李躍金，鄒大鵬，楊華勇，崔小明，吳 磊，李趕先

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458；3.中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣東 廣州 510301）

海底沉積物聲學(xué)特性的研究受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1-2]，直接獲得海底沉積物聲學(xué)特性的方法主要有實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)測(cè)量法和原位聲學(xué)測(cè)量法[3-4]，兩種方法都是應(yīng)用各種聲學(xué)測(cè)量?jī)x器或者裝置觀測(cè)聲波在海底沉積物中的傳播速度和能量衰減特性。其中，原位聲學(xué)測(cè)量可以得到擾動(dòng)性較少的海底沉積物聲學(xué)特性[5-6]，但儀器設(shè)備復(fù)雜，成本較高。實(shí)驗(yàn)室聲學(xué)測(cè)量相比原位測(cè)量可控性強(qiáng)，設(shè)備簡(jiǎn)易，易于操作。

當(dāng)前應(yīng)用于海底沉積物原位聲學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)：國(guó)外有沉積物聲學(xué)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)（ISSAMS）[7]、聲學(xué)長(zhǎng)矛（Acoustic Lance）[8]、底質(zhì)取樣同步聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（ACS）[9]、沉積物聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（SAMS）[10]和新型無(wú)繩被動(dòng)聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)（TOSIT）[11]；國(guó)內(nèi)有多頻海底聲學(xué)原位測(cè)試系統(tǒng)（MFISGAMS）[12]、海底沉積物聲學(xué)性質(zhì)原位測(cè)量系統(tǒng)（DISAMS）[13]、基于液壓驅(qū)動(dòng)壓入的海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)（HSISAMS）[14]、便攜式海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)[15]、海底原位聲學(xué)測(cè)量同步采樣器[16]和壓載式海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量系統(tǒng)（BISAMS）[17]等。由于海底沉積物聲學(xué)原位測(cè)量以測(cè)量站位為主，難以研究海底沉積物溫度、深度、鹽度等因素變化對(duì)海底沉積物聲學(xué)特性測(cè)量結(jié)果的影響，因此，在實(shí)驗(yàn)室建立海底沉積物聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)模擬原位聲學(xué)特性測(cè)量過(guò)程中影響因素的變化，從而系統(tǒng)性、針對(duì)性研究海底沉積物組成類(lèi)型和環(huán)境狀態(tài)對(duì)其聲學(xué)特性測(cè)量的影響。

本研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種海底原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置，并在實(shí)驗(yàn)室建立小型海底模擬系統(tǒng)，對(duì)聲學(xué)測(cè)量裝置進(jìn)行分層測(cè)量標(biāo)定，為壓入式海底原位聲學(xué)測(cè)量裝置提供一種在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境下進(jìn)行性能測(cè)試的技術(shù)，并驗(yàn)證原位聲學(xué)測(cè)量裝置測(cè)量特性；此外，該裝置還可用于模擬不同類(lèi)型海底沉積物分層狀態(tài)的聲學(xué)特性測(cè)量研究。

1 裝置測(cè)量原理

在測(cè)量過(guò)程中，由于聲學(xué)測(cè)量探桿壓入方式的不同，可分為定位測(cè)量和連續(xù)測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式。定位測(cè)量如圖1(A)所示，將聲學(xué)測(cè)量探桿壓入到預(yù)定的海底沉積物層中固定不動(dòng)，通過(guò)控制溫度、鹽度、深度等，研究不同類(lèi)型海底沉積物在不同海底沉積層隨環(huán)境變化的聲學(xué)特性；連續(xù)測(cè)量如圖1(B)所示，聲學(xué)測(cè)量探桿以勻速緩慢壓入待測(cè)樣品中，聲學(xué)測(cè)量探桿勻速下降的同時(shí)以設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行聲學(xué)特性測(cè)量，通過(guò)聲學(xué)特性的差異來(lái)反演樣品中所含海底沉積物的類(lèi)型和分層。

