海底沉积物声衰减研究现状及瞻望.docx

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1、海底沉积物声衰减研究现状及瞻望海底沉积物声衰减研究现状及瞻望刘强,卢博(中国科学院边缘海地质重点实验室,广东广州510301)摘要:根据近年来海底沉积物声学物理研究发展的态势,介绍了与研究声衰减有关的海底沉积物样品收集装置和海洋沉积物声速构造形式,综合解析多种对海底沉积物声衰减等声学特性研究方法,并做出较为具体地比拟和讨论,提出对海底沉积物声衰减研究在知足科研要求的同时也应符合国家标准和要求。同时,指出了研究海洋沉积物声衰减的必要性和重要性,强调了对海底沉积物声衰减研究的科学意义和应用意义。关键词:海底沉积物声学;取样装置;声速构造形式;声衰减中图分类号:P733.2文献标识码:A文章编号:1

2、003-2029(2006)02-0063-05引言水声学主要研究声波在水下的产生、辐射、传播和接收的理论,主要用以解决与水下目的探测、识别以及信息传输经过有关的声学问题。其研究内容丰富,但其中很多科研都涉及到海底沉积物的声学特性,涉及到海底表层沉积物的声速问题,沉积物的声衰减问题及其声阻抗问题等等,这些都联络着海底沉积物声学和水声学。在所有的浅海环境和深水条件下,海底是影响声传播的重要因素之一,研究海底界面的声学性质是海底声学和地球物理学的共同兴趣所在。在海底沉积物表层几米范围内,其物理和声学性质有较大的梯度变化。在海底沉积物声学物理研究中涉及到很多物理参数,其中,沉积物声速和声衰减参数等一

3、直是重要的海底地声参数,直接决定着海底声波和地震经过的作用影响。1样品收集仪器和设备海底沉积物声学特性尤其是声衰减特性的研究,在目前首先是要获得海底沉积物样品来进行分析研究,因而,完好的、具有一定科研价值的海底沉积层样品是非常重要的。在这里有必要介绍海底沉积物样品的收集装置。尽管能够用海上钻机钻取很深很长的柱状样品,但目前比拟广泛使用的绝大部分仍依靠各种重力式采样器。收稿日期:2005-11-12基金项目:国家自然科学基金赞助项目(40476020)作者简介:刘强(1980-),男,河北人,中国科学院南海海洋研究所硕士研究生,从事海底沉积物声学等研究。1.1蛤壳式取样器一种早期使用的设备,也称

4、为“抓斗。这是用一对咬合的钢瓣,在很重的取样器放下海里去时保持张开,然后在触及海底时,由弹簧或其他类型的释放装置把钢瓣闭合。这一类取样器,沉着积较小的袖珍型到能够挖取大约1m3物质的巨型挖泥器都有。针对这类装置作了改良,目前在一些海底取样当中仍在使用,缺点就是对海底沉积物的完好性有较大的损害以及不能确定取样深度。1.2箱式取样管箱的口径为24cm30cm或更大一些,高度大小不一。一般依靠设备本身重力沉入海底表层沉积物中,这样大口径的取样管是为了确保获得沉积物表层样品,在回收时利用一个铲子自动转到管口下面,把管口严密封闭。这种采样设备能够获得较好的表层沉积物,对海底沉积物的扰动较小,完好性毁坏较

5、小,往往还可能取到岩石碎块。在箱体内沉积物样品的顶部,经常能够见到保存良好的海底动物迹印和波痕,这是很有价值的,但其收集深度有限。取样后需要在已有沉积物的箱体里插入一根塑料管进行二次取样。如今使用较多的是多管采样器,属于盒式采样器的一种变形,不锈钢制造,取样管为4根或8根有机玻璃管,长度60cm,口径10cm。1.3重力式取样管和活塞重力式取样管这两种采样器比拟广泛应用在目前海底沉积物的海上取样工作,两者的取样基本原理差不多,取样管长度110m,可调节长度;取样管口径由50100mm不等;管的顶部是配重和定向尾翼,管口是带有花瓣爪,以保护样品不会在取样后掉出管外,管内都配有相应口径大小的塑料管

