【基于超声波的海冰监测机理概述5800字】

1基于超声波的海冰监测机理概述 11.1海冰的形成及结构 1 11.1.2海冰的结构 11.1.2海冰的类型 21.2海冰的物理性质和力学性质 3 4 41.1.4海冰力学性质 4 1.3.1超声波基本概念及特性 51.3.2超声波的产生与接收原理 51.3.3超声波无损检测的原理与应用 71.4冰中超声波传播声速及衰减 81.4.1超声冰穿过冰层的声速测量 81.4.2超声冰穿过冰层的衰减测量 1.1海冰的形成及结构1.1.1海冰形成过程水比任何其他材料都更能形成多种固相态。如果液态水在常压下冻结或水蒸气在0℃~80℃间沉降的话，会有规则地重复排列，形成一种六方晶系，被称为Ih型冰或单晶冰。在所有水的固态相中，只有六方晶系冰在地球上以天然形式存在。一般假设它具有六方晶系的性质。当第一个个冰晶体开始结晶时，需要一个冷却过程，第二阶段为液体和固体混合物，对应着晶体生长，第三阶段是冰的自身冷却i。根据HanseniI等前人的测定，特别是在研究高纬度地区的海面热过程时，冻结点温度是必不可缺少的因素。1.1.2海冰的结构2所谓海冰的结构可以简单地理解为各相成分的组a轴)与这个方向一致。海冰的结晶主轴(即C轴)在水平方向，与冰和卤水的增厚(即随着晶粒有选择性地成长)处于水平面内的晶粒也逐渐增多，在厚度约为15cm内，所有的C轴大致都处于水平面内，即S₂冰类型。在物理学中，依据冰的晶粒结构、形成过程和物理特征把冰分为9个类型。当水在0℃上下从液体变为固体时，在地球上就生成自然冰，这种冰由六边形结构(网格)的晶粒构成，如湖和河流中的淡水冰、海冰、潜水冰、冰川冰和水底冰，关于它们的生成、晶粒结构和特性在表(2-4)中给予简要介绍，具体冰的类型如表(2-4)所示。冰期淡水冰海冰晶粒尺寸和形状C轴方向大列特大粒径，不规则最优为垂直向(生成的最初阶段)中列特大粒径，片状和针状由垂直列随机P4P4b雪形成冰核各向尺寸匀等随机二期冰S1柱状粒状冰大列特大晶粒，不规则最优为垂直向(由初期冰中列特大晶粒随机，之后为水平S3S3bS1类的柱状粒状冰中列特大晶粒最优为水平向3细列中等粒径，不规则细列中等粒径，规则随机添加冰(在冰雪冰细列中等粒径，磨光棱角随机雪水冰随机的冰)结块冰结块冰海冰的许多性质都与它的温度有关，当海冰温度改变会给海冰的许多物理和力学特性造成影响，海冰的温度是海冰非常重要的参数。海冰的温度对海冰的许多物理参数有关。海冰的温度与其含盐量的关系密切：对海水进行降温，最先析出的卤盐为碳酸盐，此时海水温度在在-2℃;海冰温度降至-8.2℃,Na₂SO4开始沉淀，Na₂SO4析出主要发生在-8.2℃到-15℃之间；当海水低于-23℃时，NaCl发生沉淀，而在-23℃时固体NaC1开始沉淀。当温度降到-55℃时，海冰中的冰晶和卤盐都冻结为固体。随着温度的降低卤汁减少，纯冰增多，而溶于其中的盐类则依次沉淀下来。冰的温度与它的力学性质有密切关系。海冰温度越低，抗压极限强度越高。一般为表层海冰温度最低，其温是由于海冰的上下界面分别是大气和海水的原故。海冰温度除了垂直分布规律外，还应当指出的是它随着气温和水温的变化而变化，表现出日、月、年变化。海冰在形成过程中，卤水析出。当结冰较快时，卤水来不及析出，就会被包裹在冰晶片之间，形成卤水泡。海冰的盐度主要区取决于海水盐度和海冰结冰速率，除此以外冰龄也和海冰盐度有关。由于海冰冻结过程中的卤水析出，一般来说，海水盐度都略高于海冰的盐度，海水盐度越高，其中冻结的海冰的盐度越高。而冻结速度越快，卤水析出越少，海冰盐度也越大。在冰层中的底部冰层由于冻结速度缓慢，其盐度就低于顶部冰层，在垂直方向上，一般顶部盐度高于底部冰层盐度。另外，刚形成的新冰盐度4来说，海冰的盐度多数在37‰之间。也可能高达23‰。海冰的密度是指每立方米或立方厘米海冰中所含海冰的克数，通常用kg/m³或g/cm³表示。冰密度总是小于1000kg/m³。温度为0℃时，淡水冰密度为多年冰密度在820kg/m³至857kg/m³之间。1.1.4海冰孔隙率海冰的孔隙通常含有空气或盐水(卤水)。在海水结冰时，盐是由结冰水析老的海冰(或多年冰)则已失去了大部分的含盐量，这是因为卤水的重量使得它将给出一个相对来说要高的(平均)孔隙率，其可能高达0.5。在高孔隙率值下，5研究冰的力学性质和冰荷载广泛采用的方法是从冰的强度、冰与结构物相互作用的形式入手。关于海冰强度，目前在定性分析上普遍认为与冰的组构(海冰冰相、晶体结构)、温度、盐度、密度有关，也与试样的加载(应变率或应力率)有关。目前许多文献均证明海冰是一种粘弹性天然复合材料，在不同的加载条件下，其性质可表现为弹性、塑性、蠕变、疲劳及断裂韧性等。