海底沉积物声学性质测量技术评述

由于资源勘探、军事应用、岩土特性声学调查和声波传播理论研究等的需要,多年来人们一直在进行海底沉积物声学性质的测量。对海底沉积物声学性质的取样测量技术和原位测量技术进行了叙述,分别总结了两种测量技术存在的问题,认为下一步有必要发展海底沉积物低频声学性质的直接测量技术,建议在原位测量海底沉积物声学性质参数的同时测量其他性质参数以便于对比研究,并设法提高原位测量的工作效率。     

海底沉积物声衰减与含水量关系的实验研究

海底沉积物从海底采样之后,要经过保存和运输之后才进行室内的声学物理参数测量,在这个过程中,样品不可避免的受到各种干扰。在实验室里制作了沉积物人工样品,模拟样品受到的干扰,通过测量受扰动的含水量的变化及其与声衰减系数的关系,经过频谱分析,得出随机扰动不易辨别,容易造成错误测试结果。对可能的扰动进行物理分析,并提出沉积物声衰减实验测量的若干建议。     

海底的声学特性实验技术及地中海的若干实例

海底声学特性主要取决于海底分层沉积物的物理特性和海底、次海底的粗糙度。在过去的十年间,已取得很多样品和海底照片,并做了声学测量,从而,增进了我们对影响海底沉积物声特性的机理的了解。北大西洋组织大西洋最高同盟指挥部反潜武器研究中心(NATO SACLANT ASW)提供了在地中海不同区域的海底声学特性的研究结果,对其观察方法和数据分析也作了简单的讨论.给出了影响海底声学特性的沉积物特性之间的关系,并将结果与声学测量进行了比较.     

在轴向应力应变下海底沉积物声速及其响应

对南沙群岛海域海底浅表层沉积物短柱状样所进行的轴向应力-应变/声学测量,结果表明纵波声速有着三种的变化结果,这些结果与海底浅表层沉积物的物理力学性质,颗粒接触状态,颗粒结构微结构等特征有关.本项研究可为深入认识南海南部各种海底沉积物作为承载界面的可靠程度,声遥测遥感海底沉积物的工程力学性质等科学目的作出理论贡献.     

海底沉积物岩芯横向声学测量系统的标定

水平轴向测量技术相对成熟,但较难获取海底沉积物的无扰动分层声学特性,采用横向测量技术可以解决这一问题。文章研究了海底沉积物岩芯横向测量技术,将水作为海底沉积物测量的参考标准,进行测量系统的标定。提出了等效换能器的概念,将样品以外的声传播介质整合成等效换能器的一部分,标定测量等效换能器声延时和声传播初始能量。以水为标准介质,分别采用33、80、100 kHz三种频率的声学换能器,以及75、90、110 mm三种管径的聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC),测量所得的水中的声速与标准计算水中的声速具有一致性,其中以采用80 kHz频率声学换能器和90 mm管径PVC管测量时的声速误差最小,选用此状态进行标定,得出当隔水耦合测量法换能器相对距离为142.02 mm时,标定的等效换能器声延时为45.88±0.08 μs,等效换能器声传播初始能量(以接收换能器的接收电压表示)为0.86±0.03 V。应用标定的等效换能器声延时和声传播初始能量测量海底沉积物。计算得到声速和声衰减系数符合黏土质粉砂的声学特性。     

虚拟仪器在声波激发的地表振动检测系统中的应用

设计一个声波激发的地表振动检测系统,用基于Labview的软件平台实现数据的采集与处理。用扬声器发出扫频的正弦声波激励地表产生地表振动,并用地震检波器接收地表振动速度信号,通过NI 5112数字化仪传送到计算机,在Labview环境下进行滤波、频谱分析、波形显示与数据存储等处理。实验结果显示,该系统能有效完成测量任务,可用于声-地震耦合现象的进一步研究。     

声学测温技术在燃煤炉膛温度场测量中的应用

介绍了声学测温技术的国内外发展概况。对声学测温技术的原理、测温系统的基本构成进行了描述。分析了声学测量系统中声波收发单元、声波传播时间的测量、温度场重建等关键技术。讨论了燃煤炉膛内多相的烟气介质对声波传播的影响,并分析了声波收发单元的布阵形式、温度场重建算法对炉膛温度场的测量结果带来的影响。最后,对声学测温技术的发展提出了展望。     

