邢蘭昌， 祁 雨， 劉昌嶺， 孟慶國， 劉樂樂， 耿艷峰， 華陳權(quán)

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東 青島 266580； 2. 青島海洋地質(zhì)研究所 國土資源部天然氣水合物重點實驗室， 山東 青島 266071； 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室， 山東 青島 266071)

0 引 言

籠形水合物是指一些相對分子質(zhì)量較低的氣體和揮發(fā)性液體在一定的壓力和溫度條件下與水形成的內(nèi)含籠形空隙的類冰狀結(jié)晶化合物[1]。自然界中的水合物大多賦存于陸地永久凍土帶和海底沉積層中、形成水合物的氣體以甲烷為主，被稱為天然氣水合物或可燃冰[2-5]。天然氣水合物的含量和分布狀態(tài)顯著地影響儲層的物理特性，在實驗室內(nèi)開展水合物模擬實驗并準(zhǔn)確測試儲層物性參數(shù)，將為天然氣水合物的儲層識別和儲量估算提供不可或缺的模型參數(shù)[6]。國內(nèi)外開展水合物研究的單位先后研制并不斷升級各自的模擬實驗測試系統(tǒng)，系統(tǒng)逐漸向多功能、自動化、高精度方向發(fā)展。在測試功能方面，從傳統(tǒng)的單一參數(shù)測量到多參數(shù)測量，從宏觀到介觀甚至微觀直接觀測[7-9]。

電法和聲波測井是目前水合物儲層識別和定量評價的主要技術(shù)，最新研究也表明電阻率與聲波測井組合是識別天然氣水合物最有效的方法[10-12]。在實驗室內(nèi)全面準(zhǔn)確地獲取含水合物儲層的電學(xué)和聲學(xué)參數(shù)是開展電法和聲波測井?dāng)?shù)據(jù)解釋的首要任務(wù)?，F(xiàn)有的實驗測試系統(tǒng)尚存在兩個突出的問題：① 電學(xué)和聲學(xué)傳感器空間測量區(qū)域不一致導(dǎo)致兩者的測量數(shù)據(jù)不能嚴(yán)格對應(yīng)，僅適用于各向同性介質(zhì)；② 電學(xué)性質(zhì)局限于電阻率參數(shù)，不能全面刻畫被測介質(zhì)的全阻抗電學(xué)特性[13]。

以開展天然氣水合物模擬實驗測試為最終目標(biāo)，針對現(xiàn)有實驗測試系統(tǒng)所存在的上述突出問題，本文首先開發(fā)了電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了阻抗譜和超聲傳播參數(shù)的多參數(shù)聯(lián)合測量，然后將此系統(tǒng)應(yīng)用于水結(jié)冰-融冰動態(tài)演化過程的測試，通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和討論驗證了所開發(fā)電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)的可用性。

1 電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)功能的不同，可將電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)分為兩大部分：環(huán)境模擬部分和測試部分。環(huán)境模擬部分的功能是為所研究的動態(tài)過程提供合適的環(huán)境條件，如結(jié)冰所需的低溫、盛放被測介質(zhì)和支撐傳感器的容器等；測試部分的功能是獲取、傳輸和處理信號以得到能夠反映動態(tài)過程變化的信息，包括傳感器、信號采集模塊、測控軟件等。所開發(fā)的電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

環(huán)境模擬部分包括反應(yīng)釜和低溫箱。反應(yīng)釜為聚四氟乙烯材料制成的圓柱型筒體，內(nèi)高和橫截面內(nèi)徑均為11 cm。聚四氟乙烯材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，尤其能夠承受四氫呋喃(THF)的強腐蝕性。反應(yīng)釜側(cè)面和頂蓋各開有4個圓孔，開孔直徑分別為30 mm和6 mm，分別安裝電聲復(fù)合傳感器和溫度傳感器。低溫箱采用冰柜，最低溫度可達(dá)到-30°C。

測試部分包括電聲復(fù)合傳感器(圖1中傳感器陣列B)和溫度傳感器(圖1中傳感器陣列A)、信號切換模塊、傳感器激勵模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(板卡)和工控機，工控機上安裝有自行編制的測控軟件。