6、作为内管,方便取出样品和保护样品以后的运输和分割。不同的是活塞重力式取样管在内管里有活塞,当取样管下沉到海底时活塞通过预先放置的一根钢丝绳的拉动,完成一个第25卷第2期2006年6月海洋技术OCEANTECHNOLOGYVol.25,No.2June,2006活塞活动,把海水抽出管外,海底沉积物就更容易进入这个半真空状态的管内,获得样品长度比一般重力式取样管获得的样品更长。这两种取样管的优点是工作起来比拟方便,操作简单,适应于多种船只,甚至在渔船上也能使用。1.4具有声学测量功能的重力式取样管水声设备的研究人员和专家都倾向于采用“现场或称为“原位测量数据。由于在船上得到的海底沉积物样品的外部压

7、力、温度、含气量以及其他参数的数值都与海底实际数值有很大的差异。这种采样器整合了海底沉积物样品收集和现场声速测量设备,是一种综合的当代收集器。将声换能器装在取样管上的声速测量仪,借助重力作用,自由下落进入海底,在取样管所能到达的深度内,能在实际条件下连续测量声速等声学参数,这是它的固有特点。仪器的管嘴靠同轴电缆与船舷设备相连实现数据传递或者将数据记录在安装于容器内的自动记录仪上。吴家仁等1第一次在重力采样器箱体底部安装了电换能器,测量声脉冲通过箱体中沉积物的传播时间,获得声速值和观察到沉积物的声衰减系数。还有一种类似的取样装置。在样品收集经过中能够获得海底沉积层压缩波声速和声波衰减剖面。该装置

8、采样管壁上平均分布着独立的声波接受器,借助这些仪器,在采样时依靠本身重力,自由下落进入底质,记录在采样经过中波形。傅顺声等人2已使用了该仪器,效果良好(如图1、图2)。图1接收换能器安置构造目前,随着海洋沉积物声学物理研究工作的不断深化发展,海底沉积物收集设备也在不断地发展。在将来的几年里,有可能研制能取样更深(必要时可调至10m以上),取样霎时能同步测量海水声速、沉积物压缩波速、切变波速和声衰减等多参数的现场沉积物声学测量和取样系统,卢博等提出了这种具有声学测量功能的重力式取样管的想法和设计思路3。图2采样管配置构造示意图2声衰减研究进展针对海洋沉积物声衰减研究,国内外同行做了不少工作,研究

9、方法也不尽一样。但是很少有人注意到海洋沉积物声速构造对研究海底沉积物声衰减等声学特性的影响。2.1海底沉积物声速构造形式海洋沉积物是由沉积物颗粒与海水双相介质组成的,而沉积物中声波传播(十分是压缩波分量的传递)在很大程度上是由双相介质的可压缩性来决定的。沉积物由于其孔隙度、密度及颗粒度的差异,有可能构成高声速层或低声速层,Hamilton4归纳了诸多的沉积物模型以后,总结出两种较为常见的浅海大陆架沉积物声速构造模型,即高声速模型和低声速模型,CpCo为高声速海底;Cp图3三种海水沉积物声速构造形式的基本特性建立海水-沉积物声速构造形式的,有助于人们进一步认识声与海底的互相作用,准确地描绘海底和

10、研究海底沉积物声学物理特性,这对海洋工程、地球物理资料解释、水声传播和声纳作用距离预报等有着密切的联络。2.2海洋沉积物声衰减研究方法比拟声波在浅海中传播,其衰减比海水吸收大很多倍,这是由于海底沉积物构成了声在浅海中传播的下部边界,在传播经过中,有相当一部分声能转入海底,因而海底对水下声传播有很大影响。从目前的研究趋势来看,海底沉积物声衰减正成为海洋沉积物声学研究的热门。Hamilton6建立了沉积物中声衰减与频率的经历公式,得到的结论在f高于几千赫兹到将近100kHz时A近似正比频率的一次方。后来Biot7对此提出了异议,他的结果表明在几百赫兹下面,A与f的关系高于一次方。Ogush-wit