用声学三参数判别海底沉积物性质

通过用声速-波形-振幅三参数识别技术获得海底沉积物的声速和频谱分析结果,根据声速、波形、振幅认识海底沉积物物理状态和结构特征,结合沉积层的其他地质信息,综合来判别海底沉积物性质。实验结果表明:利用声速高低、波形包络、振幅形状大小与沉积物结构、微结构、层理、颗粒成分、矿物组成、物理力学参数之间的关系,可以判别实验海区浅表层海底沉积物基本性质和划分海底沉积物钻孔岩心中古海水进退事件痕迹的埋藏深度。为声遥感遥测海底沉积物的实践作出尝试和贡献。     

南海深海体积混响及散射特性试验研究

深海中存在着众多的不均匀"水团"、分层、深海生物圈以及海底逸出气泡等,这些散射体对入射声信号的散射构成了深海体积混响。通过测量获取深海水体散射目标的散射强度,研究不同海区不同时间的体积混响,对进一步认识深海声学特性具有重要的作用,也有助于主动声呐系统的性能预报。从深海中的主要散射体的组成、分类及其特征出发,介绍了一种深海体积混响及散射特性的研究方法。通过垂直向下发射窄波束测量各个深度层上的散射强度,用直观的声学图像显示强度值。构建试验系统在南海进行了深海试验,通过处理和分析测量数据发现,深度100 m以内的鱼类和处于深海散射层的海洋生物是深海体积混响的主要贡献者。     

海底沉积物样品声衰减与温度关系的实验研究

不同海区海水温度不同,导致不同海区沉积物温度不同;实验室环境温度变化造成沉积物温度的变化。模拟沉积物的温度变化来研究沉积物声衰减的变化,分别从声衰减系数和本文提出的温变衰减系数描述声衰减。以原状样品和人工样品为例说明了在一定厚度的海底沉积物中,声波的传播能力受到沉积物本身分布的均匀度的影响,会出现不同的衰减趋势;通过定义温变衰减系数得到了海底沉积物对能量的传播能力随温度的升高而降低。     

改进粒子滤波在海底地声参数反演中的应用

海底地声参数作为海洋声信道的重要组成部分,很大程度上决定了海洋声传播特性。地声参数可以通过反演算法获得,与距离相关的地声反演问题近年来是研究的热点。粒子滤波是一种高效的序贯寻优算法,可以在海底声学特性随距离缓慢变化情形下,有效解决地声参数的估计问题。但当海底声学特性随距离变化剧烈,如沉积层分层情况发生改变时,传统的粒子滤波则可能失效。为解决此问题,有文献使用了带桥接重采样的粒子滤波反演地声参数。文章在此基础上进一步改进了粒子的采样方式,并将此方法应用到基于海底反射系数的反演中。通过仿真数据处理结果证明,文中提出的改进粒子滤波在地声参数随距离变化剧烈的情况下仍具有较好性能,可以准确地估计海底特性随距离的变化规律和海底沉积层的声学参数。     

不同浅海环境下点声源海底地震波特征研究

航行舰船在海底岩土层中引起的弹性波被称为舰船地震波,主要由舰船低频辐射噪声引起,可用于识别舰船目标。将舰船地震波简化为液固多层半无限空间低频点声源引起的地震波动问题,基于波数积分方法,通过FFP数值积分得到了海底表面声压、位移和加速度的频率特性曲线,分析了不同浅海环境对点声源海底地震波的波动特征的影响。结果表明：软质海底竖直方向加速度具有明显的低频通过特征,点声源海底地震波频域特征具有方向性;接收横距、岩土层吸收衰减系数和软硬程度、水深、沉积层厚度等均对点声源海底地震波的波动特征具有影响。     

浅海海底地形对吊放声呐探测距离的影响

吊放声呐的探测距离不仅与装备的自身性能和海洋水声环境特性有关,还受海底地形影响。利用射线声学模型,仿真分析了正声速梯度和带有跃变层声速梯度下,不同高度和深度的海底山体和海底盆地（简称：海盆）两种典型地形下的声传播特性。通过声传播特性,得出了不同高度和深度的海底山体和海盆两种典型地形对吊放声呐作用距离的影响。根据声传播特性,得出了不同海底地形下潜艇规避吊放声呐搜索的大致航行区域,给出了吊放声呐增加搜潜概率的可行性方案。     

