海底原位分層聲學測量模擬裝置的設計與實驗

李躍金，鄒大鵬，楊華勇，崔小明，吳 磊，李趕先

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣東 廣州 511458；3.中國科學院邊緣海與大洋地質重點實驗室，中國科學院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301）

海底沉積物聲學特性的研究受到越來越廣泛的關注[1-2]，直接獲得海底沉積物聲學特性的方法主要有實驗室聲學測量法和原位聲學測量法[3-4]，兩種方法都是應用各種聲學測量儀器或者裝置觀測聲波在海底沉積物中的傳播速度和能量衰減特性。其中，原位聲學測量可以得到擾動性較少的海底沉積物聲學特性[5-6]，但儀器設備復雜，成本較高。實驗室聲學測量相比原位測量可控性強，設備簡易，易于操作。

當前應用于海底沉積物原位聲學測量的系統(tǒng)：國外有沉積物聲學現(xiàn)場測量系統(tǒng)（ISSAMS）[7]、聲學長矛（Acoustic Lance）[8]、底質取樣同步聲學測量系統(tǒng)（ACS）[9]、沉積物聲學測量系統(tǒng)（SAMS）[10]和新型無繩被動聲學測量系統(tǒng)（TOSIT）[11]；國內有多頻海底聲學原位測試系統(tǒng)（MFISGAMS）[12]、海底沉積物聲學性質原位測量系統(tǒng)（DISAMS）[13]、基于液壓驅動壓入的海底沉積物聲學原位測量系統(tǒng)（HSISAMS）[14]、便攜式海底沉積物聲學原位測量系統(tǒng)[15]、海底原位聲學測量同步采樣器[16]和壓載式海底沉積物聲學原位測量系統(tǒng)（BISAMS）[17]等。由于海底沉積物聲學原位測量以測量站位為主，難以研究海底沉積物溫度、深度、鹽度等因素變化對海底沉積物聲學特性測量結果的影響，因此，在實驗室建立海底沉積物聲學測量系統(tǒng)，通過模擬原位聲學特性測量過程中影響因素的變化，從而系統(tǒng)性、針對性研究海底沉積物組成類型和環(huán)境狀態(tài)對其聲學特性測量的影響。

本研究通過設計一種海底原位分層聲學測量模擬裝置，并在實驗室建立小型海底模擬系統(tǒng)，對聲學測量裝置進行分層測量標定，為壓入式海底原位聲學測量裝置提供一種在實驗室模擬環(huán)境下進行性能測試的技術，并驗證原位聲學測量裝置測量特性；此外，該裝置還可用于模擬不同類型海底沉積物分層狀態(tài)的聲學特性測量研究。

1 裝置測量原理

在測量過程中，由于聲學測量探桿壓入方式的不同，可分為定位測量和連續(xù)測量兩種測量方式。定位測量如圖1(A)所示，將聲學測量探桿壓入到預定的海底沉積物層中固定不動，通過控制溫度、鹽度、深度等，研究不同類型海底沉積物在不同海底沉積層隨環(huán)境變化的聲學特性；連續(xù)測量如圖1(B)所示，聲學測量探桿以勻速緩慢壓入待測樣品中，聲學測量探桿勻速下降的同時以設定的時間間隔進行聲學特性測量，通過聲學特性的差異來反演樣品中所含海底沉積物的類型和分層。

圖1 分層測量原理示意Fig.1 Layered measurement principle

1.1 聲速測量原理

聲學探桿的分布根據(jù)差距測量法[18]原理設計（圖2），聲波從聲學發(fā)射探桿E1傳播到聲學接收探桿R1、R2的距離分別為L1、L2，時間分別為t1、t2，故聲波在樣品中的傳播速度Cp（m/s）為

圖2 聲學測量原理示意Fig.2 Acoustic measurement principle

其中，ΔL為聲學發(fā)射探桿E1到聲學接收探桿R1、R2的距離差，Δt為聲波傳播時間差。

1.2 聲衰減系數(shù)測量原理

聲波在海底沉積物中的衰減包括擴散衰減、吸收衰減和散射衰減三部分[19]，海底沉積物聲衰減系數(shù)主要為海底沉積物對聲波的吸收衰減和散射衰減之和。在短距離測量中，海水對聲波的吸收衰減和散射衰減相對于擴散衰減很小，可忽略不計。當聲波傳播距離相同時，海底沉積物中的擴散衰減與海水中擴散衰減基本相同，在測量到的海底沉積物總聲衰減中減去擴散衰減，從而得到海底沉積物聲衰減。海水的擴散衰減系數(shù)和海底沉積物聲衰減系數(shù)計算公式分別如下：