圖1 分層測(cè)量原理示意Fig.1 Layered measurement principle

1.1 聲速測(cè)量原理

聲學(xué)探桿的分布根據(jù)差距測(cè)量法[18]原理設(shè)計(jì)（圖2），聲波從聲學(xué)發(fā)射探桿E1傳播到聲學(xué)接收探桿R1、R2的距離分別為L(zhǎng)1、L2，時(shí)間分別為t1、t2，故聲波在樣品中的傳播速度Cp（m/s）為

圖2 聲學(xué)測(cè)量原理示意Fig.2 Acoustic measurement principle

其中，ΔL為聲學(xué)發(fā)射探桿E1到聲學(xué)接收探桿R1、R2的距離差，Δt為聲波傳播時(shí)間差。

1.2 聲衰減系數(shù)測(cè)量原理

聲波在海底沉積物中的衰減包括擴(kuò)散衰減、吸收衰減和散射衰減三部分[19]，海底沉積物聲衰減系數(shù)主要為海底沉積物對(duì)聲波的吸收衰減和散射衰減之和。在短距離測(cè)量中，海水對(duì)聲波的吸收衰減和散射衰減相對(duì)于擴(kuò)散衰減很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)聲波傳播距離相同時(shí)，海底沉積物中的擴(kuò)散衰減與海水中擴(kuò)散衰減基本相同，在測(cè)量到的海底沉積物總聲衰減中減去擴(kuò)散衰減，從而得到海底沉積物聲衰減。海水的擴(kuò)散衰減系數(shù)和海底沉積物聲衰減系數(shù)計(jì)算公式分別如下：

其中，αw為海水?dāng)U散衰減系數(shù)（dB/m），αs為海底沉積物聲衰減系數(shù)（dB/m）；Aw1、Aw2是介質(zhì)為海水時(shí)，近、遠(yuǎn)兩聲學(xué)探桿接收信號(hào)在頻域中的聲波主頻信號(hào)振幅（V）；As1、As2是介質(zhì)為海底沉積物時(shí)，近、遠(yuǎn)兩聲學(xué)探桿接收信號(hào)在頻域中的聲波主頻信號(hào)振幅（V）。

2 裝置結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)

原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置由分層運(yùn)動(dòng)控制單元、聲學(xué)測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)控制單元三部分組成[20]，結(jié)構(gòu)示意如圖3。

圖3 聲學(xué)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the acoustic measuring device

2.1 分層運(yùn)動(dòng)控制單元的組成結(jié)構(gòu)

分層運(yùn)動(dòng)控制單元由臺(tái)架、控制單元、拉繩式位移傳感器和電動(dòng)缸組成（圖3）。臺(tái)架承載電動(dòng)缸以及電動(dòng)缸連接的聲學(xué)測(cè)量探桿、放置樣品桶。電動(dòng)缸的主要參數(shù)為有效行程1 m、運(yùn)動(dòng)速度范圍為0.01～0.10 m/s?？刂茊卧刂齐妱?dòng)缸的啟停，拉繩式位移傳感器測(cè)量聲學(xué)測(cè)量探桿的位移距離。將電動(dòng)缸倒掛在定制臺(tái)架上，通過(guò)電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)使聲學(xué)測(cè)量探桿能夠精確地按照設(shè)定速度下降到所需位置，不僅滿足分層測(cè)量的要求，而且能進(jìn)行海水和海底沉積物的連續(xù)測(cè)量。

2.2 聲學(xué)測(cè)量單元的組成結(jié)構(gòu)

聲學(xué)測(cè)量單元由聲波儀、聲學(xué)測(cè)量探桿和溫度探桿組成。聲波儀實(shí)現(xiàn)聲波激勵(lì)信號(hào)的發(fā)出、放大，以及聲波接收信號(hào)的接收、放大和儲(chǔ)存，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和控制，以及上傳測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理和分析。聲學(xué)測(cè)量探桿由一根主頻為50 kHz 的聲學(xué)發(fā)射探桿和兩根主頻為50 kHz 的聲學(xué)接收探桿組成，分別安裝于聲學(xué)測(cè)量探桿的三個(gè)頂點(diǎn)處，能夠測(cè)量海水和海底沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)。溫度探桿由上、下桿套和溫度傳感器組成，溫度探桿傳感器與聲學(xué)探桿換能器安裝在同一水平面上，可獲得同一測(cè)量層的溫度用于標(biāo)定和后續(xù)研究。

