測(cè)量海底滲漏氣泡流速的聲波分路器聲學(xué)特性研究

胡 柳，龍建軍，，邸鵬飛

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006;2.三亞深?？茖W(xué)與工程研究所，海南三亞572000)

海底冷泉滲漏是海洋環(huán)境中廣泛分布的自然現(xiàn)象［1］，從沉積物中滲漏到海洋的氣體主要為甲烷，甲烷是最重要的溫室氣體之一，每年通過(guò)海底冷泉天然氣滲漏釋放到海洋水體及大氣中的甲烷的量是巨大的，且甲烷是強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)氣體，是同質(zhì)量二氧化碳?xì)怏w的20多倍［2-3］，海底天然氣滲漏被認(rèn)為是全球氣候變化的一個(gè)重要的影響因子［4］.因此，有必要對(duì)冷泉進(jìn)行觀測(cè)，以確定甲烷的釋放量.

國(guó)內(nèi)對(duì)海底天然氣滲漏原位流量在線測(cè)量技術(shù)的報(bào)道較少，而國(guó)際上該領(lǐng)域的研究較多.Washburn L等［5］采用容積法懸浮式收集器測(cè)量從海底上升的天然氣氣泡氣體流量.Nikolovska A等［6］提出用水聽器記錄氣體流經(jīng)收集器上方噴嘴的聲音信號(hào)，并用小波方法處理聲信號(hào)數(shù)據(jù)反演氣泡流量.Roberts D A等［7］根據(jù)甲烷強(qiáng)烈吸收短波紅外線的特性，采用遙測(cè)紅外成像光譜數(shù)據(jù)評(píng)估釋放到海面的甲烷量.國(guó)內(nèi)目前主要采用地球物理等方法探測(cè)海底發(fā)育的冷泉滲漏活動(dòng)［8-11］.龍建軍等［12］提出了測(cè)量前調(diào)整氣泡狀態(tài)并用透射聲波波形－振幅參數(shù)測(cè)量滲漏氣泡流量，開展了氣泡流量超聲波檢測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)研究，初步驗(yàn)證了氣泡流量測(cè)量方法的有效性，但未見聲波分路器的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù).本文的研究工作是文獻(xiàn)［12］工作的繼續(xù)，主要結(jié)合聲學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)相關(guān)法測(cè)量氣泡流速的聲波分路器和實(shí)驗(yàn)測(cè)量分路器的主要特性.

1 聲波分路器設(shè)計(jì)原理

1.1 聲波導(dǎo)管理論

管道的傳聲和聲波分路是聲學(xué)器件的基本原理，聽診器就是應(yīng)用這種原理的一個(gè)典型的聲波分路器.

如圖1所示的矩形管，其寬度為ly，高為lx，管長(zhǎng)用z坐標(biāo)表示，設(shè)管口取在z=0處，另一端延伸到無(wú)限遠(yuǎn).

圖1 矩形管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of rectangular tube

矩形管中產(chǎn)生沿z方向傳播聲波的條件為

式中，fnxny稱為導(dǎo)管的簡(jiǎn)正頻率，c0為矩形管的聲速，nx、ny為非負(fù)整數(shù).

如果聲源的頻率高于管中的截止頻率，則管中會(huì)激發(fā)相應(yīng)的高次波，此高次振動(dòng)實(shí)際上就是在x，y方向上的聲駐波，因此實(shí)際的聲場(chǎng)就變得極復(fù)雜，如果希望在聲管中獲得一種比較純凈的平面聲場(chǎng)，那么聲源的頻率要比聲管的截止頻率低.聲源的頻率愈低，在管中獲得純凈的平面聲場(chǎng)區(qū)域愈大.

1.2 聲波的反射、折射與透射原理

聲波在分界面上反射與透射的大小決定于媒質(zhì)的特性阻抗(ρc)，由聲學(xué)理論［13］知，平面聲波由媒質(zhì)Ι入射到媒質(zhì)Π與媒質(zhì)Ι的分界面，當(dāng)ρ1c1＜＜ρ2c2，媒質(zhì)Π比媒質(zhì)Ι說(shuō)來(lái)十分“堅(jiān)硬”，此時(shí)發(fā)生全反射，分界面處恰是速度波節(jié)和聲壓波腹.如聲波從空氣入射到空氣－水的分界面上的情況就近于“十分堅(jiān)硬”的分界面.當(dāng)ρ1c1＞＞ρ2c2，聲波從密介質(zhì)入射到“軟邊界”時(shí)，也會(huì)發(fā)生全反射，分界面處恰是速度波腹和聲壓波節(jié).

