超声多普勒测量海底渗漏气泡流速的实验研究.docx

1、海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYdoi:10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.008超声多普勒测量海底渗漏气泡流速的实验研究刘润华，邹大鹏.，龙建军，胡少兴(广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)摘要:海底渗漏气泡流速是测量海底冷泉渗漏气体流量的主要参数。为了测量海底渗漏气泡流速，利用超声多普勒测量的原理和气泡的二次多普勒效应，提出海底渗漏气泡速度的超声多普勒测量方法。超声多普勒测量根据超声多普勒原理设计了气泡流量测量装置，通过多普勒频移算出海底渗漏气泡流速，同时用视频法测出海底渗漏气泡流速。从多普勒法和视频法的气泡速度数据I分

2、布95%的置信水平误差可知，视频法的气泡速度数据的波动大于多普勒法的气泡速度数据的波动，表明了超声多普勒测量海底渗漏气泡流速的有效性和准确性，优于视频法测量海底渗漏气泡流速。关键词:海底冷泉渗漏；多普勒；频移；气泡流速中图分类号：0429文献标志码：A文章编号:1003-2029(2016)02-0046-05收稿日期:2015-03-10基金项目：三亚深海科学与工程附晰知识创新工程领域前沿项目资助0DSSE-2O12O8)；广东省科技计划资助项目(2014A040402008)作者简介:刘润华(1987-),男.硕士研究生，主要从事海洋声学检测技术研究。E-mail:294863052通讯作

3、者:邹大鹏(1977-).男.副教授.主要从事工程装备和声学检测技术研究。E-mail:anthonyzou海底冷泉渗漏是海洋环境中广泛分布的自然现象山，部分渗漏到海洋水体以及大气中,天然气的成分主要为甲烷，甲烷是重要的温室气体之-，每年通过海底冷泉天然气渗漏释放到海洋水体及大气中的甲烷的量是巨大的部分渗漏天然气在适合的环境中将生成天然气水合物，储存在水合物中的天然气有可能成为未来能源。人类有必要对海底冷泉进行观测，探测出海底冷泉天然气的渗漏量。目前测量海底冷泉天然气的渗漏量应用的方法有：容积收集法件气利用收集器直接收集海底冷泉天然气渗漏的气泡气体的量，难以用于较深的水域和连续观测；回波强度检

4、测气泡流量法利用气泡柱反射I可波的强度间接检测海洋中的气泡的流量，回波信号强度主要取决于被测气泡柱状流界面的反射，网波没有探测到气泡柱状流内部信息；摄像装置观测渗漏气泡法叫采用高分辨CCD获取气泡流动图像，采用图像处理软件计算气泡的直径，此方法分辨率高，需要光源耗电大，所以适宜短时观测;遥测红外成像法四,根据甲烷强烈吸收短波红外线的特性，采用光潜数据评估释放到海面的甲烷数量，该方法适用于大范围的海底冷泉渗漏量定性估计，难以定量测景渗漏量。本文基于测量前调整气泡状态并用透射声波测量渗漏气泡流量的方法吗，在开展了超声测截而含气率和光学测气泡流速的实验研究基础上，提出应用超声多普勒测速法测量海底渗漏

5、气泡流速。1超声多普勒测量原理和方法1.1超声多普勒测量的原理多普勒超声流量测量的原理是基于物理学中声波的多普勒效应，当超声波声源和反射界面或散射体之间存在相对运动时，被反射或被散射的超声波信号的频率将产生变化，该频率与声源超声波频率之间的差值与相对运动的速度成正比。这一现象是物理学家ChristianJohannDoppler于1842年首次发现的，被称为多普勒效应。接收信号的频率与声源的频率之差称为多普勒频移，相应的频差信号称为多普勒信号。当气液两相中存在着可供反射或散射超声波的运动粒子（例如气泡、固体粒子等）时,便可利用多普勒信号确定运动粒子的速度。1.2超声测量的二次的多普勒效应如图1