其中，αw為海水擴散衰減系數(shù)（dB/m），αs為海底沉積物聲衰減系數(shù)（dB/m）；Aw1、Aw2是介質為海水時，近、遠兩聲學探桿接收信號在頻域中的聲波主頻信號振幅（V）；As1、As2是介質為海底沉積物時，近、遠兩聲學探桿接收信號在頻域中的聲波主頻信號振幅（V）。

2 裝置結構組成設計

原位分層聲學測量模擬裝置由分層運動控制單元、聲學測量單元和計算機控制單元三部分組成[20]，結構示意如圖3。

圖3 聲學測量裝置的結構示意Fig.3 Structure of the acoustic measuring device

2.1 分層運動控制單元的組成結構

分層運動控制單元由臺架、控制單元、拉繩式位移傳感器和電動缸組成（圖3）。臺架承載電動缸以及電動缸連接的聲學測量探桿、放置樣品桶。電動缸的主要參數(shù)為有效行程1 m、運動速度范圍為0.01～0.10 m/s?？刂茊卧刂齐妱痈椎膯⑼＃K式位移傳感器測量聲學測量探桿的位移距離。將電動缸倒掛在定制臺架上，通過電動缸的運動使聲學測量探桿能夠精確地按照設定速度下降到所需位置，不僅滿足分層測量的要求，而且能進行海水和海底沉積物的連續(xù)測量。

2.2 聲學測量單元的組成結構

聲學測量單元由聲波儀、聲學測量探桿和溫度探桿組成。聲波儀實現(xiàn)聲波激勵信號的發(fā)出、放大，以及聲波接收信號的接收、放大和儲存，可以通過網絡接口對測量參數(shù)進行設置和控制，以及上傳測量數(shù)據(jù)進行顯示、處理和分析。聲學測量探桿由一根主頻為50 kHz 的聲學發(fā)射探桿和兩根主頻為50 kHz 的聲學接收探桿組成，分別安裝于聲學測量探桿的三個頂點處，能夠測量海水和海底沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)。溫度探桿由上、下桿套和溫度傳感器組成，溫度探桿傳感器與聲學探桿換能器安裝在同一水平面上，可獲得同一測量層的溫度用于標定和后續(xù)研究。

2.3 計算機控制單元的設計

計算機控制單元是通過計算機通訊界面來實現(xiàn)。界面分狀態(tài)顯示和連接控制區(qū)域（A區(qū)）和監(jiān)測顯示區(qū)域和控制區(qū)域（B 區(qū)）。A 區(qū)可實現(xiàn)裝置狀態(tài)顯示、聲波儀連接控制和控制單元連接控制功能；B區(qū)可實現(xiàn)海底環(huán)境物理量監(jiān)測，裝置運動狀態(tài)測控和聲波儀控制功能。計算機接收到各類的傳感器數(shù)據(jù)，包括海水溫度、聲學測量探桿下沉深度、離海底沉積物高度三類數(shù)據(jù)，可直觀顯示在海底環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測標簽頁中。在運動狀態(tài)顯示和控制標簽頁，可以直接配置聲學測量探桿的運動速度與位移量，由計算機將指令下達至控制單元，再由控制單元控制電動缸驅動聲學測量探桿運動。在聲波儀控制標簽頁中，可以配置聲波激勵信號，包括采樣頻率、激勵波形、測量頻率、發(fā)射電壓等參數(shù)，控制聲波信號的發(fā)射與接收，直觀顯示接收到的聲波信號波形，并把測量數(shù)據(jù)保存到計算機中。

