气泡的声学特性分析报告
声波气泡共振实验报告
摘要：本实验旨在探究声波与气泡共振现象，通过观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，分析共振频率对气泡振动的影响，并验证声波能量传递的原理。
实验结果表明，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
一、实验目的：1. 研究声波与气泡共振现象，分析共振频率对气泡振动的影响。
2. 验证声波能量传递的原理，探究声波与气泡相互作用的关系。
3. 掌握实验仪器操作，提高实验技能。
二、实验原理：共振现象是指当外力频率与系统的固有频率相匹配时，系统振动幅度显著增大的现象。
在声波与气泡相互作用的过程中，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，声波能量在气泡中有效传递。
三、实验仪器与材料：1. 气泡发生器2. 超声波发生器3. 频率计4. 激光测距仪5. 气泡计数器6. 水箱7. 水泵8. 计算机及数据采集软件四、实验步骤：1. 将气泡发生器连接到超声波发生器，调节超声波发生器输出频率。
2. 将水箱置于气泡发生器上方，开启水泵，使水箱内水位保持稳定。
3. 在水箱内加入一定数量的气泡，并使用气泡计数器记录气泡数量。
4. 使用激光测距仪测量气泡距离水面高度，记录数据。
5. 调节超声波发生器输出频率，分别进行不同频率的声波作用实验。
6. 观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，记录气泡振动幅度。
7. 使用计算机及数据采集软件处理实验数据，分析共振频率对气泡振动的影响。
五、实验结果与分析：1. 在实验过程中，观察到气泡在不同频率声波作用下的振动情况。
当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
2. 通过实验数据分析，发现共振频率与气泡固有频率存在一定的关系。
当声波频率逐渐接近气泡固有频率时，气泡振动幅度逐渐增大；当声波频率等于气泡固有频率时，气泡振动幅度达到最大；当声波频率继续增大时，气泡振动幅度逐渐减小。
3. 实验结果还表明，声波能量在气泡中有效传递。
气泡音研究报告
气泡音研究报告引言气泡音作为一种常见的自然现象，广泛存在于日常生活中的各个方面，如水中的气泡、沸腾的水、汽车排气管中的气泡音等。
在科学研究和工程应用中，了解气泡音的产生原理和特性对于改进设备设计、优化工艺流程以及保障系统的正常运行具有重要意义。
本文将对气泡音的产生、传播、衰减等方面进行研究和分析。
产生机理气泡音的产生是由气泡在液体中产生、生长和破裂的过程引起的。
当液体中存在气体时，由于环境的改变或气体的释放，气泡在液体中产生。
气泡的生长过程是气体不断进入气泡内部，使其体积变大。
当气泡的体积超过液体中的承载能力时，气泡破裂，产生气泡音。
气泡的生长速率与多种因素相关，如气体溶解度、液体温度、液体粘度等。
当液体中气体溶解度低、温度高、粘度小时，气泡的生长速率较快，产生的气泡音较大。
传播特性气泡音的传播特性与气泡破裂时产生的声波有关。
当气泡破裂时，液体中的能量以声波的形式传播出去，形成气泡音。
气泡音的传播距离与声波的频率、液体的性质和环境条件有关。
通常情况下，高频声波的传播距离较短，而低频声波的传播距离较远。
液体的性质对气泡音的传播也有一定影响，高粘度的液体能够吸收更多的声波能量，使气泡音传播距离减小。
影响因素气泡音的大小和持续时间受多种因素的影响。
主要的影响因素包括气泡的体积、液体的性质、气体的性质、环境的压力等。
气泡的体积是影响气泡音大小的重要因素。
体积较大的气泡在破裂时产生的声波能量较大，因此气泡音较大。
液体的性质也对气泡音有影响，高粘度的液体能够减弱气泡破裂时的声波传播，使气泡音减小。
气体的性质和环境的压力也会影响气泡音的大小和频率。
应用领域气泡音的研究在多个领域具有实际应用价值。
以下是几个主要领域的应用案例：工业生产在工业生产中，气泡音的研究可以帮助优化流程和提高效率。
通过分析气泡音的产生和传播机理，设计合适的装置和控制系统，可以减少气泡噪音对生产环境和设备的影响，提高生产效率和产品质量。
医学领域在医学领域，气泡音的研究对于改善超声诊断技术、提高手术治疗效果具有重要意义。
液体内含气泡时的传声特性研究
