一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法

【技术实现步骤摘要】
一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法


[0001]本专利技术属于海洋调查与海底探测
，具体涉及一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法
。

技术介绍

[0002]海底沉积物的力学与声学特性是海洋环境的重要要素之一，其在海洋声场计算与海底工程地质评价方面均有广泛的应用
。
海底沉积物的力学与声学特性原位测量方法是最大程度保持沉积物原始状态，获取高精度声学特性数据的有效手段
。
现有技术中，使用探杆搭载声学发射换能器与接收换能器，将探杆贯入沉积物中进行原位声学测量
。
这种测量模式，其发射换能器与接收换能器通常分别布置在探杆与压载平台上，主要是测量从声学发射换能器到接收换能器的直达波，需要声学发射换能器与接收换能器的指向性适配，且要求发射换能器与海底沉积物耦合良好，才能接收到有效信号，这对探杆的机械结构造成了限制，需要多探杆分别搭载声学发射换能器与接收换能器，或者需要单独的支撑杆搭载声学发射换能器
。
现有原位测量方法，为了满足声学指向性的适配，机械结构复杂，作业不便，而且由于机械连接件非刚性，造成声学发射换能器与接收换能器之间的相对距离不固定，影响测量精度
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法
。
[0004]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置，该装置包括：由下至上布置在探杆上的锥尖阻力探头
、
侧壁摩擦力应变环
、
第一环形发射换能器
、
第一隔声环
、
第二隔声环和第二环形发射换能器；所述的第一隔声环和第二隔声环的外壁与内壁设置若干凹槽，凹槽的长度大于发射换能器谐振频率对应的波长；布置在第一环形发射换能器与第二环形发射换能器之间的探杆外壁上且与探杆轴线对称的第一接收换能器条带和第二接收换能器条带；第一接收换能器条带上贴有第一透声介质覆膜，第二接收换能器条带上贴有第二透声介质覆膜
。
[0005]进一步地，所述的第一环形发射换能器
、
第二环形发射换能器分别由四只四分之一圆环声学换能器基元组成
。
[0006]进一步地，所述的第一环形发射换能器
、
第二环形发射换能器的相邻声学换能器基元的极化方向相反，基元是径向极化的，采用径向振动模式
。
[0007]进一步地，所述的第一接收换能器条带
、
第二接收换能器条带分别由等间距的接收换能器基元组成，相邻基元的极化方向相反；进一步地，所述第一接收换能器条带
、
第二接收换能器条带的基元与前置放大器集成后封装成阵
。
[0008]进一步地，所述的锥尖阻力探头为尖锥形，且锥底的直径比探杆的直径大
1mm。
[0009]进一步地，第一透声介质覆膜和第二透声介质覆膜的功能是形成声速传播界面，造成低速与高速两个界面，声波首先到达高速界面，然后能够使用已知的低速界面的参数计算高速界面的参数
。
[0010]进一步地，第一透声介质覆膜和第二透声介质覆膜的覆膜厚度为发射换能器谐振频率对应波长的2倍
。
[0011]进一步地，所述探杆外壁设置位移传感器，用于获得探杆贯入沉积物中的深度
。
[0012]另一方面，本专利技术还提供了一种海底沉积物力学与声学特性原位测量方法，该方法包括以下步骤：步骤1，使用铠装同轴电缆或光电复合缆连接电子仓段；步骤2，布放所述装置，在接近海底时，加大布放速度，使得探杆利用配重贯入沉积物中，第一环形发射换能器与第二环形发射换能器交替辐射声波，第一环形发射换能器与第二环形发射换能器的各四只相邻基元，均同相与异相辐射声波，声波沿着海底沉积物与透声覆膜界面的声波最先到达第一接收换能器条带
、
第二接收换能器条带，由电子仓段记录声波波形；步骤3，回收海底沉积物声学特性原位测量装置至其出水，放置甲板面，淡水冲洗，干燥通风存放；步骤4，使用步骤2采集的沉积物中的声传播信号波形，获得发射换能器和接收换能器与对应基元之间声波的传播时间差和振幅，利用发射换能器和接收换能器与对应基元之间的距离，计算沉积物的平均声速与声衰减系数；步骤5，利用探杆贯入过程中锥尖阻力探头与侧壁摩檫力应变环采集的沉积物力学数据，以及步骤4测量的沉积物平均声速，依据弹性力学公式综合评价沉积物的工程地质
