【《基于超声波的海冰监测机理概述》5800字】

基于超声波的海冰监测机理概述目录TOC\o"1-3"\h\u30219基于超声波的海冰监测机理研究 1132611.1海冰的形成及结构 1217211.1.1海冰形成过程 12391.1.2海冰的结构 1134191.1.2海冰的类型 26151.2海冰的物理性质和力学性质 3286941.1.1海冰温度 3116041.1.2海冰盐度 3315271.1.3海冰密度 4306451.1.4海冰孔隙率 4112421.1.4海冰力学性质 4158421.3超声波检测基本理论 5142401.3.1超声波基本概念及特性 5187191.3.2超声波的产生与接收原理 5121361.3.3超声波无损检测的原理与应用 7100961.4冰中超声波传播声速及衰减 833641.4.1超声冰穿过冰层的声速测量 8182551.4.2超声冰穿过冰层的衰减测量 91.1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[[]MichelB.Icemechanics[M].LesPressesdel'universiteLaval,1978.]。根据Hansen[[[]MichelB.Icemechanics[M].LesPressesdel'universiteLaval,1978.[]HansenHJ.Experimentaldeterminationoftherelationbetweenthefreezingpointofsea-wateranditsspecificgravityat0°C,1904.1.1.2海冰的结构所谓海冰的结构可以简单地理解为各相成分的组合排列。对不同类型的冰，其组合区别较大。在理想模型中，垂直向下的方向为冰成长方向，结晶的副轴（即a轴）与这个方向一致。海冰的结晶主轴（即C轴）在水平方向，与冰和卤水的排列方向成直角，但在接近冰表面的结晶主轴多与水平面呈倾斜方向。随着冰的增厚（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。海冰结构一方面取决于结晶，另一方面取决于卤水通道。海冰形成时会形成卤水泡，当温度变动时，卤水从上向下慢慢沉降出冰层，卤水在冰中通过形成的通道被称为盐水通道。这些通道可以看作是带分支的河流系统，各个支流围绕着主盐水通道呈圆柱对称分布。1.1.2海冰的类型在物理学中，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。表2-4冰的类型Table2-4AssistantunitsofInternationalSystemofUnits冰期淡水冰海冰生成条件晶粒尺寸和形状C轴方向初期冰

（生成的

最初阶段）P1平静水面，小温度梯度大列特大粒径，不规则最优为垂直向P2平静水面，大温度梯度中列特大粒径，片状和针状由垂直列随机P3P3b底冰形成冰核细列中等粒径，片状随机P4P4b雪形成冰核各向尺寸匀等随机二期冰