液体内含气泡时的传声特性研究姚文苇【摘要】利用球贝塞尔函数及汉克儿函数,气液交界处的质点振动速度和应力的连续条件,研究了声波在气-液两相介质内的传播特性.基于波数与区域半径乘积小于1的条件下,求解了两相介质内声传播的参数,即等效弹性系数、等效密度、声速及衰减系数;并得到声速及衰减系数随气泡体积比的变化曲线.结果表明,气泡的存在使声速下降,衰减系数增大,气泡的半径大小对其有一定的影响;声波频率偏低时,气泡对声速影响较明显;频率较高时,声波的能量损失较大.所得的结论与文献中的结果的相似,其结果将为含气泡液体内声传播的应用提供重要的理论依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)028【总页数】4页(P188-190,219)【关键词】等效波数;等效密度;声特性;气泡【作者】姚文苇【作者单位】陕西学前师范学院,西安710100【正文语种】中文【中图分类】TB525液体中附着在固体杂质、微尘或容器表面上及细缝中的气泡，或在液体中由于涡流或声波等物理作用，在液体和液-固界面形成微小泡核［1—3］。
液体中的气泡会改变声波在液体内传播时的压力分布，从而使其声学特性参数(如弹性系数和密度)有所变化。
国际上很多学者研究利用声衰减和声色散的性质对海洋远距离气象实时监控及预测;生物医学领域利用它对血流及生物组织超声成像。
高永慧等［3］、赵晓亮［4］分别研究了两相介质中声波透射、声波传播的特性参数及在高黏度介质(如硅树脂和糖浆)中声波的传播性质。
通常两相介质声波的传播易受气泡的位置状况和大小分布的影响，同时声源的位置及形状及容器的参数等因素也会产生一定的效应［5］，从而使得声波的传播呈现非线性特征，给定量研究增大了难度。
最近，王成会等［6］利用气泡液体内的振动方程，结合声波空化效应，研究了两相介质内的传播;王勇等［7］对声波动方程进行线性化处理，在满足的基础上，探讨气泡的含量和大小、声波的频率对介质内传声特性的影响;姚文苇［8］基于声压的贝塞尔函数研究了气泡对液体中声波传播速度的影响，李灿苹等［9］探讨了气泡对海水中声波传播速度的影响。
气泡的小实验报告
一、实验目的1. 了解气泡的形成原理；2. 探究不同条件下气泡的特性；3. 通过实验验证气泡在生活中的应用。
二、实验原理气泡是气体在液体中形成的一种微小封闭空间。
当液体中的气体分子聚集到一定浓度时，便会在液体表面形成气泡。
气泡的形成与液体的表面张力、温度、压力等因素有关。
三、实验材料1. 水杯；2. 洗洁精；3. 吹管；4. 温度计；5. 压力计；6. 橡皮膜；7. 橡皮圈；8. 纸巾。
四、实验步骤1. 将水倒入水杯中，加入少量洗洁精，搅拌均匀；2. 将吹管插入水杯中，轻轻吹气，观察气泡的形成过程；3. 记录气泡的数量、大小和上升速度；4. 改变水温，重复步骤2和3，观察气泡的变化；5. 改变水杯中的压力，重复步骤2和3，观察气泡的变化；6. 将橡皮膜套在吹管上，将橡皮圈套在橡皮膜上，重复步骤2和3，观察气泡的变化；7. 将纸巾覆盖在水杯上，用吹管轻轻吹气，观察气泡的变化。
五、实验现象1. 气泡在水杯中形成，数量、大小和上升速度与实验条件有关；2. 当水温升高时，气泡的数量、大小和上升速度增加；3. 当水杯中的压力降低时，气泡的数量、大小和上升速度增加；4. 橡皮膜和橡皮圈可以改变气泡的形状和大小；5. 纸巾覆盖在水杯上时，气泡不易形成。
六、实验结论1. 气泡的形成与液体的表面张力、温度、压力等因素有关；2. 气泡在生活中的应用广泛，如泡沫灭火器、气泡膜等；3. 通过改变实验条件，可以控制气泡的数量、大小和上升速度。
七、实验拓展1. 探究不同液体（如酒精、盐水等）的表面张力对气泡形成的影响；2. 研究不同气体（如氧气、氮气等）在水中的溶解度对气泡形成的影响；3. 设计实验验证气泡在食品加工、化工生产等领域的应用。
八、实验注意事项1. 实验过程中注意安全，避免烫伤；2. 实验操作要轻柔，以免破坏气泡；3. 实验数据要准确记录，以便分析。
通过本次实验，我们了解了气泡的形成原理，探究了不同条件下气泡的特性，并验证了气泡在生活中的应用。
淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究——以乐昌峡水库为例
第４２卷第４期２０２１年㊀７月水生态学杂志J o u r n a l o fH y d r o e c o l o g yV o l ．４２,N o ．４J u l ．㊀２０２１D O I :１０．１５９２８/j．１６７４３０７５．２０１９０６１２０１５４㊀㊀收稿日期:２０１９０６１２㊀㊀修回日期:２０２１０２２５基金项目:广州市科技计划项目(２０１７０７０１０４４８);广东省渔港建设和渔业产业发展专项;中国水产科学研究院珠江水产研究所自主科技创新项目(E C ２０１９６).作者简介:武智,１９８８年生,男,助理研究员,主要从事渔业资源及渔业声学研究.E Ｇm a i l :w z ＠p r f r i ．a c ．