設(shè)計并加工了新型的電聲復(fù)合傳感器，如圖2所示，每個傳感器包括電測試單元和聲測試單元。傳感器外殼采用聚甲醛材料，電測試單元主要為厚度0.5 mm的不銹鋼電極片，聲測試單元主要為壓電陶瓷晶片，晶片通過厚度方向的振動產(chǎn)生縱波，其中心頻率約為110 kHz，各部分通過環(huán)氧樹脂牢固黏結(jié)。溫度傳感器采用A級熱電阻Pt100，配用三線制溫度變送器，準(zhǔn)確度為±0.2%FS±0.1 °C，量程為-20～100 °C，輸出為4～20 mA。

(a) 傳感器(b) 反應(yīng)釜(帶傳感器)

信號切換模塊用以實現(xiàn)電聲復(fù)合傳感器電測試單元、聲測試單元與激勵源、數(shù)據(jù)采集卡之間分時連通的功能，以達(dá)到對各個電聲復(fù)合傳感器及其電和聲測試單元進(jìn)行分時輪流激勵與采集的目的。該模塊包括一個兩槽LXI機箱(LXI-104)、一塊低壓PXI開關(guān)板卡(PXI-632)和一塊高壓PXI開關(guān)板卡(PXI-320)，兩塊板卡分別插入LXI機箱的兩個插槽中，機箱通過USB線纜與工控機連接，工控機通過測控軟件對板卡上多路開關(guān)的動作進(jìn)行控制。

傳感器激勵模塊主要指電聲復(fù)合傳感器的激勵源，具體包括低壓激勵源和高壓激勵源，分別用于對電測試單元和聲測試單元進(jìn)行激勵?；谧詣悠胶怆姌蚍▽Ρ粶y介質(zhì)的阻抗進(jìn)行測量，采用PCI-1721模擬量輸出板卡作為低壓激勵源，板卡插入工控機主板的PCI插槽，工控機通過測控軟件對其輸出信號的頻率和幅值進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生測量阻抗譜所需的低壓正弦掃頻信號。采用具有計算機遠(yuǎn)程控制功能的超聲脈沖發(fā)生接收器DPR300作為高壓激勵源，工控機通過控制軟件(JSR Control Pane1)對其輸出脈沖信號的幅值和能量進(jìn)行控制。

信號調(diào)理與采集模塊的功能為對溫度測量信號的轉(zhuǎn)換、對超聲接收信號的放大和濾波以及對阻抗測量信號的轉(zhuǎn)換，經(jīng)以上調(diào)理后的各路電壓信號由數(shù)據(jù)采集卡來采集。溫度變送器輸出的4～20 mA電流信號經(jīng)250 Ω精密電阻轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓信號；DPR300同時帶有高增益放大和濾波功能，通過對JSR Control Pane1的參數(shù)進(jìn)行配置實現(xiàn)對超聲接收電壓信號的放大和濾波；基于自動平衡電橋法所開發(fā)的阻抗測量電路輸出2路電壓信號[14]。4路溫度信號由數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713來采集，一路超聲接收信號和兩路阻抗測量信號由同步高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-1714來采集。兩塊數(shù)據(jù)采集卡均插入工控機主板的PCI插槽，工控機通過測控軟件對采集頻率、采樣點數(shù)等參數(shù)進(jìn)行配置。

測控軟件的功能為對測試系統(tǒng)硬件的控制和對所獲取數(shù)據(jù)的處理，包括基于LabVIEW自行編制的軟件和JSR Control Pane1。JSR Control Pane1實現(xiàn)對DPR300的脈沖發(fā)生器和接收器參數(shù)的配置；其余功能，如對PCI-1721、PXI-632、PXI-320、PCI-1713、PCI-1714等的控制以及對數(shù)據(jù)的預(yù)處理、顯示和保存等均由自主編制的LabVIEW軟件來實現(xiàn)[15-16]。

1.2 工作模式

針對電聲復(fù)合傳感器陣列設(shè)計了特殊的工作模式，從而在測控軟件的控制下能夠可靠地實現(xiàn)對電學(xué)和聲學(xué)參數(shù)的測試。為了避免電學(xué)和聲學(xué)參數(shù)測試過程之間的相互影響，通過軟件控制多路切換開關(guān)的動作以保證電和聲測試單元分時工作；為了對測量區(qū)域的各向異性進(jìn)行測試，傳感器陣列中各復(fù)合傳感器輪流工作；為了保證測試過程的穩(wěn)定性和降低隨機噪聲對測量數(shù)據(jù)的干擾，對每次工作的傳感器實施多次信號激勵和數(shù)據(jù)采集操作。