2 聲波分路器的設(shè)計(jì)

2.1 聲波分路器材料的確定

表1是幾種常見材料的截止頻率與特性阻抗，由聲波導(dǎo)管理論與聲波傳播原理確定分路器的材料.接收換能器陶瓷片的尺寸是45 mm×8 mm×2 mm，所以分路器的寬取47 mm，高取8 mm.

表1 若干材料的聲學(xué)常數(shù)Tab.1 Acoustic constant of some material

換能器發(fā)出的聲波頻率由文獻(xiàn)［12］可以得出，當(dāng)測(cè)量海水中滲漏的天然氣時(shí)，聲波頻率的范圍是32.6～75.0kHz，聲波的頻率小于材料的截止頻率時(shí)，聲波分路器中可以獲得比較純凈的平面波.

聲波分路器放在海水環(huán)境中傳播聲波，聲波在傳播過(guò)程中的損耗主要是材料本身?yè)p耗與向周圍環(huán)境輻射損耗.由聲波反射、折射和透射原理可知，當(dāng)聲波分路器的特性阻抗遠(yuǎn)大于海水的特性阻抗時(shí)，聲波向周圍環(huán)境輻射損耗很小，可以認(rèn)為聲波只在聲波分路器中傳播.

考慮到測(cè)量環(huán)境的特殊性和測(cè)量的簡(jiǎn)便性，材料必須有較好的耐腐蝕性和加工性能.考慮到測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置由潛水器的機(jī)械手投放的難易度，材料的密度盡可能小.

綜合考慮上述因素，鎳鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、特性阻抗大、截止頻率高等特點(diǎn)，是最適合作分路器的材料之一，但其加工性能差，實(shí)驗(yàn)階段選擇有機(jī)玻璃，待現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)改用鎳鈦合金.有機(jī)玻璃與水的聲阻抗比較接近，鎳鈦合金分路器發(fā)射面需加一層有機(jī)玻璃以改善耦合性.

2.2 聲波分路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聲波分路器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是開角α和壓電換能器沿測(cè)量管軸向尺寸L.如圖2所示，聲波反射塊的材料是高速鋼，其特性阻抗遠(yuǎn)高于海水的特性阻抗，反射塊的作用是使聲波沿著設(shè)計(jì)的波導(dǎo)傳播，且不會(huì)由于聲波垂直透射進(jìn)入海水而造成聲波的損耗.根據(jù)聲波的全反射原理，聲波從稀疏介質(zhì)向密介質(zhì)傳播時(shí)，入射角大于全內(nèi)反射臨界角，聲波在分界面發(fā)生全反射.聲波在有機(jī)玻璃中的聲速約為2 700 m/s，聲波在鋼中的聲速約為6 100 m/s，所以全內(nèi)反射臨界角

由式(2)可知，當(dāng)入射角c≥θic=26.27°時(shí)，聲波發(fā)生全反射，此處取c=60°，聲波分路器的開角α=90°－c=30°.

壓電換能器沿測(cè)量管軸向尺寸L(單位mm)由文獻(xiàn)［12］公式求得:

式中，v(單位mm/s)為海底冷泉?dú)馀萆仙俣?，fmax(單位Hz)為信號(hào)帶寬，由文獻(xiàn)［12］得，帶寬fmax＞1時(shí)，聲波測(cè)量方法可有效地測(cè)量氣泡流速.海底自然冒出的氣泡直徑范圍約為0.01～80 mm［14］.由文獻(xiàn)［15］知，在平靜的水中氣泡的上升速度與其半徑有密切的關(guān)系，隨氣泡半徑的增大，氣泡上升速度增加，氣泡上升速度在半徑1mm時(shí)達(dá)到極大值，當(dāng)半徑繼續(xù)增加，它的變化很小.測(cè)量管軸向尺寸L也受矩形壓電陶瓷片尺寸的限制，取L=10 mm，能有效測(cè)量氣泡流速.聲波分路器寬、高尺寸根據(jù)文獻(xiàn)［12］的方法確定，其他參數(shù)由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定.

3 聲波分路器的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 接收換能器校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)使用TH204B型多波參數(shù)分析儀測(cè)量聲波參數(shù)，實(shí)驗(yàn)前對(duì)接收與發(fā)射換能器進(jìn)行校正.

