海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測量系統(tǒng)的標(biāo)定

伍智林，鄒大鵬,2,3，孫晗，劉偉,3，肖體兵

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué)，省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510006；3.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

0 引 言

海底沉積物的聲學(xué)特性在水聲學(xué)、地聲學(xué)、沉積聲學(xué)中都有著重要的應(yīng)用。其中聲學(xué)參數(shù)包括傳播速度和能量衰減等，是研究海底沉積物物理特性的重要參數(shù)[1-4]，也是應(yīng)用不同聲學(xué)測量方法獲取海底聲波傳播的特性參數(shù)。

采集海底沉積物巖芯樣品在實(shí)驗(yàn)室測量聲速和聲衰減是最常用的方法。Hamilton 等[5]研究了海底沉積物物理參數(shù)與聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，給出了一系列經(jīng)驗(yàn)回歸方程。Baldwin等[6]基于壓縮波探針系統(tǒng)測量了海底沉積物聲速和衰減特性。Zhou等[7]研制了一種小型地聲物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)，分析了溫度壓力對海底沉積物聲學(xué)特性的影響。闞光明等[8]采用透射法在實(shí)驗(yàn)室測量了海底沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)。盧博等[9]通過多次對海南島東南外海海底沉積層取樣，分析了海底沉積物特征及其聲學(xué)物理性質(zhì)。孟祥梅等[10]測量并研究了黃海海底沉積物，得出其物理力學(xué)性能、溫度以及換能器的頻率會影響海底沉積物的壓縮波速和剪切波速。鄒大鵬等[11]提出了應(yīng)用同軸差距測量法測量海底沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)。

以上實(shí)驗(yàn)室測量通常獲得圓柱狀海底沉積物巖芯樣品后，利用水平軸向測量法，即在樣品兩個(gè)端面放置聲學(xué)換能器，基于發(fā)射換能器發(fā)出聲波信號，穿過海底沉積物，再由接收換能器接收聲波信號，通過聲波的傳播距離、傳播時(shí)間差和傳播衰減來計(jì)算平均聲速和聲衰減系數(shù)。這種方法通常將海底沉積物樣品水平放置，與海底沉積物在海底實(shí)際存在和采集過程的豎直狀態(tài)不同，會發(fā)生表層軟質(zhì)海底沉積物的流淌現(xiàn)象，并且水平放置樣品，只能獲得測量樣品段內(nèi)的平均聲學(xué)特性，無法獲得海底沉積物的分層聲學(xué)特性，并且測得的聲衰減系數(shù)存在較大誤差。

相對于水平軸向測量法，橫向測量法在樣品管管身兩側(cè)安放換能器測量海底沉積物，實(shí)現(xiàn)豎直樣品的橫向測量和分層測量。Richardson[12]使用兩個(gè)保持恒定距離并與樣品管外部接觸的油馕換能器，實(shí)現(xiàn)了海底沉積物的橫向測量技術(shù)，其中油馕充當(dāng)換能器和樣品的耦合連接。Sun等[13]基于橫向測量研究開發(fā)了一套水耦合實(shí)驗(yàn)室測量系統(tǒng)，準(zhǔn)確測量了黏性淤泥質(zhì)海底沉積物巖芯樣品的聲速和衰減。Wang 等[14]在水耦合實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，研究了不同大小粒度的海底沉積物在27～247 kHz 頻率范圍內(nèi)的聲速和衰減，提出了散射會影響海底沉積物的衰減隨頻率的變化。

橫向測量法提出了一種有效分層的測量方法，但以上研究缺乏對聲學(xué)換能器與樣品的耦合狀態(tài)等對實(shí)驗(yàn)測量精度造成的影響以及測量過程的標(biāo)定等研究。因此，本文研發(fā)了海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測量系統(tǒng)，以水作為測量對象研究系統(tǒng)的標(biāo)定，并對海底沉積物巖芯樣品進(jìn)行聲學(xué)特性測量。