以下主要討論電聲復(fù)合傳感器的工作模式，如圖3所示。參照圖1和圖3，B1～B4分別代表4個電聲復(fù)合傳感器，B1-E和B1-U分別表示復(fù)合傳感器B1的電測試單元和聲測試單元，其他符號的含義依此類推。參照圖3所示的傳感器工作模式，對于每個測試點(即被測試動態(tài)過程的一個狀態(tài)點)設(shè)計了6個工作步驟，具體解釋如下：

(1) 分別將B1-E和B2-E、B1-E和B3-E、B1-E和B4-E作為電極對，測量各個電極對的阻抗譜，每對測量3次；

(2) 先后9次激勵B1-U使之發(fā)出超聲波，分別采集B2-U、B3-U和B4-U接收到的信號各3次；

(3)分別將B2-E和B3-E、B2-E和B4-E作為電極對，測量各個電極對的阻抗譜，每對測量3次；

(4) 先后6次激勵B2-U使之發(fā)出超聲波，分別采集B3-U和B4-U接收到的信號各3次；

(5) 將B3-E和B4-E作為電極對，3次測量該電極對的阻抗譜；

(6) 先后3次激勵B3-U使之發(fā)出超聲波，3次采集B4-U接收到的信號。

(a) 工作中的傳感器對

(b) 工作步驟

對于每個測試點均實施上述6個步驟，然后再更換測試點并重復(fù)以上步驟。對于每一個測試點，采用以上工作模式則先后共有12個傳感器對(電極對和超聲發(fā)射-接收對)工作，每對傳感器均連續(xù)工作3次，因此對于每一測試點可獲取36組電和聲測試數(shù)據(jù)。對于電學(xué)測試數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)為一個阻抗譜，即掃頻的工作方式使得每個阻抗譜包含多個測試頻率點的阻抗數(shù)據(jù)。

2 實驗方法

2.1 實驗步驟

水結(jié)冰-融冰動態(tài)過程測試的實驗分為3個步驟，即傳感器標(biāo)定、結(jié)冰與融冰過程測試以及實驗數(shù)據(jù)分析與討論。

標(biāo)定溫度傳感器時，利用恒溫水槽提供穩(wěn)定的環(huán)境溫度，分別將玻璃管水銀溫度計和Pt100熱電阻插入水槽中，在-20～40 °C范圍內(nèi)均勻取點并進(jìn)行上行程和下行程實驗，最后通過線性擬合確定標(biāo)定系數(shù)。標(biāo)定電聲復(fù)合傳感器的電測試單元時，將電阻與電容并聯(lián)或電阻與電感串聯(lián)作為被測對象，通過與網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061B的測量結(jié)果進(jìn)行對比來確定本系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。標(biāo)定聲測試單元時，分別將一對傳感器緊貼于不同長度的圓柱形聚甲醛棒的兩個端面，基于透射法測量超聲波傳播時間，利用時距曲線法標(biāo)定獲得超聲波收發(fā)系統(tǒng)的固有延時t0。

進(jìn)行水結(jié)冰實驗時，首先將自來水裝入反應(yīng)釜中，水面高度超過電聲復(fù)合傳感器上沿2 cm，蓋上反應(yīng)釜頂蓋，啟動測控軟件開始采集數(shù)據(jù)，然后將反應(yīng)釜放入冰柜中降溫，通過觀察溫度變化曲線、聲速、阻抗模值等參數(shù)確定是否開始結(jié)冰以及是否完全結(jié)冰；水完全結(jié)冰并等待溫度穩(wěn)定一段時間后即開始融冰實驗，首先開啟實驗室空調(diào)以保證室溫穩(wěn)定，然后將反應(yīng)釜從冰柜中取出置于室溫環(huán)境，通過觀察溫度曲線、聲速、阻抗模值等參數(shù)判斷反應(yīng)釜內(nèi)的冰是否融化。

通過實驗測試所保存的數(shù)據(jù)，包括溫度、阻抗譜、接收到的超聲信號波形以及相應(yīng)的特征參數(shù)。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，如算術(shù)平均值濾波、滑動平均濾波、FIR濾波等，然后利用阻抗譜計算阻抗模值和相角，利用超聲信號波形獲取聲速、峰值和主頻等特征參數(shù)，最后聯(lián)合分析溫度、阻抗和超聲傳播參數(shù)與結(jié)冰-融冰動態(tài)演化過程之間的對應(yīng)關(guān)系。

2.2 軟件配置

啟動測控軟件之后，需要根據(jù)實驗要求對其一系列參數(shù)進(jìn)行配置，所需配置的主要參數(shù)類別有：激勵源參數(shù)(PCI-1721、DPR300脈沖發(fā)生器)、信號調(diào)理和采集參數(shù)(DPR300接收器、PCI-1713、PCI-1714)、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)保存等。