實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)40kHz換能器作為發(fā)射源，與發(fā)射源相隔一定距離的兩個(gè)40kHz的換能器分別作為接收源，確保兩次測(cè)量時(shí)接收換能器的位置相同，聲波儀的衰減倍數(shù)為20.測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 接收換能器校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)Tab.2 Calibration experiments of receiving transducer

聲波參數(shù)為:聲波信號(hào)為脈沖波，中心頻率為40±1.0kHz.由表2可以得出首波傳播時(shí)間tε的相對(duì)偏差為0.30%;首波幅值的相對(duì)偏差為1.11%.接收到兩個(gè)聲波信號(hào)的頻譜圖如圖3、圖4所示:

圖31 號(hào)接收換能器頻譜圖Fig.3 Frequency spectrum of No.1 receiving transducer

圖42 號(hào)接收換能器頻譜圖Fig.4 Frequency spectrum of No.2 receiving transducer

由圖3、圖4可知兩接收換能器的頻譜特性類似，主頻約為38.5kHz.綜上所述，兩個(gè)接收換能器的性能基本相同，能滿足聲波分路器分路校驗(yàn)實(shí)驗(yàn).

3.2 空氣中與水中聲波分路器的聲學(xué)特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.2.1 空氣中聲波分路器的聲學(xué)特性

實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置如圖5所示.發(fā)射換能器與聲波分路器的一側(cè)端面耦合，接收換能器與聲波分路器各支路的端面耦合，耦合劑為凡士林.

圖5 聲波分路器空氣中各支路校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Calibration experiments of each branch in air

對(duì)聲波分路器兩支路的首波傳播時(shí)間與幅值處理，得到首波傳播時(shí)間與幅值的變化曲線，如圖6、圖7所示.

圖6 聲波分路器支路首波傳播時(shí)間曲線圖Fig.6 First wave travel time curve of acoustic divider branch

圖7 聲波分路器支路首波幅值曲線圖Fig.7 First wave amplitude curve of acoustic divider branch

聲波分路器各支路頻譜圖如圖8所示:

圖8 聲波分路器各支路FFT功率頻譜曲線Fig.8 FFT power spectrum curve of acoustic divider branches

由圖6、圖7得，聲波分路器兩支路的首波傳播時(shí)間相差很小，幅值走勢(shì)基本一致，由測(cè)得的數(shù)據(jù)得各支路首波傳播時(shí)間相對(duì)偏差的平均值為0.97%，首波幅值相對(duì)偏差的平均值為3.69%;由圖8得各支路功率頻譜有多個(gè)功率幅值，主要原因是換能器的發(fā)射頻率高于有機(jī)玻璃的截止頻率，在有機(jī)玻璃中會(huì)激發(fā)相應(yīng)的高次波;兩支路的功率頻譜有一定的誤差，主要原因是接收換能器的接收靈敏度不同、分路器兩條路存在差異、換能器的耦合程度不同，所以聲波經(jīng)過(guò)分路器各支路的相位、幅值、頻譜特性有一定的差別.這與設(shè)計(jì)的預(yù)期一致，驗(yàn)證了聲波分路器設(shè)計(jì)的合理性.

3.2.2 水中聲波分路器的聲學(xué)特性

如表1所示，有機(jī)玻璃的特性阻抗與水的特性阻抗相差不大，按照聲波傳播原理可知，在水池中，聲波通過(guò)分路器將有較多的能量損耗在水中，而過(guò)多的能量損耗將會(huì)影響海底滲漏氣泡流速的測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)將驗(yàn)證水中聲波能量的損耗量.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，換能器作密封處理，其端面與聲波分路器相應(yīng)的端面耦合，置于水池中，發(fā)射與接收換能器均為40kHz，實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示.

圖9 聲波分路器水中各支路校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.9 Calibration experiments of each branch in water

聲波分路器在空氣和水的介質(zhì)環(huán)境中，耦合劑是凡士林，分別測(cè)量各支路聲波參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示.

圖10 聲波分路器各支路不同介質(zhì)中首波強(qiáng)度Fig.10 The first wave intensity in different medium of acoustic divider branches

數(shù)據(jù)處理表明，各支路的聲速約為2600m/s，可以確認(rèn)聲波是通過(guò)分路器傳播的.由表1得出，有機(jī)玻璃的特性阻抗遠(yuǎn)大于空氣的特性阻抗，可以認(rèn)為，在空氣中聲波通過(guò)分路器基本沒(méi)有能量損耗.水的特性阻抗較大，在水中聲波通過(guò)分路器支路1能量損耗的相對(duì)誤差

類似，聲波通過(guò)聲波分路器支路2能量損耗的相對(duì)誤差I(lǐng)ε2=27.7%.

可見，在水中聲波通過(guò)分路器有一定的能量損耗，各支路的能量損耗也有區(qū)別.在聲波分路器需要加上反射塊，以減少聲波在水中的損耗.

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)聲波導(dǎo)理論與聲波傳播原理確定了分路器的結(jié)構(gòu)參數(shù);空氣中和水中的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證聲波分路器的設(shè)計(jì)是合理的與有效的，聲波分路器兩支路的性能基本一致;為減少聲波在水中的損耗，聲波分路器需要加上反射塊.

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