海底冷泉渗漏气体流量声波测量仪的研究与开发

摘要

海底冷泉渗漏气体流量声波测量的研究对海洋资源开发、生态保护等诸多方面均有极其重要的研究意义。海底冷泉渗漏气体声学特性参数的研究主要包括:声速、声衰减及气泡流速。当前，对于海底冷泉渗漏气体流量的测量主要是采用声波回波的方法，此种测量方法是在一个相对开放的环境下进行的。回波信号常常会受到外界声信号的干扰，对测量精度造成严重的影响。为此，本文是基于项目组前期研究的基础上，研制了海底冷泉渗漏连续正弦波声波测量系统及声波参数高速数据采集系统，并开展了气泡-水介质声学特性的实验研究。
　　本文介绍了当前海底冷泉渗漏气体流量声波测量的研究现状，概述了海底冷泉渗漏声波测量原理及声学特性参数的计算方法。针对声波波形对声学特性参数测量的影响，结合海底冷泉渗漏声波测量研究进展，解释说明了研制连续正弦波声源装置和声波参数高速数据采集系统的必要性。连续正弦波声源硬件电路系统包括三个部分:超声波信号源电路部分、功率放大电路部分及换能器谐振匹配电路部分。超声波信号源电路部分主要讲述了超声波发生器和声波计数模块的电路设计;功率放大电路部分主要介绍了功率放大电路的选择及功率开关器件的选择过程，并完成了功率放大电路设计和调试工作;在换能器谐振匹配电路部分中，先详细说明换能器谐振匹配的原理，然后完成了谐振匹配电路的设计工作。最后，整合该系统三个部分硬件电路完成了整个声源硬件电路系统调试工作。运用海底冷泉连续正弦波声波测量系统装置，开展冷泉渗漏气泡-水介质声学特性的测量实验，并对得到的实验数据进行处理分析，主要的声学特性参数包括声速和声衰减。验证了海底冷泉连续正弦波声波测量系统装置设计的合理性和有效性。针对海底冷泉渗漏声波测量的实际需要，本文研制开发了冷泉渗漏气泡-水介质声波参数高速数据采集系统。通过对声波参数高速数据采集系统的总体设计和系统通信协议及数据接口设计的详细介绍，完成了上位机VB及CPLD程序的编写;最后，经过整个数据采集系统程序的联合调试，验证了声波参数高速数据采集系统设计的可行性。结合实验数据的处理分析与实验测量过程中所发现的问题，对海底冷泉连续正弦波声波测量系统及声波参数高速数据采集系统分别提出了进一步的改进意见。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景、目的和意义

1．2 海底冷泉渗漏气泡声波测量的现状

1．3 课题来源与主要研究内容

1．4 论文结构安排

第二章 冷泉渗漏声波测量装置的简介

2．1 冷泉渗漏声波测量装置的结构及功能概述

2．2 气泡声特性测量原理及计算方法

2．2．1 气泡声特性测量原理

2．2．2 气泡声特性计算方法

2．3 气泡-水介质截面含气率的计算方法

2．4 海底冷泉渗漏气体流量透射声波测量前期研究小结

2．5 本章小结

第三章 连续正弦波的声源电路硬件设计

3．1 声源硬件电路的系统设计

3．2 超声波信号源的电路设计

3．2．1 DDS技术的工作原理

3．2．2 超声波发生器电路设计

3．2．2 计数模块的电路设计

3．3 功率放大电路设计

3．3．1 功率放大电路的选择

3．3．2 功率开关器件的选择

3．3．3 驱动电路设计

3．4 换能器谐振匹配电路设计

3．4．1 换能器匹配的原理

3．4．2 谐振匹配电路的设计

3．5 本章小结

第四章 连续正弦波声波测量冷泉渗漏气泡-水介质的实验研究

4．1 声波测量系统延时测量

4．2 波形个数的确定

4．2．1 声波个数的估算

4．2．2 发射声波周期个数的实验选择

4．3 实验测量系统方案设计

4．4 实验测量系统的测量操作步骤

4．5 气泡-水介质的声学特性测量结果及分析

4．5．1 声速的测量结果

4．5．2 声衰减的测量结果

4．5．3 气泡-水介质含气率与声速、声衰减的关系分析

4．6 本章小结

第五章 冷泉渗漏气泡-水介质声波参数高速数据采集系统的开发

5．1 声波高速数据采集系统的总体设计

5．2 基于并口EPP模式的PC机与高速数据采集系统的通信及数据传输接口设计

5．2．1 并口EPP简介

5．2．2 PC机与高速数据采集系统的通信协议设计

5．2．3 CPLD通信和采样程序设计

5．2．4 上位机VB程序设计

5．3 数据采集系统软件调试

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢

附录