對PCI-1721進(jìn)行參數(shù)配置，設(shè)置掃頻范圍為0.1～100 kHz，在掃頻范圍內(nèi)設(shè)置21個線性等間隔的頻率點，正弦電壓信號變化范圍為-1～1 V，即幅值為1 V。設(shè)置DPR300脈沖發(fā)生器發(fā)出高能量且幅值為580 V的高壓脈沖。

設(shè)置脈沖接收器的放大倍數(shù)為20 dB、低通濾波模式。配置PCI-1713為軟件觸發(fā)采集方式、差分輸入模式，利用8個通道采集四路溫度信號，輸入范圍為0～5 V，每分鐘對四路信號均采集10次，每路信號每次采樣100個點、采樣頻率為1 kS/s。配置PCI-1714的3個輸入通道，輸入范圍為-5～5 V，其中通道0和通道1為阻抗測量信號輸入，通道2為超聲接收信號輸入。按照前述的傳感器工作模式每隔8 min對以上3個通道進(jìn)行一次信號采集，阻抗信號采集采用軟件觸發(fā)方式、超聲接收信號采集采用外部觸發(fā)方式。DPR300發(fā)出高壓脈沖的同時發(fā)出一個同步信號并送至PCI-1714觸發(fā)端口，繼而觸發(fā)PCI-1714對超聲信號進(jìn)行采樣。阻抗測量信號的采樣頻率隨測試頻率的升高而升高，其變化范圍為1～10 MS/s，超聲接收信號的采樣頻率設(shè)定為10 MS/s。

實驗過程中需要通過測控軟件對采集的信號進(jìn)行實時預(yù)處理，主要包括濾波和特征參數(shù)計算，繼而通過波形圖或波形圖表以及數(shù)值方式進(jìn)行顯示，其主要目的在于使實驗人員能夠?qū)崟r監(jiān)視實驗進(jìn)程。第一步，對四路溫度信號、兩路阻抗測量信號和一路超聲接收信號進(jìn)行軟件濾波。對每次采樣的溫度信號進(jìn)行算術(shù)平均值濾波，對阻抗測量信號采用具有線性相位特性的FIR濾波器進(jìn)行帶通濾波，濾波器的截止頻率由軟件根據(jù)已知的測試頻率(PCI-1721輸出信號的頻率為已知)自動設(shè)定，超聲接收信號的前50個點(時間長度5 μs)進(jìn)行置零處理后采用FIR濾波器進(jìn)行帶通濾波。第二步，將經(jīng)上述濾波處理后的溫度信號進(jìn)行標(biāo)度變換轉(zhuǎn)換為溫度值后進(jìn)行顯示，采用FFT譜分析法對阻抗測量信號進(jìn)行處理得到阻抗模值和相角并進(jìn)行顯示，對超聲接收信號則采用FFT變換得到信號主頻、利用初達(dá)波法獲得聲速、利用波形波峰檢測算法獲得信號的峰值，繼而將這些特征參數(shù)進(jìn)行顯示。

數(shù)據(jù)保存的功能為把實驗數(shù)據(jù)實時保存到指定的目錄下，以供后續(xù)詳細(xì)分析與處理，實時保存的數(shù)據(jù)包括：原始測量信號(四路溫度信號、兩路阻抗測量信號和一路超聲接收信號)和經(jīng)上述預(yù)處理后獲得的特征參數(shù)(如阻抗模值、相角、聲速、超聲接收信號的主頻和峰值等)。開始保存數(shù)據(jù)之前需要完成對擬保存路徑、文件名以及格式的設(shè)置。

3 實驗結(jié)果分析與討論

3.1 超聲測試單元標(biāo)定

采用直徑為4.6 cm,長度分別為5.03、6.01、10.00、12.01、13.57和14.96 cm的聚甲醛棒，對3對電聲復(fù)合傳感器的聲測試單元進(jìn)行了標(biāo)定。

圖4所示為B2-U發(fā)射、B4-U接收得到的超聲信號波形(注：為了便于觀察和對比，逐條曲線沿縱軸向上偏移2 V)。通過對聚甲醛棒的長度與超聲波傳播時間進(jìn)行線性擬合，即可得到超聲波收發(fā)系統(tǒng)的固有延時t0。圖5所示為兩對電聲復(fù)合傳感器聲測試單元(B1-U和B4-U、B2-U和B4-U)的標(biāo)定結(jié)果(注：聚甲醛棒長度為14.96 cm時超聲接收信號幅值過小，因此圖5中未采用)，由擬合方程可以得到固有延時t0為3 μs。