。
[0013]本专利技术的有益效果是，声学发射换能器与声学接收换能器设置在一条探杆上，并且，声学发射换能器分别设置在探针的底端和顶端，可确保探杆在贯入海底沉积物中，最少有一只声学发射换能器与沉积物耦合良好，声能量辐射效率增大，提高了声学接收换能器采集的信号幅值，为首波的到达时间与幅值判读奠定了基础；声发射段由四只声学发射换能器基元组成，可以配置形成不同的声波波束，有利于深入研究海底沉积物的声传播特性；通过使用透声介质覆膜，构建覆膜与海底沉积物的声学传播界面，产生界面波，且提供了有效可靠的测量校准基准，确保声波采集段可最先采集到由高速沉积层传播的声波信号，进而计算沉积物的声速；通过探杆端配置的锥尖阻力探杆与侧壁摩檫力应变环，可以在贯入沉积物的过程中，实时测量沉积物的力学特性，与本装置同步测量的声学特性综合反映沉积物的物理特性；水下探测单元由单一的探针组成，同时包括了声学发射换能器与声学接收换能器，安装方便，作业效率高，为海上现场调查布放作业提供了便利，提高了测量效率，适宜开展专项调查
。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图
。
[0015]图1为本专利技术总体结构示意图
。
[0016]图2为本专利技术的测量原理示意图
。
[0017]图中：锥尖阻力探头
1、
侧壁摩擦力应变环
2、
第一环形发射换能器
3、
第一隔声环
4、
探杆
5、
第一透声介质覆膜
6、
第一接收换能器条带
7、
第二透声介质覆膜
8、
第二接收换能器条带
9、
第二隔声环
10、
第二环形发射换能器
11、
电子仓段
12、
平台
13、
配重
14、
吊头
15
以及凹槽
16。
具体实施方式
[0018]下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明
。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置，其特征是，该装置包括：由下至上布置在探杆（5）上的锥尖阻力探头（1）
、
侧壁摩擦力应变环（2）
、
第一环形发射换能器（3）
、
第一隔声环（4）
、
第二隔声环（
10
）和第二环形发射换能器（
11
）；所述的第一隔声环（4）和第二隔声环（
10
）的外壁与内壁设置若干凹槽（
16
），凹槽（
16
）的长度大于发射换能器谐振频率对应的波长；布置在第一环形发射换能器（3）与第二环形发射换能器（
11
）之间的探杆（5）外壁上且与探杆轴线对称的第一接收换能器条带（7）和第二接收换能器条带（9）；第一接收换能器条带（7）上贴有第一透声介质覆膜（6），第二接收换能器条带（9）上贴有第二透声介质覆膜（8）
。2.
根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的第一环形发射换能器（3）
、
第二环形发射换能器（
11
）分别由四只四分之一圆环声学换能器基元组成
。3.
根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的第一环形发射换能器（3）
、
第二环形发射换能器（
11
）的相邻声学换能器基元的极化方向相反，基元是径向极化的，采用径向振动模式
。4.
根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的第一接收换能器条带（7）
、
第二接收换能器条带（9）分别由等间距的接收换能器基元组成，相邻基元的极化方向相反
。5.
根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述第一接收换能器条带（7）
、
第二接收换能器条带（9）的基元与前置放大器集成后封装成阵
。6.
根据权利要求1所述的装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国堙，陶春辉，周建平，张金辉，邓显明，徐巍军，王渊，丘磊，王汉闯，柳云龙，
申请(专利权)人：自然资源部第二海洋研究所，
类型：发明
国别省市：