王方旗周興華林旭波陶常飛崔 力丁繼勝梁冠輝董立峰

(1.自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061;2.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島266590)

淺地層剖面儀是基于聲學(xué)原理研發(fā)的用于連續(xù)探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理探測(cè)儀器。20世紀(jì)40年代國(guó)外首次推出了最原始的淺地層剖面儀,20世紀(jì)六七十年代出現(xiàn)了商品設(shè)備,但由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)的限制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜信號(hào)的處理、高分辨率的地層探測(cè)和實(shí)時(shí)成像成圖[1]。20世紀(jì)末,電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展、數(shù)字信號(hào)處理、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和電子自動(dòng)成圖等新技術(shù)促進(jìn)了新型高分辨率淺地層剖面儀的問(wèn)世,并得到了廣泛應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后,出現(xiàn)了3D Chirp淺地層剖面儀,實(shí)現(xiàn)了海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維圖像的探測(cè)[2-3]。在我國(guó)利用淺地層剖面儀的起步雖然相對(duì)較晚,但在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初,其已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海洋工程地質(zhì)勘察、海洋災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、海底管線路由勘察和海洋地質(zhì)科學(xué)研究等領(lǐng)域。

目前,淺地層剖面探測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但由于缺乏儀器設(shè)備檢測(cè)與校準(zhǔn)的方法體系和規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),無(wú)法對(duì)其進(jìn)行規(guī)范有效的檢測(cè),而只能采取自校和比測(cè)的方法來(lái)評(píng)價(jià)其性能狀態(tài),且無(wú)統(tǒng)一規(guī)范,缺少基本的儀器運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)程序,致使獲取的數(shù)據(jù)資料精度不高,從而影響探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[4]。因此,急需研究淺地層剖面儀檢測(cè)與校準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)和方法,建立科學(xué)的評(píng)價(jià)體系,以保證儀器設(shè)備的有效性、穩(wěn)定性和可靠性。淺地層剖面儀的性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)可采用“兩步法”進(jìn)行:第一步為聲學(xué)物理參數(shù)測(cè)量,獲取與儀器探測(cè)性能有關(guān)的關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)實(shí)際值,如聲源級(jí)、聲波頻率、脈沖長(zhǎng)度及波束角等;第二步為實(shí)際探測(cè)性能評(píng)價(jià),通過(guò)海上試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)儀器的實(shí)際探測(cè)性能指標(biāo),如信噪比、信混比、垂直分辨力及穿透深度等[4-5]。本文以SES-2000 Standard參量陣型淺地層剖面儀(以下簡(jiǎn)稱“SES-2000 SBP”)為例研究了在消聲水池中聲學(xué)物理參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法,包括檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)建、聲學(xué)參數(shù)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理以及測(cè)量結(jié)果分析,初步形成了一套完整的淺地層剖面儀關(guān)鍵聲學(xué)參數(shù)檢測(cè)與評(píng)價(jià)的解決方案,可為后期實(shí)現(xiàn)淺地層剖面儀的強(qiáng)制性檢定提供方法指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 檢測(cè)與評(píng)價(jià)流程

淺地層剖面儀聲學(xué)參數(shù)檢測(cè)與評(píng)價(jià)流程主要包括4部分:檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)建、聲學(xué)參數(shù)測(cè)量實(shí)施、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和分析及聲學(xué)參數(shù)的符合性分析(圖1)。本文以常用的SES-2000 SBP的聲學(xué)參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)為例對(duì)各部分內(nèi)容進(jìn)行闡述,試驗(yàn)中采用了脈沖聲技術(shù)的測(cè)量方法,可將由邊界造成的聲反射對(duì)聲場(chǎng)的影響通過(guò)時(shí)域?yàn)V波消除從而獲得自由場(chǎng)條件[6]。

圖1 聲學(xué)參數(shù)檢測(cè)與評(píng)價(jià)流程Fig.1 Flow chart for measuring and evaluating acoustic parameters