6、所示,发射超声波流量:传感器透穿过气泡流动的通道是一个矩形通道，是由网状材料组成，目的是超声波透射而不改变原来的路径和运动气泡能固定在矩形测量通道内，使作用在运动气泡的超声波能返回接收超声波流量传感器。图1反射式二次多普勒图解二次的多普勒效应"（如图1）是指：（1）若声源静止、接收点运动，则接收点收到一个波长的时间（周期）变化，因而产生多普勒频移。运动着的气泡首先作为接收体即产生了第一次多普勒效应；（2）若声源运动、接收点静止，则由于声源运动使波在传播过程中发生波长变化，因而产生多普勒频移。由于声波散射（反射），气泡再作为运动的声源产生了第二次多普勒效应。1.3超声测量的方法接收信号

7、的频率/与声源的频率f0之差称为多普勒频移刀，即底事。可以写成式（1）1，4）:fd=虫（COS。+CO幼）（1）C式中:C为超声波高频在水气介质中传播速度,可以看成是水介质的声速，随着频率增高，水气介质的声速接近于无气泡时的状态|叫”为气泡流速；a为发射超声波束与气泡流速方向矢量夹角;务为接收超声波束与气泡流速方向矢址夹角（其中发收超声波束是无方向性）。当伉与务大致相等，由式（1）可得：由（2）式可知，气泡速度0与多普勒频移刀成正比。测出多普勒频移，就可以算出气泡速度频移可以通过短时FFT计算，频谱分析可以得出超声换能器接收到频率成分。2超声多普勒测量海底渗漏气泡流速装置的设计根据超声波发射

8、和散射定律阳:当障碍物直径大于超声波波长的1/2时，在障碍物表面主要发生反射;当障碍物直径小于超声波波长的1/2时，在障碍物表面主要发生散射。反射的回波比散射的回波功率强。因此,超声多普勒需要设计成反射式的方式。气泡破碎均匀后的气泡直径在35mm,选用中心频率为973kHz的超声换能器，超声波在水介质传播的波长为1.5mm,符合超声波发射和散射定律的反射条件。海底渗漏气泡流速的超声多普勒测量装置（图2）由4个部分组成:模拟海底冷泉渗漏气泡形成部分、气泡收集预处理部分、声波测量部分和视频验证部分。模拟海底冷泉渗漏气泡形成部分,空压机（气源）产生压缩空气进入水池中压缩气体的流量，压缩气体在水中形成

9、气泡，模拟海底冷泉渗漏气泡产生过程。气泡收集预处理部分，气泡收集预处理装置收集产生的气泡，预先破碎调整气泡的流动状态，使其大小基本一致,在水中的分布趋于均匀。1.气管2.发射换能器3.接收换能器4.水面5.水池图2超声多普勒测量装置示意图声波测量部分,声波测虽部分由奥迪威超声波流量传感器（AW5Y0980K03L142Z）.TH204B声波仪、电子电路、PC机组成。通过TH204B声波仪单次采集激发电子电路产生有限个正弦波作用于奥迪威超声波流量传感器，为TH204B声波仪同步采集接收换能器的数据。图3直达波的幅值曲线超，”波响应核谓曲技972.4972.6972.8973973.2秘率/kHz

10、图4无气泡时接收数据的频谱图视频裁证部分t要:由工业摄像机、视频采集卡与PC机组成.用来观察验证气泡预处理的效果以及计算气泡流速来检测多普勒频移法测出的海底渗漏气泡流速的准确性。3超声多普勒测量海底渗漏气泡流速的实验结果实验采用有限个（20000个）正弦波发射频率取值为奥辿威超声波流ht传感器的谐振频率973kHz作为发射，同步采样的间隔为0.5四（采样频率为2MHz）,采样长度32k字样,们取值为60。,水中声速常温时1500ni/s实验在无气泡和有气泡不同流lit的情况下进行对比。3.1无气泡时的实验因有宜达波（声电泄漏）的存在，实际上接收换能器也会右信号进来，时域波形如图3,而此时的信母

11、就是发射基频，对采集到的数据经过短时FKT多次测他读数可以得到频率为/4972.7164kHz（图4）。汽达波帆依曲纹泡反射回来的频率。10000120001400016000W图5有气泡时的幅值曲线切声波响应倾清曲线972972.5973973.5秘率/kHz32图6有气泡时接收数据的频谱图3.2有气泡时的实验在有气泡时对采集到接收超声流最换能器的数据（图5）进行短时FFT的运算可得有气泡时的频谱图（图6）仃两个峰对应的频率是基频和经过气通过有无气泡对比实验（如图4和图6）对比验证了超声多普勒频移的存在，多普勒频移伉刀就是图6两峰对应频率差值。3.3不同气流量下的频移值及海底渗漏气泡速度为了