1 橫向聲學(xué)測量原理

1.1 測量系統(tǒng)組成

橫向聲學(xué)測量系統(tǒng)包括聲學(xué)分層測量裝置、測量水槽、兩個(gè)平面聲學(xué)換能器(發(fā)射和接收換能器)、多功能物理聲學(xué)參數(shù)測量儀、上位機(jī)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。聲學(xué)分層測量裝置置于充滿水的測量水槽中，水可以提高換能器與樣品管管壁的耦合度。上位機(jī)軟件控制多功能物理聲學(xué)參數(shù)測量儀激發(fā)發(fā)射換能器，通過水的耦合傳播，聲波信號通過樣品管壁和海底沉積物巖芯樣品，并由接收換能器接收信號。接收的聲波電壓信號在上位機(jī)軟件程序以波形圖呈現(xiàn)，并且可以保存聲波數(shù)據(jù)文件，用于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖1 海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of crosswise acoustic measurement system of marine sediment cores

聲學(xué)分層測量裝置包括海底沉積物巖芯樣品、聲學(xué)換能器夾緊機(jī)構(gòu)、樣品夾緊機(jī)構(gòu)、升降絲杠以及手輪，如圖2所示。該裝置的主要功能是通過轉(zhuǎn)動手輪，上下移動聲學(xué)換能器來測量海底沉積物巖芯樣品不同位置的聲學(xué)特性，并且保證測量過程中發(fā)射換能器和接收換能器的間距保持不變。樣品垂直放置裝夾在測量裝置上，可有效保留樣品采集時(shí)原有的豎直狀態(tài)，避免海底沉積物的流淌，也與海底沉積物原位存在狀態(tài)一致。聲學(xué)換能器可通過換能器夾緊機(jī)構(gòu)夾持在升降導(dǎo)軌上，轉(zhuǎn)動手輪通過升降絲杠實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收換能器的升降，因此該測量平臺可以沿著測量海底沉積物巖芯樣品的豎直方向進(jìn)行橫向(即樣品徑向)分層測量。

圖2 聲學(xué)分層測量裝置主要組成Fig.2 The main components of the acoustic layered measurement device

由于海底沉積物巖芯樣品采集時(shí)需要采用取樣管盛裝，所以測量過程中需對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，消除管壁結(jié)構(gòu)對海底沉積物測量的影響。

1.2 測量原理

橫向聲學(xué)測量技術(shù)從與管壁是否接觸可以分為：(1)隔水耦合測量法，如Wang 等[14]的測量系統(tǒng)，測量原理如圖3(a)所示；(2)管壁接觸測量法，如Richardson[12]的測量系統(tǒng)，測量原理如圖3(b)所示。兩種測量方法的原理基本一致，都是以測量樣品管中水的傳播特性作為參照，通過測量樣品管中海底沉積物傳播特性，計(jì)算聲波傳播走時(shí)差和聲傳播能量比等來獲得海底沉積物的聲學(xué)特性。因此，測量過程分為：(1)水樣品(純凈水)的標(biāo)定測量，獲得系統(tǒng)電聲走時(shí)和聲傳播初始能量；(2)對海底沉積物巖芯樣品進(jìn)行測量，得到聲速和聲衰減系數(shù)。

圖3 橫向聲學(xué)測量技術(shù)原理圖Fig.3 Principle diagram of crossuise acoustic measurement

測量過程中采用的聲學(xué)換能器結(jié)構(gòu)由外殼、阻抗匹配層、壓電陶瓷、背襯等組成。聲波由發(fā)射換能器傳播到接收換能器，要通過阻抗匹配層、背襯、外殼等介質(zhì)。聲波在這些介質(zhì)傳播時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)間通常被看作是聲學(xué)換能器的電子延時(shí)。