2 檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)建

檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)建是淺地層剖面儀聲學(xué)參數(shù)測(cè)量中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的步驟,需遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的規(guī)定[4]。檢測(cè)平臺(tái)主要由消聲水池、精密回旋裝置、水聽(tīng)器升降裝置、回旋控制設(shè)備和測(cè)量記錄設(shè)備五部分組成(圖2)。

圖2 聲學(xué)參數(shù)檢測(cè)平臺(tái)Fig.2 Schematic diagram of platform for testing acoustic parameters

消聲水池的環(huán)境條件、大小、水深和消聲材料的性能等均需滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和實(shí)際測(cè)量的要求,對(duì)測(cè)量有影響的環(huán)境條件應(yīng)加以說(shuō)明,應(yīng)使溫度、靜水壓、電接地、頻率和聲負(fù)載等環(huán)境條件保持恒定[7]。水池的大小和水深主要取決于聲波的頻段、聲基陣的最大線度以及消聲材料的性能;被檢換能器與檢測(cè)水聽(tīng)器間的距離需滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。

本次試驗(yàn)中,消聲水池長(zhǎng)L=40 m,寬W=10.8 m,水深h0=8.0 m,測(cè)量時(shí)換能器吃水深度h=3.5 m,被檢換能器與檢測(cè)水聽(tīng)器水平距離r=7.5 m,水聽(tīng)器距離池壁d=0.9 m;根據(jù)水池的尺寸可判斷本次試驗(yàn)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,同時(shí)采用脈沖聲技術(shù)可以獲得自由場(chǎng)條件,因此適用于本次淺地層剖面儀的聲學(xué)參數(shù)測(cè)量。消聲材料應(yīng)盡量滿足吸聲系數(shù)和吸聲頻段的要求,必要時(shí)池底、水面和吊裝架等也應(yīng)敷設(shè)消聲材料,最大限度地消除干擾源。精密回旋裝置用于調(diào)整被檢換能器的聲軸,使其對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)換能器,能實(shí)現(xiàn)高精度的小角度等角旋轉(zhuǎn)。水聽(tīng)器升降裝置用于調(diào)整水聽(tīng)器的垂直高度?；匦刂圃O(shè)備通過(guò)控制回旋裝置的旋轉(zhuǎn)達(dá)到調(diào)整被檢換能器聲軸方向的目的,測(cè)量記錄設(shè)備用于控制聲信號(hào)測(cè)量,調(diào)節(jié)采集參數(shù)并記錄測(cè)量結(jié)果[4]。

3 聲學(xué)參數(shù)測(cè)量

淺地層剖面儀的探測(cè)性能主要是指其穿透沉積層厚度的能力和垂直分辨力,其聲學(xué)物理參數(shù)是支撐系統(tǒng)能達(dá)到其設(shè)計(jì)探測(cè)性能的基本數(shù)據(jù),主要包括:聲源級(jí)、頻率和脈沖長(zhǎng)度。聲源級(jí)反映的是聲源發(fā)射的聲信號(hào)能量的大小,主要影響儀器的穿透能力,聲源級(jí)越大,穿透能力越強(qiáng);淺地層剖面儀發(fā)出的聲信號(hào)具有一定寬度的頻帶,通常用其中心頻率表示,一般來(lái)說(shuō),頻率越低,穿透能力越強(qiáng),但是頻率較低往往會(huì)導(dǎo)致較低的垂直分辨力[8];輻射聲信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度越長(zhǎng),穿透能力越強(qiáng),垂直分辨力越低[9-10]。

聲源級(jí)需在儀器輸出能量設(shè)置為最大時(shí)進(jìn)行測(cè)量,關(guān)鍵是要確定待檢換能器的聲軸中心(等效聲中心)并使之與檢測(cè)水聽(tīng)器的中心對(duì)準(zhǔn)。如圖2所示,首先通過(guò)精密回旋裝置將待檢換能器大致的聲軸方向?qū)?zhǔn)檢測(cè)水聽(tīng)器,通過(guò)升降裝置按由低往高調(diào)整水聽(tīng)器的高度并逐一進(jìn)行測(cè)量,接收聲壓最大時(shí)即為待檢換能器聲軸的高度;然后將水聽(tīng)器固定在待檢換能器聲軸高度的位置,通過(guò)精密回旋裝置控制待檢換能器按照小角度等角旋轉(zhuǎn)并逐一進(jìn)行測(cè)量,接收聲壓最大時(shí)即可認(rèn)為待檢換能器的聲軸中心與檢測(cè)水聽(tīng)器的中心是對(duì)準(zhǔn)的,此時(shí)調(diào)整淺地層剖面儀的參數(shù)設(shè)置并進(jìn)行多次測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲源級(jí)、頻率和脈沖長(zhǎng)度的計(jì)算。