3 分層測量標定與實驗

海底原位分層聲學測量模擬裝置如圖4 所示，其中，在尺寸為直徑400 mm×高950 mm 的樣品桶中建立小型海底模擬系統(tǒng)，分為200 mm的底層海水層、250 mm 的粉砂質黏土層和350 mm 的粉砂質砂層。海底沉積物來源于南海采集到的海底原狀樣品排氣重塑而成，重塑后粉砂質黏土的黏土質量分數(shù)為76.68%，孔隙度為71.34%，濕密度為1.46 g/cm3；粉砂質砂的含砂質量分數(shù)為80.99%，孔隙度為36.73%，濕密度為1.84 g/cm3。

圖4 聲學測量模擬裝置Fig.4 Acoustic measuring device

3.1 分層運動控制實驗

聲學測量探桿運動控制精度測試，將聲學測量探桿的運動距離定為實驗的設定位移，在發(fā)送端表現(xiàn)為脈沖數(shù)，進行3個豎直的運動距離測試，每個距離設定2個位移速度，實驗結果見表1。測試結果顯示，最大行程誤差為0.50%，最大速度誤差為2.00%，聲學測量探桿運動控制精度較高，滿足系統(tǒng)實驗運動要求。

表1 運動控制精度測試數(shù)據(jù)Table 1 Motion control accuracy test data

3.2 水中分層聲學測量標定實驗

水中分層聲學測量標定實驗是標定出聲學測量探桿的距離差ΔL和海水擴散衰減系數(shù)。由于聲波換能器位于聲學發(fā)射探桿和聲學接收探桿中，如果用游標卡尺等測量工具對L1、L2進行測量并不能準確獲得換能器的發(fā)射中心與接收中心的距離，會產生較大的誤差，難以獲得準確的距離差ΔL。因此，在海底沉積物聲學測量之前需要在水中對換能器的發(fā)射中心與接收中心的距離進行標定，以獲得準確的距離差ΔL。讀取聲波信號到達近、遠聲學接收探桿的時間差Δt，將理論聲速CT代入公式(1)計算出距離差ΔL，獲得遠、近兩桿在頻域上的振幅。根據(jù)公示(2)計算出海水擴散衰減系數(shù)，測量數(shù)據(jù)如表2所示。水中理論聲速CT用Mackenzie公式[21]計算如下：

表2 水中分層測量實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of layered measurement in water

其中，T代表樣品的溫度（℃）；S代表樣品的鹽度（‰）；D代表實驗深度（m）。

將聲學測量探桿壓入到水層30、50、70、90、110、130 mm 處，每處測量5 次，溫度探桿測量得到水溫為20.3 ℃，鹽度計測量得到水鹽度為25‰。由公式(4)計算得出水中理論聲速為1 521.46 m/s，在時域中讀出聲波到達近、遠兩聲學接收探桿的平均時間差Δt為50.70 μs，用理論聲速乘以時間差，得到ΔL值為77.14 mm。

表2 顯示，由于聲波傳播的邊界影響以及測量裝置系統(tǒng)特性影響，導致聲速的測量值存在微小差異，但小于0.50%；同時，根據(jù)公式(2)計算得到裝置在水中平均擴散衰減系數(shù)為（34.30±0.46）dB/m。

3.3 海底原位沉積物分層模擬聲學測量實驗

原位分層模擬聲學測量實驗由定位測量和連續(xù)測量兩種實驗組成，驗證海底原位測量過程中的靜態(tài)測量和連續(xù)運動測量。在定位測量實驗中，控制聲學測量探桿精確壓入到海水層、粉砂質黏土層、粉砂質砂層100 mm深處，每一層進行5次測量；在連續(xù)測量實驗中，控制聲學測量探桿以0.04 m/s的速度壓入到介質層中，聲波儀設置聲波發(fā)射頻率為1 s-1。定位測量實驗的兩根聲學接收探桿在海水層、粉砂質黏土層和粉砂質砂層接收信號如圖5 所示，其頻譜如圖6所示。

圖5 不同層遠、近桿聲波信號Fig.5 Acoustic signals from far and near rods at different layers

圖6 不同層遠、近桿聲波信號頻譜Fig.6 Spectra of acoustic signals from far and near rods at different layers

