（机械电子工程专业论文）海底沉积物声学特性小距离测量系统设计与实验研究.pdf

摘要 摘要 海底沉积物声学特性的研究在经济建设与国防等领域均具有重要的意义。海底沉 积物声学研究的主要声特性参数包括：声速、声衰减。目前沉积物声学特性的主要研 究反映的是整段沉积物样品的综合效应，无法在微观结构上研究沉积物细致的声学特 性数据。因此，为满足海底沉积物微观声学特性研究需要，在本研究组前期研究的基 础上，本文改进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，并进行了沉积物声学特性小距离测量研究，获取沉积物样品小距离横截面 间的声传播信号。 论文介绍了海底沉积物测量系统研究现状，包括原位测量系统与实验室测量系统。 概述了海底沉积物的主要声学特性以及沉积物样品的制作。针对本实验测量原理，分 析了沉积物声速和声衰减特性的计算方法。 系统包括结构定位子系统及采样测量子系统两部分。介绍了结构定位子系统的垂 直移动模块和水平移动模块的原理和功能以及声波探针结构。通过分别对采样测量子 系统的各个硬件模块介绍搭建了测量系统的硬件平台。硬件模块方面给出了超声波信 号发射电路、超声波信号接收模块，详细介绍了数据采集模块的各个接口电路。软件 方面编写了单片机控制a d 9 8 5 0 频率控制字程序，给出了各个模块的程序流程图；对 c p l d 器件进行编程，将沉积物中的模拟声波信号转换为1 4 位的数掘量信号并存储在外 部双口r a m 中；采用v b 6 0 编写了上位机数据读取和处理程序，给出了其工作流程图。 通过实验测量，求出两个声波探针的时间差。为了能更准确地表示沉积物的声学 特性，对整个测量系统进行声速和声衰减的偏差校验。运用设计的声学特性测量系统， 以4 0 k h z 的平面发射换能器和两个声波探针为传感器，进行了海底沉积物声学特性小 距离测量实验。对采集到的声波信号进行分析处理，主要包括声速和声衰减特性。研 究了声波探针在相同测量间距不同采样率下对实验测量结果的影响，对比分析声波探 针在两个采样率下的测量结果发现声速和声衰减变化情况一致。 结合实验测量过程中发现的问题和不足，提出海底沉积物声学特性小距离测量实 验需进步改进意见。 关键词：海底沉积物，声学特性，c p l d ，声波探针 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s e a f l o o rs e d i m e n ta c o u s t i cp r o p e r t i e sr e s e a r c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ne c o n o m i c c o n s t r u c t i o na n dn a t i o n a ld e f e n s e t h em a i na c o u s t i c p a r a m e t e r so fs e a b e ds e d i m e n t a c o u s t i c sr e s e a r c hi n c l u d e ：t h es o u n dv e l o c i t y , t h ea c o u s t i c a t t e n u a t i o n b u tt h ee x i s t i n g s e a b e ds e d i m e n ta c o u s t i c sr e s e a r c hw a s j u s tt or e f l e c tt h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c to ft h ew h o l e s e d i m e n t s a m p l e s ，a n du n a b l et os t u d yt h ea c o u s t i c p r o p e r t i e s o fs e d i m e n ti nt h e m i c r o 。s t r u c t u r e s oi no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fs e a b e ds e d i m e n t r e s e a r c hi n m i c r o s t r u c t u r e ，am u l t i c h a n n e l sm e a s u r e m e n ts y s t e mw i t ht h e p r o b e sa n dc o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cc o m p o n e n t sb a s e do nf o r m e rr e s e a r c h ，a n dt h ea c o u s t i c p r o p e r t i e s r e s e a r c ho fs e a b e ds e d i m e n to ns m a l l g a pw a sc a r r i e do u t ，a sw e l la st h es o u n ds i g n a lo f t h e s e d i m e n ts a m p l eo ns m a l l g a pw a so b t a i n e d t h ee x i s t i n gr e s e a r c ho fs e a b e ds e d i m e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mw a si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , i n c l u d i n gt h es i t um e a s u r e m e n ts y s t e ma n dl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n ts y s t e m t h em a i n a c o u s t i cp r o p e r t i e so fs e a b e ds e d i m e n ta n dt h