試驗(yàn)采用SES-2000 SBP為參量陣式,其主頻(一次頻率)約為100 k Hz,用于測(cè)量水深;差頻(二次頻率)分為7檔,范圍為4～15 k Hz,用于探測(cè)淺地層。測(cè)量時(shí)可以通過(guò)采集軟件進(jìn)行控制的主要參數(shù):差頻頻率、脈沖長(zhǎng)度、波束角方向、發(fā)射頻率和記錄量程等。其中差頻頻率為用戶可選4,5,6,8,10,12和15 k Hz,每個(gè)頻率選擇對(duì)應(yīng)2～5檔(67～500 μs)可選的脈沖長(zhǎng)度設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)聲源級(jí)、頻率和脈沖長(zhǎng)度的測(cè)量,本次試驗(yàn)時(shí)對(duì)SES-2000 SBP的7檔差頻頻率和對(duì)應(yīng)的脈沖長(zhǎng)度設(shè)置均進(jìn)行了測(cè)量,限于篇幅,文中僅以代表性的其中4檔的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示(表1)。

表1 SES-2000 SBP發(fā)射參數(shù)設(shè)置Table 1 Controlling parameter settings for SES-2000 SBP

4 數(shù)據(jù)處理分析

在測(cè)量過(guò)程中,由于受到外界條件、測(cè)量因素及儀器因素等的影響,采集的聲脈沖信號(hào)會(huì)存在各種各樣的干擾,統(tǒng)稱為“噪聲”。試驗(yàn)中的噪聲主要有環(huán)境噪聲、隨機(jī)噪聲、電噪聲及來(lái)自消聲水池壁、底和水面的反射噪聲等。實(shí)際測(cè)試時(shí),可將環(huán)境噪聲、隨機(jī)噪聲和電噪聲同時(shí)進(jìn)行評(píng)測(cè),即在待檢換能器不發(fā)射信號(hào)的狀態(tài)下水聽(tīng)器接收信號(hào),通過(guò)處理和分析接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲評(píng)價(jià)[4],噪聲水平應(yīng)不大于1.0 dB。池壁、底和水面的反射噪聲與直達(dá)聲脈沖在聲程上有明顯差別,可采用時(shí)域?yàn)V波法進(jìn)行有效去除。

4.1 同步疊加平均

同步疊加平均是一種理論相對(duì)簡(jiǎn)單的信號(hào)處理方法,周期性或可重復(fù)性信號(hào)經(jīng)過(guò)多次取樣疊加后,其信噪比有所提高,疊加次數(shù)越多,信噪比改善越好。如果疊加平均次數(shù)足夠高,甚至可以從強(qiáng)噪聲的背景中提取極其微弱的信號(hào)[11]。在其他外界條件保持一致的情況下,當(dāng)換能器發(fā)射參數(shù)和水聽(tīng)器采集參數(shù)不變時(shí)通過(guò)重復(fù)發(fā)射和接收操作而獲取的信號(hào)可以看作是同步重復(fù)性信號(hào),為消除外界噪聲和偶然性噪聲的干擾,提高信噪比,可采用同步疊加平均方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。在本次聲學(xué)參數(shù)測(cè)量時(shí),對(duì)于試驗(yàn)的每一種參數(shù)組合設(shè)置都進(jìn)行了10次重復(fù)測(cè)量,數(shù)據(jù)處理時(shí)首先采用同步疊加平均法進(jìn)行處理,獲得每一種參數(shù)組合下的高信噪比聲脈沖信號(hào),然后進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波和頻域?yàn)V波處理。