圖4 B2-U發(fā)射B4-U接收到的超聲信號波形

圖5 B1-U和B4-U、B2-U和B4-U的標(biāo)定結(jié)果

3.2 結(jié)冰-融冰動態(tài)過程分析

首先根據(jù)溫度曲線特征判斷結(jié)冰和融冰過程的演化進(jìn)程，然后分析超聲傳播參數(shù)和阻抗變化與結(jié)冰-融冰動態(tài)過程之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖6為溫度T1～T4(參見圖1)隨時間變化的曲線。盡管T1～T4的測量位置不同，但是由于被測體系為均勻介質(zhì)且溫度的空間分布比較均勻，所以各條曲

圖6 結(jié)冰-融冰過程中溫度的變化

線幾乎重合，下文僅選取T4進(jìn)行分析。根據(jù)溫度變化特征將曲線劃分為Ta～Tg7個階段。Ta階段為水降溫但未開始結(jié)冰的過程；Tb和Tc階段為冰的成核、生長以及水逐漸全部結(jié)成冰的過程；Td階段中冰的溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度；Te階段中冰升溫但未分解；Tf階段為冰逐漸融化的過程；Tg階段為水自然升溫的過程。

圖7對照顯示了超聲波傳播速度和溫度(T4)隨時間變化的情況，根據(jù)聲速變化特征將聲速曲線劃分為Ua～Ue5個階段。

圖7 結(jié)冰-融冰過程中超聲波傳播速度的變化

參照圖7，在Ua階段(對應(yīng)Ta)聲速隨著水溫的下降而稍微下降；Ub階段(對應(yīng)Tb和Tc)聲速持續(xù)上升，在溫度幾乎不變的Tb階段由于釜內(nèi)含冰量較少則聲速較低，而在溫度逐漸下降的Tc階段由于水結(jié)冰逐漸增多導(dǎo)致聲速急劇上升；在Uc階段(對應(yīng)Td和Te)反應(yīng)釜內(nèi)全部為冰，所以聲速最高且比較穩(wěn)定；在Ud階段(對應(yīng)Tf)由于冰逐漸融化，聲速隨著融化過程的推進(jìn)而逐漸降低；在Ue階段(對應(yīng)Tg)水溫上升引起聲速稍微升高。

圖8(a)對照顯示了不同測試頻率下的阻抗模值和溫度(T4)隨時間變化的情況，根據(jù)阻抗模值的變化特征將曲線劃分為Ea～Ee5個階段，圖8(b)為分別從各個階段中選取的典型阻抗譜。

分析圖8(a)可知：Ea階段(對應(yīng)Ta)阻抗模值隨著溫度下降而稍微升高；Eb階段阻抗模值隨著結(jié)冰過程的推進(jìn)而升高，對于較低(0.1 kHz)和較高(100 kHz)的兩個測試頻率，阻抗模值均呈現(xiàn)出兩個上升子階段，頻率較低時第一子階段阻抗模值上升速率相對較高，而頻率較高時第二子階段阻抗模值上升速率相對較高；Ec階段反應(yīng)釜內(nèi)冰的量較大，因此阻抗模值保持在相對較高值；在Ed階段(對應(yīng)Tf)由于冰逐漸融化為水，阻抗模值隨著融化過程的推進(jìn)而降低，降低過程也分為兩個子階段，第一子階段的下降速率較高；Ee階段(對應(yīng)Tg)水溫上升引起阻抗模值稍微降低。

圖8(b)展示了阻抗模值隨測試頻率變化而變化的情況，每條阻抗譜曲線均有21個等間隔分布于0.1～100 kHz范圍內(nèi)的測試頻率點。由圖可見：在水未結(jié)成冰的條件下(Ea和Ee階段)，阻抗模值隨著頻率的升高而單調(diào)減小，在結(jié)冰(Eb階段)和融冰(Ed階段)過程中以及全部為冰(Ec階段)的條件下阻抗模值呈現(xiàn)出非單調(diào)性變化，當(dāng)測試頻率在70 kHz附近時其阻抗模值均出現(xiàn)極大值。