參考換能器本身的結(jié)構(gòu)特性，把樣品管壁、換能器和管壁之間的耦合劑作為換能器的擴(kuò)展部分，形成等效換能器。將圖3中黑粗實(shí)線部分視作等效換能器，其中隔水耦合測量法的等效換能器包括原聲學(xué)換能器、水和管壁；管壁接觸測量法的等效換能器包括原聲學(xué)換能器和管壁。等效換能器聲延時(shí)是除被測對象傳播路徑之外的系統(tǒng)電聲走時(shí)，等效換能器聲傳播初始能量為聲波透過水樣品后的接收信號能量，主要表征聲波傳播路徑中，由非被測對象衰減引起的等效換能器自身衰減和擴(kuò)散損失后剩余的初始能量，以接收換能器的接收電壓表示。

水的聲速不受測量頻率影響，即無頻散性，但受溫度影響，滿足關(guān)系[15]：

式中：T為水的溫度，單位℃。

水的聲衰減系數(shù)與頻率的關(guān)系為[16]

式中：αw為水的聲衰減系數(shù)(dB·m-1)；f為測量頻率，單位為kHz。當(dāng)頻率變化范圍為1～100 kHz時(shí)，水的聲衰減系數(shù)為2.17×10-7～2.17×10-3dB·m-1，水的聲衰減系數(shù)非常小、且受頻率影響較小，與聲波傳播時(shí)的擴(kuò)散衰減和海底沉積物的中的聲衰減相比，可以忽略。而海底沉積物聲速具有頻散性，聲衰減系數(shù)與頻率有關(guān)，因此可以采用水作為計(jì)算海底沉積物聲學(xué)特性標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)定介質(zhì)，標(biāo)定得到整個(gè)測量系統(tǒng)傳播過程等效換能器聲延時(shí)和聲傳播的初始能量。

以水作為標(biāo)定介質(zhì)，等效換能器聲延時(shí)t0為

式中：tw為聲波在水中的傳播時(shí)間，單位為s；d為樣品管內(nèi)徑，單位為m；cw為水聲速，單位為m·s-1。

以水作為標(biāo)定介質(zhì)，等效換能器聲傳播初始能量ew除包括等效換能器自身損失后的能量外，還包括聲波透過水樣品損失后的初始能量，采用接收電壓表示，單位為V。以上分析表明，基于式(2)得到的水的自身聲衰減可以忽略，因此ew主要是聲波傳播路徑中存在的擴(kuò)散損失。

標(biāo)定后，應(yīng)用于海底沉積物測量樣品時(shí)，聲速和聲衰減系數(shù)[17]計(jì)算式為

式中：cp為海底沉積物中的聲速，單位為m·s-1；tp為測量海底沉積物時(shí)的聲波傳播時(shí)間，單位為s；αp為海底沉積物的聲衰減系數(shù)，單位為dB·m-1；es為聲波透過海底沉積物樣品后接收換能器的接收電壓，單位為V。基于式(4)和式(5)可以消除等效換能器測量系統(tǒng)中的系統(tǒng)聲延時(shí)、系統(tǒng)初始能量損失的影響，而且系統(tǒng)特性與測量頻率無關(guān)，可以用于測量海底沉積物的聲學(xué)特性。

2 水中標(biāo)定測量

由式(3)可知，水中的聲速cw是計(jì)算等效換能器聲延時(shí)t0的關(guān)鍵。因?yàn)楹５壮练e物采用PVC管盛裝，所以水中標(biāo)定時(shí)也采用和海底沉積物一樣的PVC 管。由于PVC 管的體積彈性模量K為3.14～3.92 GPa，密度ρ為1.35～1.40 g·cm-3，導(dǎo)致使用的PVC 管聲速不是恒定值，因此聲波穿過PVC 管，會影響到等效換能器的系統(tǒng)聲延時(shí)。為避免不同海底沉積物樣品的PVC 管聲速影響，采取差距法消除管壁影響。差距法是利用圖3中的隔水耦合測量法和管壁接觸測量法兩者的聲波傳播距離差和時(shí)間差的比值計(jì)算水聲速：