4.2 時(shí)域?yàn)V波處理

聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的關(guān)鍵是要獲取純凈的待檢換能器輻射到檢測(cè)水聽(tīng)器的直達(dá)波信號(hào)。采用脈沖聲技術(shù)的測(cè)量方法非常適合在有限尺寸的消聲水池中進(jìn)行試驗(yàn),可將邊界造成的聲反射對(duì)聲場(chǎng)的影響從時(shí)間上分離開(kāi)來(lái)而獲得自由場(chǎng)條件,也就是時(shí)域?yàn)V波。

圖3a為發(fā)射頻率為12 k Hz,脈沖長(zhǎng)度為417μs時(shí)采集到的聲脈沖信號(hào),可以明顯觀察到存在3個(gè)脈沖信號(hào),顯然最強(qiáng)的信號(hào)S1是我們所需要的直達(dá)波信號(hào)。由圖3中可知:信號(hào)S2與S1之間的走時(shí)差為1.226 ms,信號(hào)S3與S1之間的走時(shí)差為1.801 ms。假設(shè)測(cè)量時(shí)水的聲速為1500 m·s-1(此數(shù)值在試驗(yàn)時(shí)未能進(jìn)行實(shí)測(cè)),則S2與S1之間的聲程差為1.84 m,S3與S1之間的聲程差為2.70 m。通過(guò)對(duì)比圖2的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)可以確定:S2是來(lái)自于水池壁的反射信號(hào),S3則是來(lái)自于水面的反射信號(hào)。由于來(lái)自于池底的反射信號(hào)與直達(dá)信號(hào)之間的聲程差更大,因此未包含在采集的數(shù)據(jù)里。確定3個(gè)脈沖信號(hào)的來(lái)源后,可采用時(shí)域?yàn)V波處理獲得相對(duì)純凈的直達(dá)波信號(hào)(圖3b)。

圖3 時(shí)域?yàn)V波Fig.3 Time domain filtering

4.3 頻域?yàn)V波處理

圖4 頻域?yàn)V波Fig.4 Frequency domain filtering

SES-2000 SBP發(fā)射的聲波信號(hào)里至少包含3個(gè)有效的頻率成分(2個(gè)主頻和1個(gè)差頻),而這些頻率都需要通過(guò)消聲水池中的測(cè)量分別進(jìn)行檢測(cè)和分析;同時(shí),采集到的信號(hào)中還包含了其他干擾信號(hào),因此需采用頻域?yàn)V波處理方法去除干擾以獲得只包含一種有效頻率成分的純凈信號(hào)。圖4a是經(jīng)過(guò)時(shí)域?yàn)V波處理后得到的發(fā)射頻率為12 k Hz,脈沖長(zhǎng)度為417μs時(shí)的直達(dá)波信號(hào);圖4b是其頻譜,可見(jiàn)信號(hào)中包含多種頻率成分。其中頻率在100 k Hz附近的是主頻信號(hào),振幅最大;頻率在12 k Hz附近的是差頻信號(hào),振幅次之;頻率分別為200,300,400,500和600 k Hz附近的是主頻的倍頻信號(hào),幅值逐漸變小。對(duì)淺地層剖面儀來(lái)說(shuō),主頻信號(hào)和差頻信號(hào)是有效信號(hào),需采用頻域?yàn)V波分別進(jìn)行分離和提取,而倍頻信號(hào)則是干擾信號(hào),需去除。

頻域?yàn)V波時(shí)的中心頻率應(yīng)使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的推薦值[12],并采用倍頻程帶通濾波器。圖4c是直達(dá)波信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通8.8～17.7 k Hz濾波后得到的低頻率的差頻信號(hào),圖4d是其頻譜,峰值分析后得到振幅最大處對(duì)應(yīng)的頻率值為12.5116 k Hz,這個(gè)頻率即SES-2000 SBP的標(biāo)稱頻率之一(12 k Hz)。圖4e是直達(dá)波信號(hào)經(jīng)過(guò)帶通71～142 k Hz濾波后得到的高頻率的主頻信號(hào),圖4f是其頻譜,峰值分析后得到振幅最大處的2個(gè)主頻分別為96.1939和108.4091 k Hz。