(a) 不同測試頻率下阻抗模值的變化

(b) 不同階段的典型阻抗譜

3.3 討 論

上文利用溫度、聲速和阻抗模值3個參數(shù)對結(jié)冰-融冰動態(tài)演化過程進(jìn)行了分析，由于熱、聲和電三類特征參數(shù)的測量原理迥異，所以通過這三類參數(shù)能夠從不同的角度對結(jié)冰-融冰過程進(jìn)行描述，所獲得的信息也能夠相互佐證和補充。

隨著結(jié)冰-融冰過程的推進(jìn)，溫度、聲速和阻抗模值隨時間變化的曲線均出現(xiàn)了能夠反映其中物理過程或物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的特征，根據(jù)曲線特征可以將其劃分為幾個階段，這些階段與結(jié)冰-融冰過程相契合。值得注意的是，根據(jù)三者的曲線特征所劃分的階段以及各階段所對應(yīng)的物理過程并不完全對應(yīng)，根本原因在于這三類參數(shù)的測量原理不同，其所刻畫的物理過程理應(yīng)有所差異。

溫度和聲速的變化均能夠指示結(jié)冰-融冰過程和水-冰狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，但是，由于冰中的聲速高于水中聲速的2倍，聲速對水-冰狀態(tài)的變化更加敏感，因此在水逐漸結(jié)為冰或者冰逐漸融化為水的過程中，聲速產(chǎn)生連續(xù)的變化，通過聲速則可以刻畫冰或水的量并且判斷水是否完全結(jié)為冰，這些信息從溫度曲線難以準(zhǔn)確獲得。有所不同的是，由于冰的電阻率遠(yuǎn)高于自來水，所以阻抗模值對冰的存在極其敏感，少量冰的存在即可引起阻抗模值急劇增大，因此可以通過阻抗模值的變化來判斷是否開始結(jié)冰或冰是否完全融化。與單一的電阻率參數(shù)相比，通過測試一定頻率范圍內(nèi)的阻抗譜能夠獲得較多的電學(xué)參數(shù)，如阻抗模值、相角、實部、虛部等，此外通過比較分析還可以獲得對被測體系相對更加敏感的測試頻率(如圖8中的70 kHz)，這將為深入研究所測試的物理過程提供更多的電學(xué)信息。

考慮到水結(jié)冰-融冰與四氫呋喃水合物以及甲烷水合物合成-分解過程的相似性以及冰與水合物在電聲等物理特性方面的相似性[13,17-20]，通過對本實驗測試系統(tǒng)中傳感器的耐腐蝕性、反應(yīng)釜的承壓性等方面進(jìn)行改良，則可將其用于四氫呋喃水合物以及甲烷水合物的模擬實驗測試。

4 結(jié) 語

為了在實驗室內(nèi)開展天然氣水合物模擬實驗測試，全面而準(zhǔn)確地獲取水合物以及含水合物多孔介質(zhì)的電學(xué)和聲學(xué)特性參數(shù)，針對現(xiàn)有實驗測試系統(tǒng)所存在的突出問題，首先開發(fā)了電聲聯(lián)合探測實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了阻抗譜和超聲傳播參數(shù)的多參數(shù)聯(lián)合測量，然后將此系統(tǒng)應(yīng)用于水結(jié)冰-融冰動態(tài)演化過程的測試，進(jìn)而驗證了所開發(fā)系統(tǒng)的可用性。

通過對結(jié)冰-融冰實驗過程中溫度、聲速和阻抗模值3個參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析和討論，得到以下兩點認(rèn)識：① 熱、聲和電三類物理參數(shù)能夠從不同的角度對結(jié)冰-融冰過程進(jìn)行描述，測量原理的迥異使得溫度、聲速和阻抗模值分別刻畫了不同的物理過程，根據(jù)這些參數(shù)隨時間變化曲線的特征所劃分的階段不完全對應(yīng)；② 溫度和聲速的變化均能夠指示結(jié)冰-融冰過程和水-冰狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，通過聲速可以刻畫冰或水的量并且判斷水是否完全結(jié)冰，通過阻抗模值能夠判斷水是否開始結(jié)冰或冰是否完全融化，測試得到的阻抗譜能夠提供更加全面的電學(xué)信息。

水結(jié)冰-融冰物理過程與四氫呋喃水合物以及甲烷水合物合成-分解過程類似，此外冰與水合物在電聲等物理特性方面相似，通過對本系統(tǒng)進(jìn)行改良升級(如提高耐腐蝕和承壓性能)即可將其應(yīng)用于四氫呋喃水合物以及甲烷水合物的模擬實驗測試。

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