2.3 計(jì)算機(jī)控制單元的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制單元是通過(guò)計(jì)算機(jī)通訊界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。界面分狀態(tài)顯示和連接控制區(qū)域（A區(qū)）和監(jiān)測(cè)顯示區(qū)域和控制區(qū)域（B 區(qū)）。A 區(qū)可實(shí)現(xiàn)裝置狀態(tài)顯示、聲波儀連接控制和控制單元連接控制功能；B區(qū)可實(shí)現(xiàn)海底環(huán)境物理量監(jiān)測(cè)，裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)控和聲波儀控制功能。計(jì)算機(jī)接收到各類(lèi)的傳感器數(shù)據(jù)，包括海水溫度、聲學(xué)測(cè)量探桿下沉深度、離海底沉積物高度三類(lèi)數(shù)據(jù)，可直觀顯示在海底環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)標(biāo)簽頁(yè)中。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示和控制標(biāo)簽頁(yè)，可以直接配置聲學(xué)測(cè)量探桿的運(yùn)動(dòng)速度與位移量，由計(jì)算機(jī)將指令下達(dá)至控制單元，再由控制單元控制電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)聲學(xué)測(cè)量探桿運(yùn)動(dòng)。在聲波儀控制標(biāo)簽頁(yè)中，可以配置聲波激勵(lì)信號(hào)，包括采樣頻率、激勵(lì)波形、測(cè)量頻率、發(fā)射電壓等參數(shù)，控制聲波信號(hào)的發(fā)射與接收，直觀顯示接收到的聲波信號(hào)波形，并把測(cè)量數(shù)據(jù)保存到計(jì)算機(jī)中。

3 分層測(cè)量標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)

海底原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置如圖4 所示，其中，在尺寸為直徑400 mm×高950 mm 的樣品桶中建立小型海底模擬系統(tǒng)，分為200 mm的底層海水層、250 mm 的粉砂質(zhì)黏土層和350 mm 的粉砂質(zhì)砂層。海底沉積物來(lái)源于南海采集到的海底原狀樣品排氣重塑而成，重塑后粉砂質(zhì)黏土的黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76.68%，孔隙度為71.34%，濕密度為1.46 g/cm3；粉砂質(zhì)砂的含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80.99%，孔隙度為36.73%，濕密度為1.84 g/cm3。

圖4 聲學(xué)測(cè)量模擬裝置Fig.4 Acoustic measuring device

3.1 分層運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

聲學(xué)測(cè)量探桿運(yùn)動(dòng)控制精度測(cè)試，將聲學(xué)測(cè)量探桿的運(yùn)動(dòng)距離定為實(shí)驗(yàn)的設(shè)定位移，在發(fā)送端表現(xiàn)為脈沖數(shù)，進(jìn)行3個(gè)豎直的運(yùn)動(dòng)距離測(cè)試，每個(gè)距離設(shè)定2個(gè)位移速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果顯示，最大行程誤差為0.50%，最大速度誤差為2.00%，聲學(xué)測(cè)量探桿運(yùn)動(dòng)控制精度較高，滿足系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)要求。

表1 運(yùn)動(dòng)控制精度測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Motion control accuracy test data

3.2 水中分層聲學(xué)測(cè)量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

水中分層聲學(xué)測(cè)量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是標(biāo)定出聲學(xué)測(cè)量探桿的距離差ΔL和海水?dāng)U散衰減系數(shù)。由于聲波換能器位于聲學(xué)發(fā)射探桿和聲學(xué)接收探桿中，如果用游標(biāo)卡尺等測(cè)量工具對(duì)L1、L2進(jìn)行測(cè)量并不能準(zhǔn)確獲得換能器的發(fā)射中心與接收中心的距離，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，難以獲得準(zhǔn)確的距離差ΔL。因此，在海底沉積物聲學(xué)測(cè)量之前需要在水中對(duì)換能器的發(fā)射中心與接收中心的距離進(jìn)行標(biāo)定，以獲得準(zhǔn)確的距離差ΔL。讀取聲波信號(hào)到達(dá)近、遠(yuǎn)聲學(xué)接收探桿的時(shí)間差Δt，將理論聲速CT代入公式(1)計(jì)算出距離差ΔL，獲得遠(yuǎn)、近兩桿在頻域上的振幅。根據(jù)公示(2)計(jì)算出海水?dāng)U散衰減系數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。水中理論聲速CT用Mackenzie公式[21]計(jì)算如下：