式中：D為隔水耦合法的換能器間距，單位為m；δ為PVC管的厚度，單位為m；Δt為隔水耦合法和管壁接觸法聲波傳播時(shí)間差，單位為s。

2.1 換能器性能測量

在實(shí)際測量中，不同頻率的聲學(xué)換能器結(jié)構(gòu)存在差異，為減少實(shí)驗(yàn)時(shí)等效換能器性能差異的影響，將不同頻率下測得的水中的聲速與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，可以比較各個(gè)換能器的測量性能以及等效換能器的聲延時(shí)。測量過程中，水溫為28.7℃，由式(2)計(jì)算水中聲速的標(biāo)準(zhǔn)值為1 506.72 m·s-1，所測樣品管為標(biāo)稱直徑90 mm 的PVC 管(實(shí)測管外徑為90.22 mm，內(nèi)徑為81.58 mm)，管中所盛樣品為水，測量分別采用33、80和100 kHz頻率的聲學(xué)換能器組，測量聲波波形如圖4所示。測量隔水耦合法下聲學(xué)換能器組間距為142.02 mm，對應(yīng)差距法的聲傳播距離差為51.80 mm。采用式(6)計(jì)算三種頻率換能器測得的水中聲速分別為1 507.57±6.59 m·s-1、1 506.69±3.28 m·s-1以及1 510.20±6.28 m·s-1，平均值與水中聲速標(biāo)準(zhǔn)值都比較接近，表明測量方法有效。其中，80 kHz聲學(xué)換能器所測的水中聲速更接近標(biāo)準(zhǔn)的水中聲速，并且標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，說明其測量性能相對較好，后續(xù)采用80 kHz 的聲學(xué)換能器組進(jìn)行聲學(xué)測量標(biāo)定。

圖4 隔水耦合法和管壁接觸法在不同頻率測量90 mm PVC管的波形Fig.4 Waveforms shown in measuring 90 mm PVC tube by water-proof coupling method and contacting pipe wall method at different frequencies

2.2 管徑影響性測量

由式(3)可知，實(shí)際測量中，PVC 管的直徑直接影響標(biāo)定的等效換能器的聲延時(shí)。因此將三種PVC管測量的水中聲速和標(biāo)準(zhǔn)值作對比，選取測量誤差影響較小的PVC管進(jìn)行測量。

基于選取頻率為80 kHz的聲學(xué)換能器組，測量標(biāo)稱直徑分別為75、90、110 mm的1、2、3號管(實(shí)測三種管外徑分別為75.66、90.22、110.30 mm，內(nèi)徑分別為68.94、81.58、102.06 mm)，管中所盛樣品為水。隔水耦合測量法的聲學(xué)換能器組間距為142.02 mm，聲傳播距離差分別為66.53、51.80、31.72 mm，測量聲波波形如圖5所示。采用式(6)計(jì)算三種管中的水中的聲速，分別為1 508.89±3.46、1 506.69±3.28 和1 503.32±7.77 m·s-1，平均值與水中聲速的標(biāo)準(zhǔn)值都比較接近，表明測量方法有效。其中，采用2號管測量水中聲速平均值更加接近標(biāo)準(zhǔn)水中聲速，并且測量標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，表明該批PVC管中用2號管測量隨機(jī)誤差相對較小。后續(xù)測量中，使用頻率為80 kHz的聲學(xué)換能器和標(biāo)稱直徑90 mm PVC管進(jìn)行標(biāo)定測量，研究隔水耦合法和管壁接觸法的標(biāo)定差異。

圖5 三種尺寸PVC管在頻率為80 Hz時(shí)的波形Fig.5 Waveforms shown in measuring three sizes of PVC pipes at 80 kHz

2.3 兩種方法的標(biāo)定對比

基于等效換能器，兩種方法都是測量管中的水，但是聲波傳播時(shí)間不同。這是因?yàn)閮煞N方法的等效換能器聲延時(shí)存在差異。采用頻率為80 kHz的聲學(xué)換能器和標(biāo)稱直徑為90 mm 的PVC 管測量標(biāo)定的水中聲速的平均值為1 506.69 m·s-1，代入式(3)可計(jì)算出隔水耦合測量法和管壁接觸測量法對應(yīng)的等效聲延時(shí)t0a和t0b分別為45.88±0.08 μs 和11.50±0.10 μs。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)波形得到兩種方法計(jì)算得到的聲傳播初始能量ewa和ewb，分別為0.86±0.03 V和1.94±0.01 V。測量結(jié)果如表1所示。

