超声波冰密度检测方法的机理研究

摘要

本课题是在“南北极环境综合考察与评估”（编号：CHINAER2015-02-02)专项项目与国家科学自然基金项目“基于电容感应技术的海冰厚度监测方法的研究（编号：41176080）”的资助下进行超声波冰密度检测方法的机理研究。
　　冰的力学参数与其生长过程中的温度、密度及盐度关系紧密，目前，测量冰密度的方法主要有排液法和重量-体积法。排液法历史上使用舒列金量筒测量，目前采用水或煤油等作为参考液体，因此冰的密度还无法实现在线实时自动化监测。本课题根据超声波透射原理，对超声波在淡水冰中的传播特性进行COMSOL仿真分析，设计了超声波冰密度检测实验系统，超声波冰密度检测实验系统包括两大部分：超声波检测装置部分与冰密度测量部分，其中，超声波检测装置包括超声波发射与接收单元电路，密度测量部分提出两种测量方法并对相应的测量装置进行了设计，一种是排防冻液法，另一种是在不同温度下分别取冰样利用重量-体积法进行测量。通过大量实验测量穿透冰层后超声波信号的峰峰值，分析超声波在冰介质（淡水冰和海冰）中传播时的衰减变化与温度之间的关系以及冰密度、温度与信号峰峰值之间的关系。最后，得出以下两点结论：
　　（1）冰中超声波传播特性：当淡水温度下降到0℃时，水开始出现结晶，峰峰值逐渐减小，说明超声波在固液混合状态下衰减较大；温度由-0.1℃向-0.2℃跳变时，固液混合态恰好变为固态，此时峰峰值衰减到最小值；温度继续降低（低于-0.2℃），临界固态转为固态，结构趋于稳定，冰密度逐渐增大，超声波信号峰峰值增大。实验同时表明：超声波检测冰密度变化时，超声波接收信号峰峰值与冰密度成相关性。50kHz频率适合监测温度在0℃至-5℃之间的冰密度变化情况，而150kHz频率适合监测温度在-5℃至-15℃之间的冰密度变化情况。
　　（2）海冰中超声波传播特性：海水温度维持在冰点-0.3℃时处于冰水混合物状态，超声波信号的峰峰值衰减较大；当海冰温度在-0.3℃～-10℃区间时，穿透冰层后所接收到的超声波信号的峰峰值在下降；低于-10℃时，超声波信号峰峰值开始逐渐增大。同时得出：对于实验条件下盐度为11‰的海冰（冰点在-0.3℃左右）密度进行检测时，50kHz频率适合检测温度在-0.3℃至-15℃之间的情况，而150kHz频率可以对海冰温度在-0.3℃～-25℃的冰密度进行检测，并且在检测温度区间内超声波接收信号峰峰值与冰密度成相关性。
　　以上研究表明，利用超声波检测冰密度的方法在机理上是可行的，为进一步设计超声波冰密度检测传感器提供了理论依据，同时也为实现冰密度的自动化检测提供了一种新方法。