11、z8提出了Biot-Stoll理论模型。张叔英等9研究了长江口水下浮泥,并通过建立地声模型研究了其声衰减特性,提到了声衰减与浮泥密度和测量频率的关系。周建平等10对柱状沉积物做了现场超声波声学测量,作了声速剖面的初步分析。目前,针对海底沉积物声衰减的研究方法大致上有两种:一种为理论计算,通过假定地声模型来模拟特定环境下海底沉积物声衰减;另一种强调的是海底沉积物样品的实验室测量和计算。前者,更多考虑是建立合理的近乎符合实际环境的地声模型,同时也对研究沉积物声衰减的频率做了一定限制,声波频率一般为低频段f200Hz),蒋德军等12将理论计算声衰减德频率提高到f2kHz。后者实验室测量,由于其方法本

12、身具有的特点,通过测量和归纳大量数据,挖掘各参数之间的关系,在研究中具有一定客观性。该方法在海底沉积物声衰减中应用较多。Hamilton根据大量实验数据提出过海底沉积物声衰减特性分别与沉积物的孔隙度和测量声波频率的经历公式。梁元博11在其文章中也提到了计算海底沉积物声衰减的简单公式:a=kfn式中:a为单位距离上的声衰减(单位:dB);k为与各种不同沉积物类型有关的系数;f为声频率(单位:kHz)。有研究报告指出:海底声吸收与频率的一次方成正比,及上式中的n近似于1。假如这样的话,则k能够作为判别沉积物类型的参量。不过,也有人以为,各类不同沉积物的声衰减也和频率的n次方有关。但是不同类型的沉积

13、物具有不同的声衰减系数a,这一特性可作为划定沉积物类型的一种重要根据。其别人在这方面也作了不少的研究。蒋德军等12介绍了一种计算浅海海底衰减系数的方法,对液态,高声速海底介质,给出了在中低频率下的海底沉积物的声衰减公式。但未提及在其他频率段上声波测量。也有人应用Biot模型反演沉积物的固有衰减,而未考虑到由生物因素引起的衰减部分。苏明旭等13对悬浊液中的颗粒物质引起的衰减进行了研究,计算声衰减的公式:A=20log(A0/A1)L(dB/m)式中:A0为声衰减测量中为参加颗粒前清水中所测测量幅值;A1为参加颗粒构成悬浊液后所测得幅值。固然在海底沉积物声衰减方面由一定的借鉴意义,但是由于海底沉积

14、物颗粒构造的复杂性,其底层外表物质由于孔隙度较大,能够知足悬浊液的条件,但海底沉积物的密度和孔隙度随深度的加深而变化,不再合适该研究条件,因而应用到海底沉积物声衰减测量中还是有一定局限性。也有人从模型反演的角度来计算海底沉积物的声衰减系数,李风华等14从这个角度出发讨论了有脉冲波形和传播损失来反演海底沉积物的声衰减系数。反演的频段主要集中在低频段上,而且反演建立相应的反演模型,在一定程度上简65第2期刘强等:海底沉积物声衰减研究现状及瞻望化了海底沉积物本身的复杂性和区域的特殊性。针对海底沉积物声衰减,其产生机制人们也有不同看法。有一种观点15以为沉积物中的声衰减由两种机制所产生:一为其中的粒子