表1 隔水耦合法和管壁接觸法測量的等效換能器聲延時(shí)和聲傳播初始能量Table 1 The sound delays of equivalent transducer and initial energies of sound propagation measured by water-proof coupling method and contacting pipe wall method

隔水耦合法相對于管壁接觸法聲傳播距離長，聲能量擴(kuò)散損失多，因此等效換能器聲延時(shí)大，聲傳播初始能量小。但在測量原理和操作上，隔水耦合法不受到聲學(xué)換能器和管壁接觸狀態(tài)以及管壁尺寸變化的影響，所以操作更方便，影響因素更少。因此，優(yōu)選隔水耦合法應(yīng)用于海底沉積物的聲學(xué)特性測量。

3 海底沉積物測量應(yīng)用

海底沉積物樣品取自南海某海域，樣品采用標(biāo)稱直徑90 mm、長度500 mm的PVC管盛裝。樣品為黏土質(zhì)粉砂，砂、粉砂、黏土的百分含量分別為1.41%、64.82%、33.77%。樣品的聲學(xué)測量結(jié)果如圖6所示，實(shí)際測量時(shí)中心頻率為73.31 kHz。

圖6 隔水耦合法測量海底沉積物和水的波形與頻譜Fig.6 Waveforms and frequency spectrums shown in measuring marine sediments and water by water-proof coupling method

基于式(4)，代入隔水耦合法的等效換能器聲延時(shí)t0a的平均值45.88 μs，計(jì)算海底沉積物的聲速為1 577.19±4.17 m·s-1；基于式(5)，代入隔水耦合法的聲傳播初始能量ewa的平均值0.86 V，計(jì)算海底沉積物聲衰減系數(shù)為8.15±0.75 dB·m-1。海底沉積物的聲學(xué)特性計(jì)算結(jié)果符合黏土質(zhì)粉砂的聲學(xué)特性[18]。

4 結(jié) 論

本文研究了海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測量系統(tǒng)的標(biāo)定，得到如下結(jié)論：

(1) 以水作為聲學(xué)換能器和海底沉積物巖芯樣品管之間的傳播介質(zhì)，可以提高海底沉積物巖芯測量聲波傳播的耦合性；

(2) 以水作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，分別在33 kHz、80 kHz和100 kHz三種測量頻率以及75 mm、90 mm、110 mm三種PVC管標(biāo)稱管徑下，得到的水中聲速與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的水中聲速具有一致性，表明了海底沉積物巖芯橫向測量技術(shù)的可行性；

(3) 基于等效換能器可以解釋橫向聲學(xué)測量技術(shù)的原理，通過水中標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以得出等效換能器的聲延時(shí)和聲傳播初始能量，將其應(yīng)用于海底沉積物的測量中，可以同時(shí)得到聲速和聲衰減；

(4) 隔水耦合法相對于管壁接觸法，對應(yīng)的等效換能器聲延時(shí)較大，聲傳播初始能量較小，但可以固定換能器的相對距離，中間采用水耦合，不受管壁直徑變化和接觸狀態(tài)的影響，測量更簡便、誤差更小。

當(dāng)前，海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測量技術(shù)屬于新的測量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對樣品無擾動和無損害狀態(tài)下的聲速和聲衰減系數(shù)同時(shí)測量。但在具體應(yīng)用時(shí)，必須進(jìn)行水中標(biāo)定得出等效換能器聲延時(shí)和聲傳播初始能量，才能夠準(zhǔn)確測量計(jì)算得出海底沉積物中的聲速和聲衰減系數(shù)。

致謝感謝自然資源部第一海洋研究所王景強(qiáng)副研究員、闞光明研究員給予的指導(dǎo)與幫助。