胡 柳，龍建軍，，邸鵬飛

(1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006;2.三亞深?？茖W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，且甲烷是強烈的溫室效應氣體，是同質(zhì)量二氧化碳氣體的20多倍［2-3］，海底天然氣滲漏被認為是全球氣候變化的一個重要的影響因子［4］.因此，有必要對冷泉進行觀測，以確定甲烷的釋放量.

國內(nèi)對海底天然氣滲漏原位流量在線測量技術的報道較少，而國際上該領域的研究較多.Washburn L等［5］采用容積法懸浮式收集器測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，并用小波方法處理聲信號數(shù)據(jù)反演氣泡流量.Roberts D A等［7］根據(jù)甲烷強烈吸收短波紅外線的特性，采用遙測紅外成像光譜數(shù)據(jù)評估釋放到海面的甲烷量.國內(nèi)目前主要采用地球物理等方法探測海底發(fā)育的冷泉滲漏活動［8-11］.龍建軍等［12］提出了測量前調(diào)整氣泡狀態(tài)并用透射聲波波形－振幅參數(shù)測量滲漏氣泡流量，開展了氣泡流量超聲波檢測模擬實驗研究，初步驗證了氣泡流量測量方法的有效性，但未見聲波分路器的詳細設計參數(shù).本文的研究工作是文獻［12］工作的繼續(xù)，主要結(jié)合聲學理論與實驗要求設計相關法測量氣泡流速的聲波分路器和實驗測量分路器的主要特性.

1 聲波分路器設計原理

1.1 聲波導管理論

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

如圖1所示的矩形管，其寬度為ly，高為lx，管長用z坐標表示，設管口取在z=0處，另一端延伸到無限遠.

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稱為導管的簡正頻率，c0為矩形管的聲速，nx、ny為非負整數(shù).

如果聲源的頻率高于管中的截止頻率，則管中會激發(fā)相應的高次波，此高次振動實際上就是在x，y方向上的聲駐波，因此實際的聲場就變得極復雜，如果希望在聲管中獲得一種比較純凈的平面聲場，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ρ1c1＜＜ρ2c2，媒質(zhì)Π比媒質(zhì)Ι說來十分“堅硬”，此時發(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“十分堅硬”的分界面.當ρ1c1＞＞ρ2c2，聲波從密介質(zhì)入射到“軟邊界”時，也會發(fā)生全反射，分界面處恰是速度波腹和聲壓波節(jié).

2 聲波分路器的設計

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

換能器發(fā)出的聲波頻率由文獻［12］可以得出，當測量海水中滲漏的天然氣時，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，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，聲波在傳播過程中的損耗主要是材料本身損耗與向周圍環(huán)境輻射損耗.由聲波反射、折射和透射原理可知，當聲波分路器的特性阻抗遠大于海水的特性阻抗時，聲波向周圍環(huán)境輻射損耗很小，可以認為聲波只在聲波分路器中傳播.

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

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

2.2 聲波分路器結(jié)構(gòu)設計

聲波分路器結(jié)構(gòu)設計的主要參數(shù)是開角α和壓電換能器沿測量管軸向尺寸L.如圖2所示，聲波反射塊的材料是高速鋼，其特性阻抗遠高于海水的特性阻抗，反射塊的作用是使聲波沿著設計的波導傳播，且不會由于聲波垂直透射進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，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，當入射角c≥θic=26.27°時，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°.

壓電換能器沿測量管軸向尺寸L(單位mm)由文獻［12］公式求得:

式中，v(單位mm/s)為海底冷泉氣泡上升速度，fmax(單位Hz)為信號帶寬，由文獻［12］得，帶寬fmax＞1時，聲波測量方法可有效地測量氣泡流速.海底自然冒出的氣泡直徑范圍約為0.01～80 mm［14］.由文獻［15］知，在平靜的水中氣泡的上升速度與其半徑有密切的關系，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時達到極大值，當半徑繼續(xù)增加，它的變化很小.測量管軸向尺寸L也受矩形壓電陶瓷片尺寸的限制，取L=10 mm，能有效測量氣泡流速.聲波分路器寬、高尺寸根據(jù)文獻［12］的方法確定，其他參數(shù)由實驗數(shù)據(jù)確定.

3 聲波分路器的實驗研究

3.1 接收換能器校驗實驗

本實驗使用TH204B型多波參數(shù)分析儀測量聲波參數(shù)，實驗前對接收與發(fā)射換能器進行校正.

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

表2 接收換能器校驗實驗Tab.2 Calibration experiments of receiving transducer

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

圖31 號接收換能器頻譜圖Fig.3 Frequency spectrum of No.1 receiving transducer

圖42 號接收換能器頻譜圖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，兩個接收換能器的性能基本相同，能滿足聲波分路器分路校驗實驗.

3.2 空氣中與水中聲波分路器的聲學特性對比實驗

3.2.1 空氣中聲波分路器的聲學特性

實驗時裝置如圖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實驗裝置Fig.5 Calibration experiments of each branch in air

對聲波分路器兩支路的首波傳播時間與幅值處理，得到首波傳播時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間相差很小，幅值走勢基本一致，由測得的數(shù)據(jù)得各支路首波傳播時間相對偏差的平均值為0.97%，首波幅值相對偏差的平均值為3.69%;由圖8得各支路功率頻譜有多個功率幅值，主要原因是換能器的發(fā)射頻率高于有機玻璃的截止頻率，在有機玻璃中會激發(fā)相應的高次波;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)過分路器各支路的相位、幅值、頻譜特性有一定的差別.這與設計的預期一致，驗證了聲波分路器設計的合理性.

3.2.2 水中聲波分路器的聲學特性

如表1所示，有機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，聲波通過分路器將有較多的能量損耗在水中，而過多的能量損耗將會影響海底滲漏氣泡流速的測量，本實驗將驗證水中聲波能量的損耗量.

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

圖9 聲波分路器水中各支路校驗實驗裝置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，分別測量各支路聲波參數(shù)，測試結(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，可以確認聲波是通過分路器傳播的.由表1得出，有機玻璃的特性阻抗遠大于空氣的特性阻抗，可以認為，在空氣中聲波通過分路器基本沒有能量損耗.水的特性阻抗較大，在水中聲波通過分路器支路1能量損耗的相對誤差

類似，聲波通過聲波分路器支路2能量損耗的相對誤差Iε2=27.7%.

可見，在水中聲波通過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

根據(jù)聲波導理論與聲波傳播原理確定了分路器的結(jié)構(gòu)參數(shù);空氣中和水中的實驗驗證聲波分路器的設計是合理的與有效的，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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