势，并拟合出曲线； ( 2 ) 通过实验的方法得出因为沉积物成分不同，平均粒径不同，导致在沉淀 过程中沉积物颗粒的不均匀分布( 分层) 的程度不同，最终影响声衰减系数随温 度变化的不同发展趋势。 董璧塑鎏塑喜蛰墅垡堑塑耋兰 第四章海底沉积物声衰减与含水量关系的实验 对海底沉积物的研究的主要方法是在实验室中对海底沉积物采样样品进行测 试来获取海底沉积物的力学、物理特性参数。样品从海底采样之后，经过密封保 存和运输，才能进行实验测量。在这整个过程中，样品会受到各种扰动。样品在 海底采样到水上时，压力减少使得样品受到压缩，孔隙度减小，沉积物中的气体 析出；密封保存，使得容器中的少量气体介入沉积物。运输过程中，发生振动， 导致沉积物中的水份和气体发生变化。当环境条件改变，如温度升高，空气流动 加快，湿度过低，会使样品中的水份蒸发；湿度过高，会使空气中的水份融入沉 积物中。这些扰动都会导致沉积物状态发生变化而对沉积物的测试结果产生影响。 在实验室中对沉积物进行测试研究，压力的干扰可以认为是常值，存在于测 试过程的始末，因此不加考虑压力影响，而其他影响因素是随机出现的，因此有 必要研究这些干扰对沉积物的影响。 这些干扰致使沉积物的含水量、孔隙度和含气量等发生变化而造成沉积物内 部微观结构的变化。因为沉积物的含水量的变化相对于其他受扰动的参数容易测 量得多，所以通过测试受扰动的含水量在变化过程中和声衰减系数的关系来观察 扰动对沉积物的影响，以便为以后的实验室中沉积物的研究提供一种参考。 4 1 沉积物声衰减与含水量关系的实验 沉积物声衰减与含水量关系的实验( 下称“含水量实验”) 是测试在实验室环 境下，当水份蒸发，含水量减少的情况下，声衰减系数的变化情况，从而推断扰 动对于沉积物的影响。 4 1 1 实验方案设计 含水量实验要测试的参数是声衰减系数和含水量。 6 1 广东工业大学工学硕士学位论文 声衰减系数的测试采用声衰减系数与温度实验中的方法，在测试样品中安 装三个换能器：一个平面发射换能器、一个平面接收换能器和一个锥形接收换能 器。测试两个接收换能器中的信号，提取幅值，代入公式( 3 3 ) 中计算得出声衰 减系数。 含水量的变化由水份的减少量来表示，使用电子天平来测量样品的水份变化。 受到扰动影响的沉积物水份蒸发的过程比较缓慢，且在各种扰动的共同作用 下，水份的减少在总体上会比较不均匀。使用直接采样的天然沉积物样品来进行 实验，沉积物的水份依靠p v c 管两端来蒸发，使得水份的蒸发集中在两端，造成 测试结果失真，因此为了使沉积物水份蒸发比较均匀，必须设计特殊的塑料管作 为样品的容器。为此使用直径7 5 r a m 管壁上打满直径1 0 r a m 小孔的塑料管作为样 品容器。 图4 - 1 声衰减与含水量关系实验图 f i g 4 1e x p e r i m e n t a ld i a g r a mo fc o n n e c t i o n b e t w e e na t t e n u a t i o na n dt h ec o m e n to fw a t e r 如图4 1 ，使用特别制作的塑料管作为样品容器制作样品，将样品放置在电子 天平上，安装好换能器，分别记录换能器的波形，电子天平的读数，通过计算来 得出声衰减系数与水份减少量的曲线，推断声衰减和含水量的关系。 1 含水量实验样品 由于必须在样品容器上打孔，所以在含水量实验中只能使用人工样品，含水 第四章海底沉积物声衰减与含水量关系的实验 量实验样品和温度实验样品一样来自中科院南海海洋所采样剩余的沉积物，按照 2 2 2 的方法制作。本实验采用人工样品8 个，第一批制作样品4 个，第二批4 个， 实验成功样品第一批1 个，第二批2 个。 2 实验装置 ( 1 ) d b 4 型多功能声波仪； ( 2 ) 计算机； ( 3 ) 8 个直径7 5 m m ，长5 0 0 r a m ，管壁上打满1 0 r a m 直径小孔的特制塑料管， 密封盖1 6 个； ( 4 ) 2 个1 0 0 k h z 平面换能器，1 个1 0 0 k h z 锥形换能器； ( 5 ) 有机玻璃圆环或塑料泡沫圆环( 换能器支架) ； ( 6 ) 美国双杰电子天平h 5 0 0 0 ，称量范围5 0 0 0 9 ，精度0 1 9 ； ( 7 ) 若干薄膜小袋，用于实验后取样分析含水量； ( 8 ) 透明胶纸若干，用于管壁密封； ( 9 ) 托盘，用于放置样品； ( 1 0 ) 尺子，用于换能器距离测量。 