12、算出具体的多普勒频移值,本实羚在不同气体流量情况卜.如在20seem,40seem,60seem,80seem,100seem,120seem,140seem.160seem,180seein,200sccm（其中seem为mL/min）时，进行5次测kt求出多普勒频移的平均值，根据（2）式求得海底渗漏气泡的平均速度在不同流W：下具体对应的多普勒频移值和气泡速度值如表1所示。表I不同流量下海底渗漏气泡的速度流址/seem刀/kHz气泡速度r/m-s-'20031740.2826400.35410.3153600.37850.3370800.40290.35871000.41510.36

13、961200.43950.39131400.45170.40221600.48830.43481800.50050.44572000.52500.4674测得每隔20seem流量下具体对应的多普勒频移值、多普勒法海底渗漏气泡速度值数,绘制出气流量-多普勒频移图及拟合曲线，如图7所示。气体流址-气泡速度"95%的置信水平误差棒图050100150200250，体流U/seem55050.45040.350.3oO对比多普勒法气泡速度数据和视频法的海底渗漏气泡速度数据，两种方法的测虽结果接近，趋势相同，不过视频法在大流址下因为紊流的因素,引起速度计算减小。两种方法的海底渗漏气泡速度数据t

14、分布95%的置信水平误差如图804结语本实验超声多普勒测量海底渗漏气泡多普勒频移在0.30-0.55kHz之间，气泡平均速度0.280.47m/s左右，与胡柳等明文中用视频法测量气泡流速结果一致。本实验用视频法的结果和多普勒法进行了对比，多普勒法的数据和视频法的数据，分布置信水平为95%的预测区间交叉重合度较大，从多普勒法和视频法的气泡速度数据I分布95%的置信水平误差仰知，视频法的气泡速度数据的波动大于多普勒法的气泡速度数据的波动，表明了超声多普勒测晨海底渗漏气泡流速方法的精度更高。基于多普勒频移法测量海底渗漏气泡速度和视频法测量海底渗漏气泡速度存在一些差异。原因有:（1）气泡上升的不只是单

15、纯的垂直上升，而是在上升过程中存在着微小的左右摆动皿，以致超声波声束与气泡流速方向夹角的难以准确测量，只能以一个估算值代替此夹角；（2）多普勒法测的是海底渗漏气泡的瞬时速度（即是垂直上升方向和水平方向的合成速度）;视频法测出的数据是投影速度（即垂直11升的速度），忽略了水平方向的运动;（3）短时FFT频率分辨率有待提高，频率分辨率（少寸ZV,其中/为采样频率,N为数据点数）为0.061kHz,对应海底渗漏气泡速度分辨率为0.054m/s0以上研究表明，多普勒频移法测量海底渗漏气泡速度优于视频法测量:海底渗漏气泡流速，可以为测量海底冷泉渗漏流提供一种新的方法。图8气体流量一气泡速度/分布95%的

16、置信水平误差棒图参考文献：1 JuddAG.TheGlobalImportanceandContextofMethaneEscapefromtheSeabedJJ.Geo-MarineLetters.2003,23:147-154.2 AmourouxD,RobertsG,RapsomanikisS,clal.BiogenicGasEmissiontotheAtmospherefromNear-ShoreoftheNorth-WesternBlackSeaJ.Estuarine,Coastal&ShelfScience,2002.54:575-587.3 刘勇健，李饱明.张丽娟，等.未

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22、UltrasonicDopplerMeasurementoftheVelocityofSeafloorLeakageBubblesLIURun-hua,ZOUDa-peng,LONGJian-jun,HUShao-xingSchoolofElectromechanicalEngineering.GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,GuangdongProvince.ChinaAbstract：Thevelocityofseafloorleakagebubblesisanimportantparametertomeasurethegasflowfromseafloorcoldspringleakage.Inordertomeasurethevelocityofseafloorleakagebubbles,anultrasonicDopplermeasurementmethodisproposedinth