浅海水平线阵接收海底混响序列仿真

混响序列仿真作为海上实验的替代手段,可为声呐设计及抗混响技术研究提供数据支撑。借助简正波理论研究海底散射声场,将海底散射场视为海洋传输网络形成的传递函数,在此基础上将海底散射微元按方位角均匀划分,依据阵元间的相位关系给出了水平线阵接收海底混响序列的仿真方法。以负梯度浅海环境为例进行了混响仿真,并对仿真序列的频谱特征、统计特征、空间相关特征进行了验证,结果表明该方法获得的混响序列特性与理论预测相符,可以为抗混响技术研究提供参考。     

Determining subsea permafrost characteristics with a cone penetrometer — Prudhoe Bay,Alaska

Sediments beneath the Beaufort Sea near Prudhoe Bay, Alaska, were probed at 27 sites using a static cone penetrometer to determine engineering properties and distribution of material types, including ice-bonded sediments. The probe, designed and constructed at the Cold Regions Research and Engineering Laboratory, provided both point and casing resistance data and thermal profiles. At five sites these data were correlated with information from adjacent drilled and sampled holes. These control data and the quality of the probe information permitted profiles of sediment type and occurrence of ice-bonded material to be developed along three lines that included various geological features and depositional environments.Material properties were quite variable in the upper 14 m of sediments probed. In general, softer, finer-grained sediments occurred in the upper layers, while penetration refusal was met in stiff gravels 10 to 12 m below the seabed.Seabed temperatures during the study were all below 0°C. However, because of uncertainties in freezing point values caused by brines, evaluation of the penetration resistance data was required to identify the occurrence of ice-bonded sediments. The coupling of thermal and penetration resistance data revealed that seasonally ice-bonded sediments occurred where the sea ice froze back to or near the seabed. Deeper, perennially frozen sediments also appeared to be present at several probe sites.     

基于深海声影区海底反射损失的地声参数反演方法

海底的声速、密度、衰减系数等地声参数,在声场预报、目标定位中十分重要。因地声参数原位测量和海底采样在深海中实施困难,需要寻找新的方法来获取地声参数。在深海声影区环境下,直达波会随着距离的增加而逐渐消失,一次反射波及多次反射波是对深海声影区声场起重要作用的多途信号。文章首先对声影区多途达到结构进行分析,利用多次比较法得到随掠射角变化的反射损失,并对海底地声参数进行反演,然后将反演的地声参数代入声场模型得到海底反射损失,将其与实验测量结果进行比较,结果吻合较好。并通过对反演过程的散点图和后验概率进行分析,证明了反演结果的可靠性。该方法可用于深海声影区的海底地声参数的反演。     

浅海海底单参数模型分析与研究

介绍了单参数模型,提出以小掠射角下反射损失随掠射角的变化率Fd B作为描述海底性质的单参数,并分析研究了该海底单参数模型的适用性,分析得到,当频率不低于数十赫兹且海底沉积物类型属于高声速海底时,单参数模型可以用来描述海底性质。还研究了海水声速对于海底单参数模型描述水下声场的适用性的影响,结果表明,当海水声速剖面可以近似等效为均匀水层时,可用海底单参数模型对水下声场进行预报应用。     

基于自组织神经网络的声学底质分类研究

研究利用多波束测深系统获取的反向散射强度数据,应用自组织(Self Organizing Map,简称SOM)神经网络分类方法实现了对海底泥、砂、砾石和基岩等底质类型的快速、有效识别。通过实验示例,将SOM神经网络的分类结果与传统海底地质取样获取的真实底质类型进行分析比较,表明该方法是可行和有效的。     

基于相空间方法的海底底质分类

基于相空间重构方法,从海底回波信号的相平面和相空间中提取了三个特征量:一阶距、相似序列重复度和熵,应用于海底底质分类。通过对海上实验数据的分析表明:这三个特征参数能有效地将两类海底分开,结果与海底采样分析吻合良好。