表2 水中分層測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of layered measurement in water

其中，T代表樣品的溫度（℃）；S代表樣品的鹽度（‰）；D代表實(shí)驗(yàn)深度（m）。

將聲學(xué)測(cè)量探桿壓入到水層30、50、70、90、110、130 mm 處，每處測(cè)量5 次，溫度探桿測(cè)量得到水溫為20.3 ℃，鹽度計(jì)測(cè)量得到水鹽度為25‰。由公式(4)計(jì)算得出水中理論聲速為1 521.46 m/s，在時(shí)域中讀出聲波到達(dá)近、遠(yuǎn)兩聲學(xué)接收探桿的平均時(shí)間差Δt為50.70 μs，用理論聲速乘以時(shí)間差，得到ΔL值為77.14 mm。

表2 顯示，由于聲波傳播的邊界影響以及測(cè)量裝置系統(tǒng)特性影響，導(dǎo)致聲速的測(cè)量值存在微小差異，但小于0.50%；同時(shí)，根據(jù)公式(2)計(jì)算得到裝置在水中平均擴(kuò)散衰減系數(shù)為（34.30±0.46）dB/m。

3.3 海底原位沉積物分層模擬聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

原位分層模擬聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)由定位測(cè)量和連續(xù)測(cè)量?jī)煞N實(shí)驗(yàn)組成，驗(yàn)證海底原位測(cè)量過(guò)程中的靜態(tài)測(cè)量和連續(xù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量。在定位測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，控制聲學(xué)測(cè)量探桿精確壓入到海水層、粉砂質(zhì)黏土層、粉砂質(zhì)砂層100 mm深處，每一層進(jìn)行5次測(cè)量；在連續(xù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，控制聲學(xué)測(cè)量探桿以0.04 m/s的速度壓入到介質(zhì)層中，聲波儀設(shè)置聲波發(fā)射頻率為1 s-1。定位測(cè)量實(shí)驗(yàn)的兩根聲學(xué)接收探桿在海水層、粉砂質(zhì)黏土層和粉砂質(zhì)砂層接收信號(hào)如圖5 所示，其頻譜如圖6所示。

圖5 不同層遠(yuǎn)、近桿聲波信號(hào)Fig.5 Acoustic signals from far and near rods at different layers

圖6 不同層遠(yuǎn)、近桿聲波信號(hào)頻譜Fig.6 Spectra of acoustic signals from far and near rods at different layers

海底原位聲學(xué)測(cè)量頭聲學(xué)測(cè)量特性研究[22]表明，在時(shí)域中，采用互相關(guān)法能有效處理聲學(xué)信號(hào)計(jì)算聲速；在頻域中，使用主頻特征法能有效計(jì)算聲衰減系數(shù)。通過(guò)對(duì)接收聲波信號(hào)的互相關(guān)分析，獲得兩根聲學(xué)接收探桿接收到發(fā)射聲波的時(shí)間差，代入公式(1)計(jì)算出聲波在海水層、粉砂質(zhì)黏土層和粉砂質(zhì)砂層的聲速；通過(guò)讀取兩根接收探桿頻域中主頻的振幅，代入公式(2)和公式(3)分別計(jì)算出海水層的擴(kuò)散衰減系數(shù)、粉砂質(zhì)黏土層和粉砂質(zhì)砂層的聲衰減系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 沉積物測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Sediment measurement experimental data

