海底沉积物小尺度声场超声探针检测实验研究

摘要

海底沉积物的研究在经济建设和国防等领域具有重要的意义。目前海底沉积物的探测主要是以超声波进行声学测量,通过沉积物中的声速和声衰减等声学参数来研究沉积物的物理性质和内部结构特征。海底沉积物的声特性实验研究以原位测量和实验室测量两种方式为主。
　　 概述了海底沉积物、海底沉积物声特性的表示方法以及沉积物中声衰减的基本原理。介绍了沉积物声特性测量的主要测量方法--差动式测量法。介绍了典型的原位测量法和实验室测量法,对几种典型的实验室测量法的测量原理和各自的优缺点进行了对比分析。针对海底沉积物声特性实验室测量中整段样品的测量结果不能反映沉积物声场特性,提出通过在沉积物样品中进行满足声场差分分析条件下的测量方法来研究海底沉积物的小尺度声场。研究内容包括小尺度沉积物样品的声衰减特性和声速。
　　 为了满足海底沉积物小尺度声场测量研究的测量密度和测量过程对样品扰动小的要求,拟定了光纤栅和超声探针两种测量方案。对两种测量方案进行初步的实验验证,在对比验证结果后确定以操作可行的超声探针作为沉积物小尺度声场研究的测量手段。结合超声探针检测沉积物小尺度声场的测量原理,设计了实验平台和利用中国科学院南海海洋研究所2010年12月科考在中国南海海区采集回的沉积物样品制作重塑样。以水为介质验证了超声探针接收波形的初始相位。
　　 利用40KHz平面换能器和超声探针进行海底沉积物小尺度声场测量实验,研究内容包括声衰减特性和声速情况。对测量点波幅进行回归分析,用指数函数模型较好的描述了小尺度沉积物样品中的声衰减特性。研究了超声探针插入沉积物深度对沉积物声场测量的影响,对比超声探针在沉积物样品中3个不同深度处的测量结果后发现声速符合平面波在管中粘滞运动时存在声速梯度的特点,而声衰减特性无明显变化。
　　 结合实验操作中发现的不足和对实验数据的分析处理中发现的问题,对海底沉积物小尺度声场超声探针测量研究提出改进意见。