15、与海水在声场中作相对运动时所产生的粘滞摩擦而导致的声能耗散,另一为沉积物的内耗所引起的声能耗散。由于沉积物颗粒接触遭到生物作用和化学胶结,其接触产生胶结或絮凝状态,使得沉积物在较高孔隙度下具有一定的刚度。这种沉积物有粘滞弹性固体的某些特性,故而在声传播经过由于沉积物内耗而引起衰减。从这个角度对声衰减系数进行了定义,假设沉积物中的粒子集合是宏观匀质各向同性的,其中的声衰减系数Ab可定义为:Ab=?E-s?/2ckE-s式中:Es为沉积物中声能密度的耗密度;E-s为Es的时间平均值,?E-s?为E-s的绝对值;Ck为沉积物中的声速;E-s为沉积物中声能密度的平均值。在1992年公布施行的中华人民共

16、和国国家标准（海洋调查规范海洋声、光要素调查）16中给出了由直接法获得声衰减系数。根据现场或实验室测量所获取数据经微机程序运算可直接给出沉积物声速随深度的垂直曲线,并由仪器测得的两个不同固定距离上声信号振幅推算出声衰减系数,A公式为:A=20lg(A2/A1)/(L2-L1)式中:A1为在固定距离L1(m)上测得的声压振幅,LPa;A2为在固定距离L2(m)上测得的声压振幅,LPa。从各种方法来看,计算海底声衰减的方式很多,但只考虑到的海底沉积物物理特性的一个或简单的几个方面,没有综合的考虑海底沉积物的物理特性,沉积构造,土工学特性与声衰减的关系,如今还未构成一种系统的综合的研究方法。根据我国

17、的实际情况,在研究时需更多地考虑计算声衰减的国家标准。测量计算海底沉积物声衰减,应采用实验室直接测量手段,由于它本身具有的优势,在将来一段时间内还将使用。实验测量能够通过改善实验方法、改良实验设备来提高测量数据的精度。同时,又能够综合海底沉积物的各个特性,如孔隙度、颗粒粒度、沉积构造等因素,来研究在不同温度下的海底沉积物的衰减特性。了解海洋沉积物声衰减特性的变化规律,能够更好地认识和研究海底沉积物整体综合效果。根据沉积物声衰减的特性划分海底沉积物类型,为海底地质类型填图提供了可靠的手段,辅以其它地测量手段,以到达能够定性定量地评价海底,让海底为人类服务。3研究海底沉积物声学特性的实际意义海底沉

18、积物是海洋空间的组成部分,它作为海洋下界面而成为海洋工程的本质载体,同时,它是影响海洋声场极为重要的环境因素。随着海底沉积物类型的不同,声波在其中的波速、衰减特性也各不一样,因而,研究沉积物的声学特性有很重要的实际意义。海底沉积物声学,凭借声波这一弹性波研究海底沉积物的物理学参数和土工学参数,如孔隙度、容重、颗粒度以及剪切模量和拉梅系数等,在讨论各参量之间的相关关系和变化规律时,同时也在建立一种从工程力学方面愈加完善合理评价海底沉积物特性新的一种方法和技术手段。通过海洋沉积物声学确定海底沉积物的构造特性和力学特性,能够为今后海洋工程如海上钻井平台、港口码头、海底石油管道的铺设等建设提供地质根据

19、。由于海底的复杂性和区域的多变性,加之经过数万年的地质变化,目前对海底沉积物的研究虽获得一定成绩,但还有很多的盲区未加研究。在我国,尚未构成完好的近海海底沉积物特性分布的有关图件,这方面的工作仍需继续。根据研究所得出来的沉积物声学特性来判别海底沉积物类型及划定其二维或三维的分布,同时通过实验室测量海底样品验证。这种方法是一种很有前途的。它不仅符合海底调查方便快速的要求,而且可以以用来研究浅海声场分析研究与声呐作用距离计算、海底浅层工程地质勘探、服务于地球物理人工地震资料解释、潜艇下潜触底时需要了解海底的物理力学性质、海底矿产资源的开发以及国防军事等多方面的需要。参考文献:1吴家仁,张卫.海洋沉

20、积物声学特性的现场测量方法J.海洋技术,1984,3(1):69-77.2SSFu,RHWikens,LNFrazer.Acousticlance:Newinsituseafloorvelocityprofiles.JAcoustSocAm,1996,99(1):234-241.3卢博,李赶先,黄韶健.海底沉积物声学的现场测量和取样系统J.海洋技术,2000,19(3):31-33.4ELHamilton.Soundvelocity-densityrelationsinsea-floorsedimentsandrocks.JAcoustSocAm,1978,63(2):366-377.5卢博.