4.4 聲學(xué)參數(shù)計(jì)算

4.4.1 聲源級(jí)

聲源級(jí)是描述聲吶發(fā)射的聲信號(hào)強(qiáng)弱的物理量,根據(jù)其定義:在發(fā)射器輻射聲場(chǎng)中,離開(kāi)聲源等效聲中心單位距離(r0=1 m)處的聲壓級(jí)或聲強(qiáng)級(jí)[13-14],聲源級(jí)的計(jì)算公式為

式中:eoc為測(cè)量水聽(tīng)器的輸出開(kāi)路電壓(V);M為測(cè)量水聽(tīng)器的自由場(chǎng)接收靈敏度(V/Pa);pref為參考基準(zhǔn)聲壓值,pref=1μPa;r為測(cè)量水聽(tīng)器到聲源等效聲中心的直線距離(m)。

試驗(yàn)中,采用水聽(tīng)器Reson TC-4014作為測(cè)量水聽(tīng)器,將其洗凈后放入水池中并達(dá)到溫度、靜壓力平衡后,通過(guò)升降裝置調(diào)整其高度使其處于待檢換能器的聲軸方向上進(jìn)行測(cè)量。由于本次試驗(yàn)中SES-2000 SBP的輻射聲信號(hào)中包含多種有效頻率成分,而對(duì)于不同的頻率,測(cè)量水聽(tīng)器對(duì)應(yīng)不同的接收靈敏度和測(cè)量開(kāi)路電壓,因此應(yīng)根據(jù)信號(hào)頻率分別計(jì)算聲源級(jí)。通過(guò)頻域?yàn)V波處理后,分別計(jì)算了總信號(hào)聲源級(jí)、主頻信號(hào)聲源級(jí)和差頻信號(hào)聲源級(jí),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SES-2000 SBP聲學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of acoustic parameters of SES-2000 SBP

4.4.2 頻率

采用數(shù)字示波器對(duì)時(shí)域?yàn)V波后的穩(wěn)態(tài)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析即可求得其實(shí)際頻率,但對(duì)于參量陣淺地層剖面儀來(lái)說(shuō),其頻率成分較復(fù)雜,建議采用頻域?yàn)V波處理后采用頻率分析分別求取其2個(gè)主頻和1個(gè)差頻的實(shí)際頻率值(圖4d和圖4f)。本次試驗(yàn)不同淺地層剖面儀發(fā)射參數(shù)設(shè)置下測(cè)得的頻率值見(jiàn)表2。

4.4.3 脈沖長(zhǎng)度

脈沖聲信號(hào)一般可分為輸入暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)和余尾暫態(tài)三個(gè)階段[15],根據(jù)時(shí)域?yàn)V波后的穩(wěn)態(tài)部分?jǐn)?shù)據(jù)可直接讀取脈沖長(zhǎng)度,但前提是要能準(zhǔn)確判斷信號(hào)穩(wěn)態(tài)部分的范圍。如圖5所示,SES-2000 SBP的聲脈沖信號(hào)從輸入暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間很短,從穩(wěn)態(tài)到余尾暫態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。為了計(jì)算時(shí)采用統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn),可采用振幅檢測(cè)法對(duì)信號(hào)的穩(wěn)態(tài)部分進(jìn)行界定:從輸入端開(kāi)始,當(dāng)振幅A′達(dá)到信號(hào)最大振幅Am的n%(n=10,50或90)時(shí)確定為穩(wěn)態(tài)部分的起點(diǎn);從輸出端開(kāi)始,當(dāng)振幅A′達(dá)到信號(hào)最大振幅Am的n%時(shí)確定為穩(wěn)態(tài)部分的終點(diǎn),則穩(wěn)態(tài)部分的時(shí)間長(zhǎng)度即為脈沖長(zhǎng)度。由本試驗(yàn)結(jié)果可知,n為50時(shí)確定的脈沖長(zhǎng)度是合理的。由圖5可知,按照50%界定標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)態(tài)信號(hào)的起點(diǎn)為1.9995 ms,終點(diǎn)為2.3930 ms,脈沖長(zhǎng)度為0.3935 ms。本試驗(yàn)不同發(fā)射參數(shù)設(shè)置下測(cè)得的脈沖長(zhǎng)度見(jiàn)表2。