海底原位聲學測量頭聲學測量特性研究[22]表明，在時域中，采用互相關法能有效處理聲學信號計算聲速；在頻域中，使用主頻特征法能有效計算聲衰減系數(shù)。通過對接收聲波信號的互相關分析，獲得兩根聲學接收探桿接收到發(fā)射聲波的時間差，代入公式(1)計算出聲波在海水層、粉砂質黏土層和粉砂質砂層的聲速；通過讀取兩根接收探桿頻域中主頻的振幅，代入公式(2)和公式(3)分別計算出海水層的擴散衰減系數(shù)、粉砂質黏土層和粉砂質砂層的聲衰減系數(shù)，計算結果見表3。

表3 沉積物測量實驗數(shù)據(jù)Table 3 Sediment measurement experimental data

表3顯示，定位測量和連續(xù)測量結果十分接近。兩種實驗中粉砂質黏土層平均聲速比為0.976，粉砂質砂層平均聲速比為1.065，符合海底沉積物的孔隙度增大而聲速減小，含砂量越高而聲速越大的規(guī)律[23]，符合東海航次對應海底沉積物類型的原位測量聲速比[24]（砂質為主的范圍1.026～1.070，黏土質為主的范圍0.974～0.985）；按照地聲結構分層[25]分別對應低聲速表面-低聲速層海底和高聲速表面-高聲速層海底。闞光明等[26]測得南黃海中部海域沉積物的聲速范圍為1 433.7～1 667.6 m/s，聲衰減系數(shù)范圍為7.6～33.4 dB/m，沉積物孔隙度范圍為38.1%～69.1%；王景強[27]測得膠州灣海底表層沉積物聲速值范圍為1 465～1 675 m/s，聲衰減系數(shù)范圍為1.7～60.2 dB/m，沉積物中平均含砂質量分數(shù)、粉砂質量分數(shù)、黏土質量分數(shù)分別為25.4%、54.9%、19.7%。不同海域中不同海底沉積物類型的聲學和物理參數(shù)變化范圍較大，但整體具有相似性。原位分層模擬聲學測量實驗結果與其他海域的同種類型的海底沉積物所測聲學特性范圍相接近，表明本裝置可以實現(xiàn)海底沉積物分層測量。

為驗證海底原位分層聲學測量模擬裝置測量結果的準確性，用取樣管將重塑后的沉積物從樣品桶中取出，采用海底沉積物巖芯橫向聲學測量系統(tǒng)[28]對取樣管中沉積物進行分層測量。

將發(fā)射換能器和接收換能器固定在粉砂質黏土層和粉砂質砂層100 mm 深處，每一位置進行5次聲學特性測量。海底原位分層聲學測量模擬裝置測量結果與海底沉積物巖芯橫向聲學測量系統(tǒng)測量結果如圖7 所示，定位測量法與橫向測量法對兩種樣品聲速和聲衰減的測量值誤差最大分別為0.37%和4.57%，說明該裝置能有效測量海底沉積物聲學特性。

圖7 不同測量方式的聲學特性測量結果對比Fig.7 Comparison of acoustic properties measurement results from different measurement methods

4 結論

為研究不同環(huán)境條件下海底沉積物聲學特性的變化機制和原位測量裝置的測量特性，設計一種海底原位分層聲學測量模擬裝置，通過控制電動缸準確推動聲學測量探桿運動到不同深度，實現(xiàn)海底沉積物分層聲學特性測量?；谒蟹謱勇晫W測量標定實驗和海底原位分層模擬聲學測量實驗，得到以下結論：

1）水中標定測量，得到聲學測量探桿的校正距離差為77.14 mm，聲波平均擴散衰減系數(shù)為（34.81 ±0.46）dB/m。

2）定位測量和連續(xù)測量兩種方式得到海水和海底沉積物的聲學特性差異較小，且對粉砂質黏土和粉砂質砂的測量結果與巖芯橫向聲學測量法測得的聲學特性具有一致性，表明本裝置測量具有可靠性。

3）海底原位分層聲學測量模擬裝置可以推動聲學測量探桿壓入到物理性質不同的海底沉積物層中，實現(xiàn)底層海水和海底沉積物的分層聲學特性測量。

感謝中國自然資源部第一海洋研究所闞光明研究員和中國科學院南海海洋研究所田雨杭博士提供的寶貴建議和幫助。部分數(shù)據(jù)得到“中國開放式科學考察郵輪（航次編號：NORC2021-02、NORC2021-301）”的國家自然科學基金船舶分時計劃資助。