表3顯示，定位測(cè)量和連續(xù)測(cè)量結(jié)果十分接近。兩種實(shí)驗(yàn)中粉砂質(zhì)黏土層平均聲速比為0.976，粉砂質(zhì)砂層平均聲速比為1.065，符合海底沉積物的孔隙度增大而聲速減小，含砂量越高而聲速越大的規(guī)律[23]，符合東海航次對(duì)應(yīng)海底沉積物類(lèi)型的原位測(cè)量聲速比[24]（砂質(zhì)為主的范圍1.026～1.070，黏土質(zhì)為主的范圍0.974～0.985）；按照地聲結(jié)構(gòu)分層[25]分別對(duì)應(yīng)低聲速表面-低聲速層海底和高聲速表面-高聲速層海底。闞光明等[26]測(cè)得南黃海中部海域沉積物的聲速范圍為1 433.7～1 667.6 m/s，聲衰減系數(shù)范圍為7.6～33.4 dB/m，沉積物孔隙度范圍為38.1%～69.1%；王景強(qiáng)[27]測(cè)得膠州灣海底表層沉積物聲速值范圍為1 465～1 675 m/s，聲衰減系數(shù)范圍為1.7～60.2 dB/m，沉積物中平均含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、粉砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.4%、54.9%、19.7%。不同海域中不同海底沉積物類(lèi)型的聲學(xué)和物理參數(shù)變化范圍較大，但整體具有相似性。原位分層模擬聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他海域的同種類(lèi)型的海底沉積物所測(cè)聲學(xué)特性范圍相接近，表明本裝置可以實(shí)現(xiàn)海底沉積物分層測(cè)量。

為驗(yàn)證海底原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，用取樣管將重塑后的沉積物從樣品桶中取出，采用海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)[28]對(duì)取樣管中沉積物進(jìn)行分層測(cè)量。

將發(fā)射換能器和接收換能器固定在粉砂質(zhì)黏土層和粉砂質(zhì)砂層100 mm 深處，每一位置進(jìn)行5次聲學(xué)特性測(cè)量。海底原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置測(cè)量結(jié)果與海底沉積物巖芯橫向聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果如圖7 所示，定位測(cè)量法與橫向測(cè)量法對(duì)兩種樣品聲速和聲衰減的測(cè)量值誤差最大分別為0.37%和4.57%，說(shuō)明該裝置能有效測(cè)量海底沉積物聲學(xué)特性。

圖7 不同測(cè)量方式的聲學(xué)特性測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of acoustic properties measurement results from different measurement methods

4 結(jié)論

為研究不同環(huán)境條件下海底沉積物聲學(xué)特性的變化機(jī)制和原位測(cè)量裝置的測(cè)量特性，設(shè)計(jì)一種海底原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置，通過(guò)控制電動(dòng)缸準(zhǔn)確推動(dòng)聲學(xué)測(cè)量探桿運(yùn)動(dòng)到不同深度，實(shí)現(xiàn)海底沉積物分層聲學(xué)特性測(cè)量?；谒蟹謱勇晫W(xué)測(cè)量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和海底原位分層模擬聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）水中標(biāo)定測(cè)量，得到聲學(xué)測(cè)量探桿的校正距離差為77.14 mm，聲波平均擴(kuò)散衰減系數(shù)為（34.81 ±0.46）dB/m。

2）定位測(cè)量和連續(xù)測(cè)量?jī)煞N方式得到海水和海底沉積物的聲學(xué)特性差異較小，且對(duì)粉砂質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)砂的測(cè)量結(jié)果與巖芯橫向聲學(xué)測(cè)量法測(cè)得的聲學(xué)特性具有一致性，表明本裝置測(cè)量具有可靠性。

3）海底原位分層聲學(xué)測(cè)量模擬裝置可以推動(dòng)聲學(xué)測(cè)量探桿壓入到物理性質(zhì)不同的海底沉積物層中，實(shí)現(xiàn)底層海水和海底沉積物的分層聲學(xué)特性測(cè)量。

感謝中國(guó)自然資源部第一海洋研究所闞光明研究員和中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所田雨杭博士提供的寶貴建議和幫助。部分?jǐn)?shù)據(jù)得到“中國(guó)開(kāi)放式科學(xué)考察郵輪（航次編號(hào)：NORC2021-02、NORC2021-301）”的國(guó)家自然科學(xué)基金船舶分時(shí)計(jì)劃資助。