为了研究海冰在三维情况下的破坏行为，单轴及多轴加载实验是必要的，一般用测限压力实验代替进行多轴加载实验；海冰拉伸强度也是研究海冰力学性质的重要参数，主要由两种测量方法，直接法和间接法，间接法中有弯曲实验法和劈裂法。1.3超声波检测基本理论1.3.1超声波基本概念及特性超声波作为一种特殊的声波，和声波一样，是一种在弹性介质中传播的机械波。超声波按照质点的振动方向可分为横波、纵波、表面波以及板波。纵波是指质点的摆动方向和声波前进一致的波，可以在固、液、气三类介质中传导；横波 (又称为S波，切变波或剪切波)是指质点的振动方向和波的传播方向垂直的波，这只能在固体介质中传播；表面波(R波或瑞利波)是指在在固体和气体交界面，沿着固体界面表面传播的波。按照振动的持续时间可以将超声波分为连续波和脉冲波，按照波阵面又可以将超声波分为平民波、柱面波和球面波。1.3.2超声波的产生与接收原理6超声波可以通过机械法、热效应法、磁伸缩法和电磁法等多种方法产生，较为常见的是压电感应法。超声波的产生和接收利用晶体材料的压电效应，图(2-2)为压电效应示意图。超声波探头中的压电晶体实现声能(机械能)与电能的变换。激励超声波时，电脉冲加载在电晶片上，逆压电效应将电脉冲变换为机械振动，发出超声横波；反之，产生正压电效应，声音被变为电，被超声探头接受。因此超声波探头也被称为换能器。转换电转换电形变电电流转换多数超声波探头为圆柱状，电晶片为圆形，为一个圆盘声源，产生的超声波束类似于手电筒的光束，在声束的轴线上，其声压如图(2-3)所示中心线上分为近场区和远场区，近场区的长度为N,近场区内存在数个声压极大极小值，一般在使用中会避让近场区或使近场区尽可能的小。声束和光束一样，如图(2-4)所示，有一定角度的辐射，被称为波束指向性。声束指向角越小，声束的指向性越好。7压电晶片图2-4声束1.3.3超声波无损检测的原理与应用超声波探伤仪起源于上个世纪五十年代，广泛应用于钢铁制造、船舶和机械加工、钢轨探伤等各个领域。之后技术迅速发展，超声波探伤仪也获得了多方面的进步，在数字化和自动化上取得了长足的发展。其中最经典的产品是脉冲反射式超声波探伤仪，其主要是由几个主要部分组成，其中同步单元、发射单元、扫描接收单元和显示单元是探伤仪的核心，超声波探头激发超声波。图(2-5)为脉冲反射式超声波探伤仪及其电路方框图。电源电源同步单元及激励电路是脉冲反射式探伤仪的核心，主要工能为当发射电路每秒触发产生多个脉冲时，同步电路触发探伤仪的扫描电路和发射电路进行工作，使这些单元同时被触发，并保持同步工作。发射电路的主要功能是产生不同电压、不同频率、不同个数的电脉冲，其主要工作原理为当闸流管或晶闸管在其开关特性下产生不同类型的电脉冲。这些脉冲经过传递，作用于超声波换能器，超声波换能器上的压电晶片在压电效应的影响下产生振动，激发超声波。显示电路主要由示波管及外围电路组成。示波管与其在示波器中工作原理和功能是相同的，主要是用来显示探伤后接收到的回波信号波形。81.4冰中超声波传播声速及衰减1.4.1超声冰穿过冰层的声速测量对超声波的波速的测量有很多方法，其中实验室常用的有干涉法Ii、双踪示波法iv、共振干涉法V、相位法vil等等，还有通过直接测量超声波的渡越时间的时差法，以及利用不同介质进行对比测量的相对时差法viil和回波法[vii,常见于用于溶液中声速测量的超声光栅法×等，本课题采用回波法方法进行了穿过冰层的超声波的测量。回波法测量原理如下：对冰样进行取样，将上下表面打磨光滑后测量冰样厚度，在回波法中，此厚度为超声波往返两次的穿越距离，记为L。进行超声波穿透海冰的测试，得到超声波信号的一次回波和二次回波。通过计算一次回波和二次回波的时间差，可以得到超声波穿透海冰后到达底面后返回的渡越时间T。0T9通过式(2-1)可以计算出超声波速度V。穿过厚度为L的冰层后(或传播距离为L),其声强变为I,两者的关系见式(2-2):I=I₀e⁻²BL成表述困难，所以规定了一种通过取对数以使衰减的表示方法更加直观的方法。即对两个声波的声强之比取对数，再除以10(或对两个再除以20),得到超声波在冰中的衰减分贝数，单位为分贝(dB)。为方便的衡量单位距离下，不同传播路径的衰减，提出衰减系数β,其大小等于单位距离上如式2-3所示：其测量过程如图(2-6)所示。频率/MHz频率/MHz通过式(2-3),可计算出超声波在海冰中的衰减。[i]MichelB.Icemechanics[M].LesPresses[ii]HansenHJ.Experimentaldetermination[iii]李志杰，赵骞.超声波声速测量方法的探讨[J].大学物理实验，2012,25(4):26-28.[iv]魏国瑞