高浓度悬浮泥沙的声学观测

第25卷 第6期海 洋 学 报Vol.25,N o.6 2003年11月ACTA OCEANOLOGICA SINICA Nov ember,2003

高浓度悬浮泥沙的声学观测

张叔英1,钱炳兴1

(1 中国科学院东海研究站,上海200032)

摘要:在分析高浓度悬浮泥沙的声衰减机理和进行实验研究的基础上,研制了两种

型号的超声波观测仪器(U BD-500/1500超声重度计)用于悬浮泥沙浓度剖面的连

续和实时观测,并且已经在长江口航道的浮泥探测、黄河小浪底水库的泥沙观测中得

到应用.讨论了测量原理和仪器的设计、标定等问题.这种基于声衰减测量原理的

观测仪器的主要优点是标定简便和稳定,含沙量观测范围为10~800kg/m3,标定后

的测量误差可达5%(F S ).

关键词:高浓度悬浮泥沙;声学观测;声衰减测量原理

中图分类号:T V143+.6;P733.21+6 文献标识码:A 文章编号:0253-4193(2003)

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1 引言

对水中低浓度的悬浮泥沙可以根据声散射的原理进行观测.由于在低浓度(通常指水中含沙量小于10kg/m3)和瑞利散射(即泥沙粒径远小于声波波长)的条件下,声后向散射强度与泥沙浓度成正比,因而使用声呐技术测量声后向散射强度,再通过适当的标定就能够实时地观测水中泥沙浓度的时空分布,获得水中泥沙的实时动态变化图像[1~3].在国内外这种测量声后向散射的声呐观测系统(ABS系统)已经被广泛和有效地应用于水中泥沙动力过程的观测和沉积动力学有关问题的研究[4~9].

在水中含沙量达每立方米几十到几百千克的高浓度悬浮泥沙的情况下(如长江口水底的浮泥、黄河汛期的浑水、矿浆和水煤浆等),由于泥沙颗粒之间的相互作用(多次散射波和黏滞波)十分严重,上述声散射测量方法就不再适用.同样,对太高的泥沙浓度范围,人们熟知的光学测量(不论是测量光的透射强度或后向散射强度)方法无能为力,而 射线测沙仪则因对人体放射性危害和使用不便而被逐渐淘汰.至今对高浓度悬浮泥沙(泥浆)的浓度测量主要还是采用称重法,也就是用一个容器取得一定体积的泥浆后用天平称读出重量(如ANB-1泥浆比

收稿日期:2003-02-28;修订日期:2003-04-06.

基金项目:上海市科学发展基金资助项目(025907017).

作者简介:张叔英(1938 ),男,江苏省苏州市人,研究员,从事海底地形剖面及海水中悬浮泥沙的声学探测研究.

重计),得出泥浆的重度值(即单位体积的重量)以后再换算成含沙量.更精确的做法是把取得的一定体积的泥浆烘干以后再称得其固体泥沙的重量(即烘干称重法),从而直接得出含沙量的数值.显然称重法不可能在现场对泥沙浓度进行实时和连续的测量.

颗粒介质中的声衰减理论指出:在一定的范围内,高浓度悬浮泥沙的声衰减系数与泥沙浓度之间近似为1次方关系,这就为应用声学方法对高浓度悬浮泥沙的浓度进行实时和连续的观测提供了可能.通过在长江口、杭州湾和黄河小浪底水库采集到的大量泥沙样品的声衰减进行测量,得到了声衰减系数随泥沙浓度和声波频率变化的实验数据和经验公式,为设计高浓度悬浮泥沙的超声波观测仪器提供了直接的依据.在此基础上研制成功了超声波频率分别为500和1500kHz 的泥沙浓度观测仪器,并分别在长江口航道的浮泥探测、黄河小浪底水库的泥沙测量和水力发电机进水口的含沙量监测等工作中已经得到应用.

2 高浓度悬浮泥沙的声衰减

超声波在悬浮泥沙中传播的声衰减机理比较复杂,多年来国内不少研究者在理论和实验上作了很多的研究[10~12].一般认为,在悬浮泥沙中干泥的体积百分比低于20%的情况下,声

衰减系数可以由U rick-Lamb 公式计算[12]:2 =N a

249k 4a 4+34 ka s(!-1)2s 2+(!+∀)2,(1)

式中,

s =94#a 1+1#a , ∀=12+94#a ,

!=∃s /∃w , #=(%/2&)1/2,(2)

k 为超声波的波数;%为角频率;a 为泥沙粒子的半径;&为液体的黏滞率;N 为单位体积内的泥沙粒子的数目(正比于干泥体积百分比);∃s /∃w 为泥沙粒子(干泥)的重度与液体的重度之比(也就是两者的比重之比).