ep r e p a r a t i o no fs e d i m e n t s a m p l e sw e r e i n t r o d u c e da sw e l l m o r e o v e rt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es e d i m e n ts o u n d v e l o c i t ya n dt h e a c o u s t i ca t t e n u a t i o nw a s a n a l y z e db a s e do nt h i se x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e t h i ss y s t e mc o n s i s t e do fs t r u c t u r ep o s i t i o n i n gs u b s y s t e ma n d s a m p l i n gm e a s u r e m e n t s u b s y s t e m t h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o no ft h ev e r t i c a l l ym o v a b l em o d u l ea n dh o r i z o n t a l l y m o v a b l em o d u l ea n dt h ep r o b es t r u c t u r ew e r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r e p l a t f o r mo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mw a si n t r o d u c e dt h r o u g ht h eh a r d w a r ec o m p o n e n t so f t h es a m p l i n gm e a s u r e m e n ts u b s y s t e m a n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t sw e r ei n t r o d u c e di n d e t a i l ， i n c l u d e dt h eu l t r a s o n i cs i g n a lt r a n s m i t t i n gm o d u l ea n dt h eu l t r a s o n i cs i g n a l r e c e i v i n gm o d u l e m o r e o v e rt h ea d 9 8 5 0f r e q u e n c yc o n t r o lw o r dp r o g r a mw a sw r i t t e n ，a n dp r o g r a mf l o w c h a r t so ft h ee a c hm o d u l ew e r es h o w e di nt h ep a p e r t h ea n a l o gs o u n dw a v e s i g n a lo ft h e s e d i m e n ts a m p l e sw a sc o n v e r t e dt o14 - b i t ss i g n a la n dw a s s t o r e di na ne x t e r n a lt w i np o r t r a m t h ep cd a t ar e a d i n ga n dp r o c e s s i n gp r o g r a mw a sw r i t t e nb yv b 6 0 ，a n dt h ef l o w c h a r tw a ss h o w e di nt h i sp a p e r t h et i m ed i f f e r e n c eb e t w e e n t w oa c o u s t i c p r o b e s w a so b t a i n e d t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s i no r d e rt or e p r e s e n tt h ea c o u s t i cp r o p e r t i e so ft h es e d i m e n t 广东工业大学硕士学位论文 s a m p l ea c c u r a t e l y , t h ee r r o ro ft h es o u n dv e l o c i t ya n da c o u s t i ca t t e n u a t i o no ft h ew h o l e m e a s u r e m e n ts y s t e mw a sc h e c k e d b a s e do nt h ea c o u s t i cp r o p e r t i e sm e a s u r e m e n ts y s t e m , t h es e a b e ds e d i m e n ta c o u s t i cp r o p e r t i e so ns m a l l g a pm e a s u r e m e n te x p e r i m e n tw a sc a r r i e d o u tu s i n gt h et w op r o b e st ob es e n s o r s a n da n a l y z i n gt h es o u n dw a v es i g n a l sc o l l e c t e db y t h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，m a i n l yi n c l u d e ds o u n dv e l o c i t ya n da c o u s t i ca t t e n u a t i o n t h e i n f l u e n c eo ft