（由初期冰

生成）S1柱状粒状冰大列特大晶粒，不规则最优为垂直向S2S2bS1类的柱状粒状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S4S4b冻结的泥状底冰细列中等粒径，不规则随机S5排水的冻结泥状底冰细列中等粒径，规则添加冰（在冰盖上面生成的冰）T1T1b雪冰细列中等粒径，磨光棱角随机T2T2b雪水冰细列中等粒径，磨圆形状随机T3T3b表面冰柱状冰结块冰T3Rb结块冰重叠和冰脊冰1.2海冰的物理性质和力学性质1.1.1海冰温度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℃，Na2S04开始沉淀，Na2S04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NaCl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，其温度接近气温；下层温度最高，与接触到的水温大体一致；中间层温度居中。冰温自上而下递增，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。1.1.2海冰盐度海冰在形成过程中，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，刚形成的新冰盐度最大，随着它存在的时间增长，其盐分不断流失，使海冰的盐度越来越低。水温升高，海冰融化首先从针状晶体间或盐囊卤汁开始，融化到一定程度，相邻盐泡之间的卤汁慢慢地沿着“小沟”流失。在温暖的天气里，气温升高，冰的表面逐渐融化，北极海域多年冰，盐度很低，甚至可以作为船上的淡水补给之用。一般来说，海冰的盐度多数在3～7‰之间。也可能高达23‰。1.1.3海冰密度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9176kg/m3，海冰的密度与海冰温度、盐度及孔隙率和气泡含量等多种因素有关。于此同时，海冰密度和冰龄也有关，一年冰密度在914kg/m3到915kg/m3范围内，多年冰密度在820kg/m3至857kg/m3之间。根据海洋学常用表可以看出：在不考虑气泡或者没有气泡的海冰中，盐度与密度正相关；而温度与密度关系复杂。可以说，在不同情况形成的新冰气泡含量是不一样的。另一方面，海冰融化的时候，冰中卤汁不断向外逸出，卤水泡被空气填满。因此老冰的盐度低，密度也较低。经过多年资料分析，冰密度随海冰类型和冰龄变化较大，而各类冰层的密度变化不大，在工程实践中取冰密度剖面为一平均值。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，盐是由结冰水析出的，当有更多的水结冰时，余下的水就变得越来越咸，以致于结不了冰，只好被封闭在冰的孔隙里，形成了孔隙率的主要来源。孔隙率主要会对冰强度造成很大影响，其主要原因为由于卤水泡和气泡截断了冰的结构，使得冰的横截面积减少，影响了冰的强度。一般海冰孔隙率总高于淡水冰，海冰的强度也因此低于淡水冰。一般讲，新的海冰具有3％的卤水体积。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缓慢地向下移动，离开了冰的缘故。当冰块堆积成冰脊时，冰块之间的空气间隙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，冰的强度看来接近于一个常值。现代实际测量海冰孔隙率主要是依据海冰孔隙率计算模型进行测算，通过测量温度、盐度和密度利用海冰孔隙率计算模型计算冰内孔隙率。1.1.4海冰力学性质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。图2-1纵波传播方式（a）和横波传播方式（b）Fig.2-1Propagationmodeoflongitudinalwave(a)andpropagationmodeofshearwave(b)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 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。图2-2压电效应Fig.2-2Piezoelectriceffect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）所示图2-3声压规律Fig.2-3Lawofacousticpressure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。图2-4声束Fig.2-4Acousticbeam1.3.3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。图2-5超声波探伤仪及其电路方框图Fig.2-5Ultrasonicflawdetectorandcircuitblockdiagram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。1.4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[[]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.]、双踪示波法[[]魏国瑞,潘沛,张建国,etal.超声波声速测量新方法[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2004,36(3):375-378.]、共振干涉法[[]刘兴俊,王昆林.超声波声速测定的三种实验方法比较研究[J].实验科学与技术,2011,09(2):184-187.]、相位法[[]邹红玉,江影.采用相位法与极大值法测量超声波声速的准确度的研究[J].大学物理,2007,26(5).]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[[]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.[]魏国瑞,潘沛,张建国,etal.超声波声速测量新方法[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2004,36(3):375-378.[]刘兴俊,王昆林.超声波声速测定的三种实验方法比较研究[J].实验科学与技术,2011,09(2):184-187.[]邹红玉,江影.采用相位法与极大值法测量超声波声速的准确度的研究[J].大学物理,2007,26(5).[]刘竹琴,刘艳峰.非线型固体杨氏模量测量[J].实验技术与管理,2013,30(2):39-40.[]高峰,郑源明.超声波传感器测量声速和距离实验的研究[J].传感器与微系统,2009,28(11).[]杨燕婷,王敏,周莹,etal.超声光栅测量溶液中超声声速与浓度关系研究[J].实验技术与管理,2011,28(7):32-35.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。图2-6超声波传播距离Fig.2-6Ultrasonicpropagationdistance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。图2-7超声波回波时域图Fig.2-7Ultrasonicechotimedomainmap通过式（2-1）可以计算出超声波速度V。(2-1)1.4.2超声冰穿过冰层的衰减测量当超声波在传导时，随着距离的增加，超声波的能量逐渐变小，这就是超声波的衰减。由于本研究使用的超声波换能器采用的都是圆形压电晶片，所产生的声束类似于手电筒的光束，存在一定的扩散衰减，但在一定距离内可以忽略不计，所以在本研究在，由声束的界面扩大导致的扩散衰减不做考虑。同样的，粘滞力带来的质点间内摩擦和热传导导致吸收衰减，是液体介质来中声波的主要衰减原因。在本研究中，超声波在穿透海冰这样的固体传播介质只考虑散射衰减。当超声波在传播过程中，可能会经历多种不同的传播介质。由于超声波的散乱反射以至于在经过传输后能量极大的发生削弱，被称为散射衰减。吸收衰减与超声波的频率有很大关联，在数值上与超声波的频率成正比。超声波频率越高，固体介质的散射衰减越大。材料各向异性系数和晶粒大小会影响固体介质的散射衰减数值。频率对固体介质的散射衰减影响较大。超声波检测晶粒较大材料时一直遇到难以攻克的难题。在冰中，由于其中含有大量的气泡，卤水泡、以及在扰动情况下的产生的裂缝和结构断面，同时冰晶体具有较大的晶粒直径，这些因素导致冰中的超声波衰减较大，且衰减以散射衰减为主，这造成了对冰的超声波检测不能采用过高的频率，这会导致衰减过大以至于无法观察到超声波信号。通过超声波声强的减小速率定义穿透海冰的衰减数值，当声强为I0的声源，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）：(2-2