由式(1)可以得出以下几点结论:

(1)在悬浮泥沙中干泥体积百分比低于20%的情况下,声衰减系数和干泥体积百分比(也即与含沙量)成正比;

(2)悬浮泥沙的声衰减包括散射衰减(第1项)和黏滞衰减(第2项)两部分;在超声波的波长远大于泥沙粒径(ka 1)的条件下,声衰减中散射衰减部分可以忽略,主要声衰减是黏滞衰减;

(3)在含沙量不变和以黏滞衰减为主的情况下,满足#a 1条件的低频率声衰减系数与频率的2次方成正比,并与泥沙粒径的2次方成正比;满足#a !1条件的高频率声衰减系数与频率的1/2次方成正比,与泥沙粒径则成反比;实验表明,在几千赫到几兆赫的频率范围内,声衰减系数近似地与频率的1次方成正比;

(4)在超声波的频率增高到波长接近或小于泥沙粒径(ka !1)的情况下,声衰减主要由散射衰减决定,当含沙量不变时声衰减系数和泥沙粒径的3次方成正比;

为了研制一个实用的观测高浓度悬浮泥沙(泥浆)浓度的超声波仪器,最直接和可靠的途径是通过实验确定超声波的声衰减与频率、泥沙浓度之间的变化规律,从而可以根据测量的指556期 张叔英等:高浓度悬浮泥沙的声学观测

标要求正确地选取仪器的设计参数.高浓度悬浮泥沙的声衰减的测量是在实验室里的一个43 cm∀35cm∀20cm的水槽内进行的,测试的泥沙样本分别从长江口和杭州湾的水底浮泥层中用抽水泵吸取.通过土质和粒径的分析得知,长江口的泥样为亚砂土(含亚黏土),平均粒径为0 043mm;杭州湾的泥样为亚黏土,平均粒径为0 013mm.

在水槽中配制不同含沙量的泥浆并搅拌均匀后,采用#一个发射,两个接收∃的方法进行超声波的声衰减测量[13].实验所用的声脉冲信号的频率分别为100,150,500和1500kH z,声脉冲信号的宽度为0 1ms.对超声波发射换能器和接收换能器之间的距离要适当选定,使得

图1 长江口和杭州湾泥沙的声衰减

与重度的关系直达声信号与从其他途径到达的声信号能够明显地分开.测量过程中应尽可能地排除泥浆所含的气泡,以减小测量误差.实验表明,泥浆的含沙量愈低,气泡对声衰减测量精度的影响愈大,但含沙量大于50kg/m3后,气泡的影响就可以忽略,声衰减测量的精度和重复性也就较好.

长江口和杭州湾两种泥样的声衰减测量结果如图1所示,图中的横坐标(∃)是悬浮泥沙的重度,纵坐标是泥浆声衰减系数(∋).表示悬浮泥沙浓度的三个物理量:重度(∃),含沙量

(M)(以kg/m3为单位)、干泥体积百分比(C p)(以%表示)之间的关系由下式决定:

M=C p∀100∃s=2720C p,(3)

∃=M/100+∃w(1-C p)=M/100+∃w-M∃w/100∃s

=∃w+(M/100)(1-∃w/∃s)=10+M/158,(4)式中,取干泥重度∃s=27 2kN/m3;水的重度∃w=10 0kN/m3.

根据图1,对某一给定的频率(f),泥浆重度∃=10 00~15 0,声衰减系数随着重度的增加而线性增加;同样,对某一给定的重度,声衰减系数随频率的增加而线性增加.经过分析归纳,可以得出悬浮泥沙的声衰减系数与其重度及频率之间的近似关系式:

∋=B(∃-∃w)f+∋w(f),(5)式中:f以kHz为单位;∃%(10 0,15 0);∋w(f)是水在频率为f时的声衰减系数(通常比悬浮泥沙的声衰减系数小得多);B是一个与测量区域的泥浆的物理性质(如颗粒大小、黏滞性等)有关的常数,对长江口,B=0 072,对杭州湾,B=0 080.我国长江、黄河中的泥沙平均粒径为几十微米的量级,因而在上述频率范围内悬浮泥沙的声衰减主要由黏滞衰减引起,并且声衰减系数随着平均粒径的减小而增加.这说明在相同的泥浆重度和频率的情况下,杭州湾泥沙的声衰减要比长江口泥沙的声衰减大的原因.

3 悬浮泥沙浓度的声学测量

3 1 测量原理

把一对相隔一定距离(d)的发射和接收超声换能器,面对面地安装在一个水下探头的钳56海洋学报 25卷