圖5 脈沖信號(hào)穩(wěn)態(tài)部分的界定Fig.5 Definition of steady-state part of acoustic pulse

5 符合性分析

本試驗(yàn)所用的SES-2000 SBP操作手冊(cè)對(duì)聲源級(jí)籠統(tǒng)地描述為“大于239 dB”,但并未具體指明是主頻信號(hào)還是差頻信號(hào),本文在分析時(shí)只將其用標(biāo)稱聲源級(jí)進(jìn)行表述。從表2和圖6各種設(shè)置下的試驗(yàn)結(jié)果可知,總信號(hào)聲源級(jí)和主頻信號(hào)聲源級(jí)都較穩(wěn)定,隨發(fā)射參數(shù)的調(diào)節(jié)變化不大,主頻信號(hào)聲源級(jí)最大,約為223 d B,但比標(biāo)稱聲源級(jí)低約16 d B;總信號(hào)聲源級(jí)次之,與主頻信號(hào)聲源級(jí)相差不大,約為221 dB;差頻信號(hào)聲源級(jí)最小,約為200 dB,單周期(cycle)信號(hào)的聲源級(jí)比同組多周期信號(hào)的明顯偏低。

SES-2000 SBP操作手冊(cè)對(duì)主頻頻率籠統(tǒng)地描述為“大約100 k Hz”,在分析時(shí)將其用主頻頻率標(biāo)稱值來(lái)表述,但實(shí)際上其主頻應(yīng)該有2個(gè)大小相近的約為100 k Hz的頻率,并以此形成差頻。但從表2各種情況的試驗(yàn)結(jié)果可知,多周期信號(hào)的主頻都符合預(yù)期,檢測(cè)到2個(gè)頻率,而單周期信號(hào)的主頻卻只檢測(cè)到1個(gè),原因未知。如圖7所示,試驗(yàn)所得的主頻頻率為95～110 k Hz,對(duì)應(yīng)的2個(gè)主頻分別在100 k Hz的兩邊,兩者的差值與對(duì)應(yīng)差頻頻率不能準(zhǔn)確吻合,但相差不大。操作手冊(cè)對(duì)差頻頻率的描述為“4,5,6,8,10,12和15 k Hz,用戶可調(diào)”,本次試驗(yàn)以其中的4個(gè)頻率(4,8,12和15 k Hz)為例進(jìn)行說(shuō)明。從表2和圖8各種情況的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,各信號(hào)的差頻頻率與對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱值并不一致,但較接近;此外,值得注意的是,單周期信號(hào)也存在異常,比同頻率多周期信號(hào)的差頻頻率明顯偏低。

試驗(yàn)中SES-2000 SBP各種情況的信號(hào)脈沖長(zhǎng)度標(biāo)稱值見(jiàn)表1,每種頻率下脈沖長(zhǎng)度根據(jù)所選信號(hào)的周期數(shù)與單周期信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系。由表2和圖9的試驗(yàn)結(jié)果可知,在統(tǒng)一的信號(hào)穩(wěn)態(tài)判斷標(biāo)準(zhǔn)(50%)下,各信號(hào)的實(shí)測(cè)脈沖長(zhǎng)度與標(biāo)稱值基本相符,偏差不大。4 k Hz的2種信號(hào)脈沖長(zhǎng)度比標(biāo)稱值的偏差相對(duì)稍大,分別偏小23.5和33.5μs;8 k Hz的4種信號(hào)和15 k Hz的5種信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度與標(biāo)稱值偏差微小;12 k Hz的5種信號(hào)的脈沖長(zhǎng)度比標(biāo)稱值分別偏小2.5,11.5,12.5,21.5和23.5μs。

圖6 實(shí)測(cè)聲源級(jí)與標(biāo)稱值的比較Fig.6 Comparison of measured sound source levels with nominal values

圖7 主頻信號(hào)的實(shí)測(cè)頻率與標(biāo)稱值的比較Fig.7 Comparison of measured primary frequencies with nominal values