h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tr e s u l t sw i t ht h es a m em e a s u r e m e n td i s t a n c ea n d d i f f e r e n ts a m p l i n gr a t e sw a ss t u d i e d ，a n d p r o v e dt h a tf l u c t u a t i o n so fs o u n dv e l o c i t ya n d a c o u s t i ca t t e n u a t i o nw e r et h es a m e ，b a s e do nt h ea n a l y s i sc o m p a r i s o no ft w or e s u l t s m e a s u r e db yd i f f e r e n ts a m p l i n gr a t e s t h ei m p r o v i n ga d v i c ea b o u tt h es e a b e ds e d i m e n ta c o u s t i c p r o p e r t i e so ns m a l l g a p m e a s u r e m e n te x p e r i m e n tw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e lc o m b i n e dw i t ht h ep r o b l e m sf o u n di n t h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：s e a b e ds e d i m e n t ；a c o u s t i cp r o p e r t i e s ；c p l d ；a c o u s t i cp r o b e 广东工业大学硕士擘位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g s h ) i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 。1 b a c k g r o u n d p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e so f t h er e s e a r c h 1 1 2c u r r e n tr e s e a r c hs t a t i co f s e a b e ds e d i m e n ta c o u s t i cp r o p e r t i e s 1 1 2 1c u r r e n tr e s e a r c hs t a t i co f i ns i t um e a s u r e m e n ts y s t e m 2 1 2 2c u r r e n tr e s e a r c hs t a t i co fl a b o r a t o r ym e a s u r e m e n ts y s t e m 6 o r i g i na n dc o n t e n to f t h er e s e a r c h 8 1 4s t r u c t u r eo f t h et h e s i s 8 c h a p t e r2m e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fs e a b e ds e d i m e n t s o ns m a l l g a p 1 0 2 1a c o u s t i cp r o p e r t i e so f s e a b e ds e d i m e n t s 10 2 2m e a s u r e m e n ts a m p l e so fs e d i m e n t s 11 2 3m e a s u r e m e n tp r i n c i p l eo fs e d i m e n t so ns m a l l g a p 12 2 4c a l c u l a t i o nm e t h o do f s e d i m e n ta c o u s t i cp r o p e r t i e s 13 2 4 1c a l c u l a t i o nm e t h o do f s e d i m e n ts o u n ds p e e d 1 3 2 4 2c a l c u l a t i o nm e t h o do f s e d i m e n ta c o u s t i ca t t e n u a t i o n 1 4 2 5 c h a p t e rs u m m a r y 1 5 c h a p t e r 3o v e r a l ld e s i g no fm e a s u r e m e n ts y s t e m 16 3 1o v e r a l ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no f t h es y s t e m 1 6 3 2 p o s i t i o n i n gs u b s y s t e mo fs t r u c t u r e 1 7 3 2 1h o r i z o n t a lm o v i n gm o d u l e 1 9 3 2 2v e r t i c a lm o v i n gm o d u l e 2 0 3 3 s a m p l i n gm e a s u r e m e n ts u b s y s t e m 2 1 3 4i n t r o d u c eo f u l t r a s o n i cp r o b e 2 2 3 5 c h a p t e rs u m m a r y 2 4 c h a p t e r4h a r d w a r ed e s i g no fs a m p l i n gm e a s u r e m e n ts u b s y s t e m 2 5 v 1 1 i