21、海水-沉积物声速构造形式J.海洋通报,1995,14(2):42-47.6ELHamilton.Soundattenuationasafunctionofdepthintheseafloor.JAcoustSocAm,1976,59(3):528-535.7钱祖文.浓颗粒介质中的声传播和参数反演.声场声信息国家重点实验室年报,1994,4:114-117.8OgushwitzPR.ApplicabilityofBiottheory,ILow-PorosityMaterials.JAcoustSocAm,1985,77(2):429-440.9张叔英,杨挺,马在田.长江口与杭州湾海区水底浮泥地声

22、模型及其声反射特性研究J.声学学报,1998,23(5):385-393.(下转第111页)66海洋技术第25卷DesigningoftheSavableChlorophyllMonitoringInstrumentWANGQiang,XUXiao-mei,LIXue-ding(OceanographyDeptofXiamenUniversity,Xiamen361005,China)Abstract:Thispaperpresentsthedesignschemeofasimple,economical,savablechlorophyll-monitoringinstrument.Thes

23、ystemuseschlorophyllfluoro-metryasdetectingsensor,A/DconverterAD7705toconvertsignalsandAT89C51tocollectandsavethedata.UserscanoperateandcommunicateonVBworkingplatformviaserialports.Theexperimentalresultsshowthatthechlorophyllmonitoringsystemisaccurateandreliable.Furthermore,thecostislow,soitcanbepop

24、ularizedeasily.Keywords:AD7705,AT89C51,RS232,VB(上接第66页)10周建平,吕文正,陶春辉.海底柱状沉积物超声测量J.东海海洋,2003,21(4):26-33.11梁元博.海洋物理M.1980,海洋出版社,北京:18-25.12蒋德军,高天赋.一种计算浅海海底声衰减系数的方法J.声学学报,1997,22(5):455-462.13苏明旭,蔡小舒,徐峰,张金磊,赵志军.超声衰减法测量悬浊液中颗粒粒度和浓度J.声学学报,2004,29(5):440-444.14李风华,张仁和.由脉冲波形与传播损失反演海底声速与衰减系数J.声学学报,2000,25(4

25、):287-302.15唐应吾,赖忠干,宋志杰.非絮凝状沉积物与絮凝状沉积物忠的声衰减J.声学技术,2004,23:71-75.16中华人民共和国国家标准.海洋调查规范海洋声、光要素调查.(GB12763.5-91),9-12.ProgressandProspectofSeabedSedimentsAcousticAttenuationLIUQiang,LUBo(SouthChinaSeaInstituteofOceanology,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510301,China)Abstract:Accordingtotherecentsituat

26、ionofseabedsedimentacousticsdevelopment,thispaperintroducesseveralsedimentsamplecorerandseabedsedimentvelocity-structuremodels,colligateresearchingmethodsaboutsedimentaryacousticproper-ties,speciallyacousticregression,makediscussionsandcomparewiththesemeasuresindetail,andsuggestthatsuchkindre-search

27、shouldfollowNationalStandard.Meanwhile,thearticlepointsoutthenecessityandimportanceofresearchingseabedsediments,emphasizesthesignificationofresearchingandapplicationinthefield.Keywords:seabedsedimentacoustics;sedimentbulb;sedimentvelocity-structuremodel;acousticattenuation111第2期王强等:一种可存储式叶绿素监测仪的设计方案