圖8 差頻信號(hào)的實(shí)測(cè)頻率與標(biāo)稱值的比較Fig.8 Comparison of measured secondary frequencies with nominal values

圖9 實(shí)測(cè)脈沖長(zhǎng)度與標(biāo)稱值的比較Fig.9 Comparison of measured pulse lengths with nominal values

通過(guò)對(duì)比分析聲源級(jí)、頻率和脈沖長(zhǎng)度三個(gè)聲學(xué)參數(shù)的實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱值發(fā)現(xiàn),SES-2000 SBP操作手冊(cè)中只有脈沖長(zhǎng)度給出的標(biāo)稱值是準(zhǔn)確的數(shù)值,而且應(yīng)該是理論值,而聲源級(jí)和頻率僅為參考性的數(shù)值,尤其是頻率,手冊(cè)給出的只是大致的整數(shù)值,與實(shí)測(cè)值并不相符。因此,在實(shí)施淺地層剖面儀的檢測(cè)與校準(zhǔn)工作時(shí),應(yīng)對(duì)新購(gòu)的儀器進(jìn)行檢測(cè)以獲取其初始的技術(shù)性能參數(shù)作為本底值。

6 結(jié) 語(yǔ)

科學(xué)有效的聲學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量方案是實(shí)現(xiàn)淺地層剖面儀檢測(cè)與校準(zhǔn)的第一步。本文以SES-2000 SBP為例,針對(duì)聲源級(jí)、頻率和脈沖長(zhǎng)度三個(gè)聲學(xué)參數(shù),詳細(xì)地論述了淺地層剖面儀聲學(xué)參數(shù)檢測(cè)與評(píng)價(jià)的完整解決方案。此方案包括:由消聲水池、精密回旋裝置、水聽(tīng)器升降裝置、回旋控制設(shè)備和測(cè)量記錄設(shè)備組成的檢測(cè)平臺(tái)構(gòu)建;聲學(xué)參數(shù)測(cè)量的流程設(shè)計(jì)和操作要點(diǎn);測(cè)量數(shù)據(jù)的濾波處理和參數(shù)計(jì)算方法;測(cè)量結(jié)果的符合性評(píng)價(jià)四部分內(nèi)容,可為開(kāi)展此類儀器設(shè)備的強(qiáng)制性檢定的標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施提供技術(shù)性指導(dǎo)和借鑒。

本研究發(fā)現(xiàn)SES-2000 SBP儀器操作手冊(cè)給出的聲學(xué)性能參數(shù)并不是準(zhǔn)確的數(shù)值,而只是參考值。換能器發(fā)射的信號(hào)同時(shí)包含主頻信號(hào)和差頻信號(hào),可分別計(jì)算總信號(hào)聲源級(jí)、主頻信號(hào)聲源級(jí)和差頻信號(hào)聲源級(jí),本次試驗(yàn)測(cè)得的3種信號(hào)的聲源級(jí)都比標(biāo)稱值明顯偏小。輻射信號(hào)中應(yīng)包含2個(gè)主頻和1個(gè)差頻,意外的是單周期信號(hào)的主頻卻只檢測(cè)到1個(gè),且實(shí)測(cè)值為95～110 k Hz,與標(biāo)稱值100 k Hz不相符;實(shí)測(cè)的差頻頻率與對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱值也不一致,但較接近。操作手冊(cè)給出的脈沖長(zhǎng)度標(biāo)稱值應(yīng)是理論值,各信號(hào)的實(shí)測(cè)脈沖長(zhǎng)度與標(biāo)稱值基本相符,偏差不大?？偠灾?試驗(yàn)所用的SES-2000 SBP的聲源級(jí)、頻率和脈沖長(zhǎng)度的標(biāo)稱值都不是準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)值,可能僅為參考值或理論值,對(duì)于其他類型的儀器可能也是如此。因此,在實(shí)施淺地層剖面儀的檢測(cè)與校準(zhǔn)工作時(shí),對(duì)新購(gòu)儀器進(jìn)行強(qiáng)制性的首檢以獲取其技術(shù)性能參數(shù)的初始值尤為重要。