c o n t e n t s 4 1 e n t i r ed e s i g no fh a r d w a r es y s t e m 2 5 4 2 t r a n s m i t t i n gm o d u l eo f u l t r a s o n i c 2 6 4 2 1e n t i r es c h e m eo f t r a n s m i t t i n gm o d u l e 2 6 4 2 2i n t e r f a c ec i r c u i to f s c ma n d a d 9 8 5 0 2 6 4 2 3p o w e r a m p l i f y i n ga n dd r i v i n gc i r c u i t 2 8 4 3 r e c e i v i n gm o d u l eo f u l t r a s o n i c 2 9 4 一d e s i g n o f d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 2 9 4 4 1p o w e rs u p p l y d e s i g n 3 0 4 4 2m i c r o p r o c e s s o r o f c p l d 31 4 4 3d o w n l o a di n t e r f a c eo f j t a g 3 1 4 4 一c o n d i t i o n i n gc i r c u i td e s i g no f s i g n a l 一3 2 4 4 5c o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g no f a d 3 3 4 4 6s t o r a g ec i r c u i td e s i g n 3 4 4 5 c h a p t e rs u m m a r y 3 6 c h a p t e r5s o f t w a r ed e s i g no fm e a s u r e m e n ts y s t e m 3 7 5 1 s u m m a r yo f s y s t e ms o f t w a r e 3 7 5 2 p r o g r a md e s i g no f s c mo f u l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n gm o d u l e 3 7 5 2 1m a i np r o g r a mo f s c m 3 7 5 2 2s e r v i c ep r o g r a m o f i n t e r r u p t0 3 8 5 2 3s e r v i c ep r o g r a mo f i n t e r r u p ti 3 8 5 3 p r o g r a md e s i g no f d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 4 0 5 3 1s u m m a r y o f a c q u i s i t i o ns y s t e m 4 0 5 3 2d i v i d e ro f c l o c k 4 3 5 3 3c o n v e r s i o no f a da n dd a t as t o r a g ec o n t r o l 4 3 5 3 一r e a d i n gc o n t r o lp r o g r o mo f r a m 4 6 5 4d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mo f p c 4 8 5 5 c h a p t e rs u m m a r y 4 9 c h a p t e r6m e a s u r e m e n te x p e r i m e n to ns m a l ld i s t a n c eo f a c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c so f s e a b e ds e d i m e n t 5 0 i x 广东工业大学硕士学位论文 6 1 t i m ed i f f e r e n c eo f t w ou l t r a s o n i cp r o b e s 5 0 6 2a c c u r a c a lc a l b r a t i o no f m e a s u r e m e n ts y s t e m 5 0 6 2 1s c h e m ed e s i g n 5 1 6 2 2a n a l y s i so f m e a s u r e m e n td a t a 51 6 3s c h e m ed e s i g no f e x p e r i m e n t a l 5 2 6 4 o p e r a t i o np r o c e d u r eo f m e a s u r e m e n t 5 3 6 5m e a s u r e m e n tr e s u l ta n da n a l y s i so f s e d i m e n ta c o u s t i cp r o p e r t i e s 5 4 6 5 1p a r a m e t e r so f m e a s u r e m e n t 5 4 6 5 2r e s u l to f a c o u s t i cv e l o c i t ya n da n a l y s i s 5 5 6 5 3r e s u ko f a c o u s t i ca t t e n u a t i o na n da n a l y s i s 6 0 6 6t h ei n f l u e n c eo ft h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n tr e s u l t sw i t ht h es a m e m e a s u r e m e n td i s t a n c ea n dd i f f e r e n ts a m p l i n gr a