4 1 2 实验步骤 含水量实验按照下面的步骤进行： 1 截取5 0 0 m m 长塑料管8 根，在管壁上每隔3 0 m m 打1 0 r a m 直径小孔，在管 壁上接近中间的地方打1 个直径大于2 0 m m 的孔； 2 用透明胶纸将塑料管壁上的小孔全部封住； 3 使用特制的塑料管，按2 2 2 所说的方法制作样品； 4 1 5 天之后，观察样品的状态，当发现样品流动性降低，除去两端密封盏， 使用两个平面换能器( 在发射面和接收面涂耦合剂) ，轻触样品两端，如果接收波 形良好，则可进行下步实验，如果波形很差，则将样品重新密封，过一段时间再 试测； 广东工业大学工学硕士学位论文 5 将试测成功的样品管壁上的胶纸除去，放置在托盘上，将托盘放置在电子 天平上； 6 锥形换能器插入管壁中间的直径2 0 m m 孔中，平面换能器插入样品两端， 连接好线路； 7 每隔一段时间记录接收换能器上的波形，电子天平的读数和测试的环境温 度； 8 当无法测得波形时( 此时显示器上没有明显波形) ，停止记录； 9 测出样品平面换能器之间的距离，平面换能器和锥形换能器之间的距离； l o 取出少量样品，放置薄膜袋中，等待样品成分分析； 1 1 将管中的沉积物倒出，测量管子、换能器、换能器支架、托盘的总重量， 将每个测试数据减去这个重量，得到样品每次测量的实际重量。 4 2 实验数据处理及分析 本实验的三个样品是样品1 3 0 、样品2 - 3 、样品2 - 9 ，其中样品1 3 0 和样品 2 - 9 为第二批样品，为砂一黏土一粉砂。样品2 - 3 为第一批样品，为黏土质粉砂。 经过中科院南海海洋研究所分析，样品1 3 0 含水量5 0 3 5 ，样品2 - 3 含水量6 3 9 2 ，样品2 9 含水量4 7 7 9 。 含水量实验受干扰较大，往往无法判断换能器是否接触状态发生变化，因此 含水量实验数据必须经过滤波之后读取换能器信号幅值，此外对于每一次读取的 数据进行频谱分析，剔除异常的数据点，以保证数据的正确性。 4 2 1 样品含水量实验数据处理 1 样品1 3 0 样品初重2 5 1 8 6 9 ，终重2 3 2 2 1 9 ，含水量变化7 8 。样品总长3 5 0 m m ，发 射换能器和锥形换能器之间距离2 5 1 r a m 。换能器能量换算倍数，= 2 8 3 。 测量样品的声速以及换能器幅值，计算声衰减衰减系数，列表如下： 表4 1 样品1 3 0 参数 水份减测量温度平面换能锥形换能声速声衰减系数测量时间 少量 ( ) 器幅值器幅值 ( m s )西( d b m ) ( 日期时间) ( g ) ( m y )( m v ) 01 5 8 1 7 6 03 4 5 1 4 8 8 1 1 8 9 8 41 3 0 1 2 ：0 3 2 5 6 1 5 2 3 1 1 04 4 01 4 8 i9 0 3 7 5 2 1 3 0 1 4 ：1 0 5 0 91 5 4 2 7 1 04 9 5 1 4 7 5 1 1 2 7 8 81 3 0 1 6 ：2 6 6 0 91 5 52 3 3 54 8 41 4 7 51 2 3 8 8 41 3 0 1 7 ：2 4 8 61 5 12 3 6 06 2 01 4 7 51 4 4 6 7 61 3 0 2 0 ：0 1 1 0 2 71 5 41 8 3 0 4 7 4 1 4 7 51 4 3 4 3 313 0 ，2 2 ：0 9 1 0 7 7 1 5 42 0 l o 4 8 5 1 4 8 81 3 7 2 1 41 3 1 1 1 ：1 1 1 1 7 4 1 6 1 6 3 7 55 9 61 4 8 11 7 3 2 7 913 1 1 l ：3 4 1 3 3 11 5 11 6 1 256 1 61 4 7 51 7 7 5 2 41 3 1 1 3 ：2 4 1 4 8 91 6 11 1 5 56 1 41 4 8 12 0 65 1 51 3 1 1 5 ：2 2 1 6 41 61 0 1 56 1 61 4 5 72 1 8 1 3 71 3 1 1 7 ：2 1 1 8 0 71 68 3 7 55 9 81 4 8 82 3 2 41 3 1 1 7 ：4 9 1 9 11 61 9 4 7 5 5 6 51 4 5 7 1 5 3 3 8 1 1 3 1 2 1 ：2 1 1 9 6 51 62 0 7 2 5 5 5 51 4 7 51 4 6 3 5 61 3 1 2 2 ：1 1 样品1 3 0 实验时间3 4 小时，测量过程温度变化范围1 5 1 1 6 1 。 图4 2 中，可以看出样品声速变化不大，变化范围为1 4 5 7 m s 1 4 8 8 m s ，有 微微的下降趋势。图4 3 声衰减系数范围一9 0d b m 1 5 4d b m 之间，曲线波动较 大，很难判断其变化趋势，有必要对其进行频谱分析。 频谱分析结果如图4 - 4 ，4 - 5 ，从图中看两个换能器在整个测试过程过出现很 多频率，在每个测试点上频率的能量分布不同，即是在样品的测试过程中每个状 态换能器受到的扰动不同，这是因为，在实验室环境中，每个测试点的具体的空 气流通速度，温度、湿度会有轻微的变化，造成水份的蒸发速度不同，加上在测 试过程中样品由于水份的蒸发而发生收缩，对换能器挤压或拉动，致使换能器的 耦合状态不同。所以声衰减系数曲线失真，不能反映真实的声衰