t e s 6 2 6 6 1e x p e r i m e n t a ld e s i g n 6 2 6 6 2i n f l u e n c eo f t h ea c o u s t i cv e l o c i t y 6 2 6 6 3i n f l u e n c eo f t h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o n 6 6 6 7 c h a p t e rs u m m a r y 6 8 c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 6 9 c o n c l u s i o n s 6 9 p r o s p e c t s 6 9 r e f e r e n c e 7 1 t h el i t e r a t u r e sp u b l i s h e dd u r i n gp e r i o do f s t u d y i n gf o rm a s t e rd e g r e e 7 4 d e c l a r a t i o n 7 5 a c k n o w l e d g e m e n t 7 6 a p p e n d i x 7 6 7 x 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁t 匕 1 1 研究的背景、目的和意义 随着人类社会经济的快速发展，陆地上的资源越来越少，已无法满足人类社会发 展的需求。海洋的总面积约为3 6 l 亿平方公里，占地球总面移! 的7 1 ，蕴藏着丰富的 矿产、石油、可燃冰、天然气水合物等海洋能源。此外，海洋还提供海浪能、温差能、 风能、太阳能、洋流能等可再生资源。因此，加大海洋资源的丌发利用对人类社会的 发展具有重要的意义。 为满足现代社会的发展，人类的海洋经济活动日益频繁，海上和海底工程项目不 断增多，主要有海底石油丌采、海底矿产资源开发和跨海大桥建造等。人类对海底资 源的迫切需求，促进了海洋科学技术的快速发展，而海洋科学技术的发展同时也满足 了人类对海底资源开发和海洋工程的要求。在国防上，海洋声学在水下战场起着至关 重要的作用。调查了解我国海军作战海域的海洋环境，海底声学特性和地形地貌，能 极大的提高我海军的作战能力，使我军在未来的信息战中取得决定性的胜利。因此， 对海底沉积物声学特性的研究在经济建设与国防领域均具有重大的意义。 海底沉积物在长期历史在经过地质运动、洋流输运及海洋生物分解等作用下，具 有了复杂的外部特征。海底沉积物形成了复杂的地声特性，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。声波能在水下远距离、大范围和大深度 传播，也能深入沉积物，然后反射回来，回波传递了海水与沉积物信息，从而成为海 底沉积物探测的主要而有效的手段”，。声速和声衰减是海底沉积物声特性研究中两个主 要的声学特性参数。沉积物声速直接反映出声波在海底传播的快慢程度；沉积物声衰 减反映出海底对声波传播和地震波作用过程的影响。目前的沉积物声学特性实验室研 究，主要采用声波透射法测量海底沉积物柱状样品的穿透时间和振幅，在已知样品长 度的情况下可计算沉积物的声速、声衰减等声学特性参数h - 。 目前，沉积物声学特性的主要研究反映的是整段样品的综合效应，无法在微观结 构上研究沉积物细致的声特性数据。因此，为进一步了解海底沉积物微观声学特性， 设计一套沉积物声学特性小距离测量系统是十分有必要的。 1 2 海底沉积物声学特性测量系统研究现状 海底沉积物声学特性主要包括声速和声衰减两个研究内容。目前，在海底沉积物 l 广东工业大学硕士学位论文 声学特性测量研究中，主要有原位测量、实验室取样测量和遥感测量三种方法。遥感 测量需要在原位测量与实验室测量建立的沉积物地声模型的基础上进行，难度较大， 需较大工作量，因而研究者们主要采用沉积物的原位测量和实验室样品测量方法。与 这两种方法相对应的测量系统可分为原位测量系统和实验室测量系统。 1 2 1 原位测量系统研究现状 海底沉积物原位测量法( i ns i t um e a s u r e m e n t ) 是指海底沉积物的应力、结构、 温度和压力等所有环境因素保持在自然状态下，通过一定的测量仪器和方法，测量海 底沉积物的声学特性，如声速和声衰减特性等，并依据测量数据分析或经验公式评估 沉积物内部结构。 海底沉积物的现场测量起于2 0 世纪6 0 年代，l i a m i i t o n ”“在1 9 5 6 年制作了一种声 学探头，由潜水员带到海底( 水深小于3 0 米) ，现场测量沉积物的声速值。随后又借 助深潜器，使仪器可工作在水深1 2 0 0 米的海底，进一步测量海底沉积物的原位声速。 近3 0 年来，国外比较成功投入使用的声学原位测量仪器主要有三种，它们分别是：美 国夏威夷大学地球物理学与行星学研究所( h a w a i ii n s t i t u t eo fg e o p h y s i c sa n d p l a n e t o l o g yu n i v e r s i t yo fh a w a ii ) 研制的声学长矛( a c o u s t i cl a n c e ) 1 ，可用于测 量海底表面以下1 0 米沉积层的纵波声速和声衰减；美国海军实验室( u s n a v a l r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 研制的原位沉积物声学测量系统i s s a m s ( i ns it us e d i m e n t a c o u s t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m ) 阳。，可原位测量海底浅表层3 0 c m 的纵波速度、横波速 度和声衰减；英国公司研制的沉积物声学和物理特性测量系统s a p p a ( s e d i m e n t a c o u s t i ca n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sa p p a r a t u s ) ，可以连续测量海底下1 3 m 沉积物的 纵波波速和横波波速、声衰减等声特性，锥阻力、渗透系数、以及压力、温度、盐度 等物理参数。 原位测量包括了海底自然环境的所有因素所引起的效应，同时现场测量还可以避 免沉积物在取样和运输过程中由于扰动而带来的测量误差，因而具有精确性和可靠性 高等特点，能更真实地反映沉积物的声学特性。现对声学长矛和s a p p a 原位测量系统 作简要的介绍。 1 声学长矛( a c o u s t i c ) 系统 声学长矛( 图卜1 ) 是美国夏威夷大学于1 9 9 8 年研制完成的沉积物声学原位测量 系统。该系统主要包括两个组成部分：机械部分和电子部分。机械部分是一个重力取 2 第一章绪论 样器；电子部分主要包括发射电路、接收电路和电源部分，分别装在2 个压力罐中。 发射换能器和压力罐放在顶端。十个水听器按顺序等间距安装在重力取样管上。发射 采用单频发射，中心频率为1 6 k h z ，接收频率范围为5 2 0 k h z 。 图1 1 声学k 矛 f i g 1 1a c o u s t i cl a n c e 声学长矛可以在深海、浅海和砂质沉积物中进行原位测量试验。其工作原理为： 在进行海底沉积物声学特性测量时，首先通过重力将整个测量装置缓慢插入海底沉积 物中。当声学长矛插入到指定深度时，由船上工作人员操作控制位于装置顶端的发射 电路驱动发射换能器发射超声波信号，等间距分布在重力取样管上的1 0 个水听器同 步依次接收超声波信号。通过比较相邻两个水听器接收到声波信号的时间差，便可计 算出沉积物声速。读取和比较1 0 路超声波信号的波幅即可得到海底沉积物沿深度方 向的声衰减特性。 2 原位沉积物声学和物理特性测量系统( s a p p a ) s a p p a ( s e d i m e n ta c o u s ti ca n dp h y s i c a lp r o p e r ti e sa p p a r a t u s ) 是英国安普顿 海洋中心和英国g e o t e k 公司两家在1 9 9 2 年设计生产的一种新型原位声学和土工特性 测量系统( 图卜2 ) 。该系统由一个坚固、圆底钢架构成，钢架用于试验新研制的地震 声学系统。在钢架离开海底沉积物前，可从沉积物中缩回2 个p 波探头，以避免探头 上的横向受力折弯探头。整个控制与电子设备系统装在框架上的压力管内，电源为2 节2 4 v 水下蓄电池。系统工作水深最大为6 0 0 0 米，可测量海底下1 3 米处沉积物的声 学特性，如纵波波速和横波波速、声衰减、锥阻力、渗透系数、压力、温度、盐度等 3 广东工业大学硕士学位论文 = = = = = = = = = 皇= = = = ii ir t 曙皇= 皇= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 皇= = = = = = = = = = = = = = = 詈 参数。纵波的频率范围对粗沙沉积物为1 - - l o k h z ，对细软沉积物为1 0 一i o o k h z 。横波 的频率范围7 忙1 7 0 h z 。 图卜2 原位沉积物声学和物理特性测量仪 f i g 1 - 2s e d i m e n ta c o u s t i ca n dp h y s i c a lp r o p e r t i e sa p p a r a t u s 在我国，海底沉积物声学特性原位测量起步比较晚，依然处于试验阶段。国内原 位测量系统主要有三个：吴家仁、张卫等在8 0 年代利用l d e l 一l 型静力采样器设计的 沉积物现场测量仪。该测量器具有采样容量大，抗流能力强，不扰动样品，分样方便 等特点n o ，。陶春辉叫，等在2 0 0 2 年设计的海底多频声学原位测试系统。该系统具有较大 的探测深度( 2 8 8 米) ，最大工作水深可达3 0 0 米，可多频测量海底沉积物的声速和声 衰。阚光明、刘保华n 2 1 等研制的液压驱动贯入的自容式海底沉积物声学原位测量系统， 可原位测量海底沉积物现场声速和声衰减系数。现对后两种测量系统作进一步介绍。 1 多频声学原位测试系统 多频声学原位测试系统，由电子系统、发射接收换能器和机械结构三大部分构成。 电子系统分为水面监控系统、水下控制系统、发射系统和信号采集调理系统四个部分。 发射系统由发射驱动电路和信号放大电路两部分组成。机械部分分为隔声系统、重力 平衡系统、接收辅助系统和压力仓等。8 个水听器沿着特别设计的重力管等距离( 2 5 c m ) 分布，组成一个水听器阵。利用此阵列接收的声波时间差和振幅差可算得沉积物原位 声速和声衰减特性。 4 第一章绪论 图卜3 多频原位声学测量系统 f i g 1 - 3a c o u s t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mo fm u l t if r e q u e n c yi ns i t u 2 液压驱动贯入的自容式海底沉积物声学原位测量系统 液压驱动贯入的自容式海底沉积物声学原位测量系统”1 主要由四部分构成：水下中 央控制单元、换能器单元、声学单元和液压驱动贯入单元，外形如图卜4 所示。其工 作原理：系统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，由发射换 能器发射超声波信号，信号在沉积物中传播过程中被三个接收换能器接收，采集电路 对接收到的信号进行相应处理后将转换成的数字信号存储到系统存储单元。系统工作 水深为5 0 0 m ，测量深度为1 m ，测量频率为3 0 k h z ，采样频率为i o m h z 。 图1 - 4 液压驱动贯入的自容式海底沉积物声学原位测量系统 f i 吕卜4s e d i m e n ta c o u s t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mo f s e l f - c o n t a i n e db yh y d r a u l i cd r i v i n gp e n e t r a t i o n 广东工业大学硕士学住论丈 1 2 2 实验室测量系统研究现状 目前，由于资金和技术等方面的原因，国内研究者对海底沉积物声学特性的研究 主要采用实验室测量法。通过对采集回来的柱状样品进行测试从而获取海底沉积物的 声学特性。实验室样品测量采用的系统基本是一致的：在现有的成套测量仪器的基础 进行测量方法的实验研究。测量整段沉积物宏观声学特性的系统有：钱币明的直立同 轴声哀减测量系统、刘强的垂直轴差距声衰减测量系统和梁润华的同轴差距声衰减测 量系统；沉积物微观