c n通信作者:谭细畅.E Ｇm a i l :ji m t x c ＠h o t m a i l ．c o m 淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究以乐昌峡水库为例武㊀智１,李新辉１,谭细畅２,李㊀捷１,朱书礼１,张迎秋１(１．中国水产科学研究院珠江水产研究所,广东广州㊀５１０３８０;２．珠江水资源保护科学研究所,广东广州㊀５１０６１１)摘要:淡水湖泊和水库底部沉积物产生的甲烷(C H ４)常以气泡方式从水中逸出,由于气泡目标强度(t a r ge t s t r e n g t h ,T S )分布范围与鱼类目标强度高度重合,导致信号误判而影响数据处理.２０１７年７月,使用分裂波束渔探仪S i m r a dE Y ６０(１２０k H z ,２００W )在北江水系乐昌峡水库进行声学探测,研究不同航速下的信号类别,为水下气体跟踪㊁温室气体释放通量㊁水体底质演变及渔业资源评估提供参考依据.结果显示,气泡(多数)和鱼类(少数)为乐昌峡水库主要声学散射体,与鱼类信号的随机性相比,气泡具有一定的规律性,一直上升且水平位移较小,气泡与鱼类在相对游泳速度㊁垂直方向变化㊁目标轨迹的垂直变化等变量存在显著差异(P ＜０．０１).气泡在水中的平均上升速度为２３．９５c m /s ,９５％置信区间为２３．１７~２４．７４c m /s ;平均气泡目标强度为６０．０９d B ,分布范围为７３．８２~３３．２９d B ,半径范围０．２０~２１．６５mm ;气泡在上升过程中速度逐渐减慢,半径逐渐减小,与水深呈显著相关关系(r ＝０．９９,P ＜０．０１).船速＜３k m /h ,回波图能清晰分辨气泡和鱼体信号,可作为目标运动轨迹识别依据.关键词:乐昌峡水库;气体释放;声学信号;气泡特征中图分类号:X ８２７㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:１６７４３０７５(２０２１)０４００３２０８㊀㊀大气温室气体浓度增加及全球气候持续性变暖引发的一系列生态与环境问题已引起人们对温室气体 源/汇 的广泛关注.水生生态系统作为温室气体重要的源和汇,对大气环境中温室气体浓度变化具有重要影响(杨平和仝川,２０１５).温室气体释放过程具有高度的时空异质性,释放方式多样,且释放过程受到诸多因素影响,导致评估其释放的不确定性增大.自２０世纪以来,温室气体的高强度排放,导致每年大气中的甲烷(C H ４)浓度以１％的速率增长(S h e r w o o d ,１９８５).相较于河流,水库相对封闭的深水环境和静水特征,使得水体中的物质更容易汇集㊁沉积,生产与分解过程比较活跃(程炳红等,２０１２).有学者认为,在亚马逊流域,水电站库区排放的温室气体大于同等发电量的化石燃料碳排放量(F e a r n s i d e ,１９９５).当前,主要有气体收集器㊁视频/图片和超声探测技术３种方法测量气体排放.前两种方法可以在限定的区域内量化气体释放量,目前的研究主要集中于池塘㊁湖泊㊁水库等静水水体(王洪君等,２００６;Z h e n g e t a l ,２０１１;杨平等,２０１３);在水生沉积物中,由于气体排放过程中,其高度的时空异质性及宏观和微观的间断性,导致前两种方法无法在大水域内量化气体释放通量,而声学技术则以其快速㊁覆盖面积大等优势,允许对气泡的空间异质性进行无干扰评估(O s t r o v s k y ,２００３;O s t r o v s k ye t a l ,２００８).国外相关研究较多,主要用来评估气泡通量(O s t r o v s k y eta l ,２００８)㊁时空变化(O s t r o Ｇv s k y,２００３)及其固有特征(V e l o s oe t a l ,２０１５).如O s t r o v s k y (２００９)在有气泡渗透的区域进行鱼类资源评估时,发现在低船速下,可通过回波图上轨迹直观分辨鱼和气泡;W e i d n e r 等(２０１８)利用宽带技术对气泡通量进行评估,并与散射模型比较气泡半径和上升速度,发现两种方法结果一致.声学技术最初引入海洋渔业资源研究领域,由于其快捷㊁取样率高,且不损害生物资源等优点,在世界渔业发达国家迅速得到应用与推广.随着近年来生态系统监测及研究的需求,目前声学技术已成为观测和掌握渔业资源变动的重要手段,我国近海和内陆水域鱼类分布为多种类混栖型,因此信号判别一直为渔业声学研究的难点和重点.通过鱼类生态习性研究及对应声学回波的网具采样对比分析,在不同生境条件下较大规模的经济种类可以进行识别(谭细畅等,２００９a;２００９b),其他混栖种类仍无法鉴别.随着声学技术的进步及仪器设备性能的提高,宽带技术可通过对目标散射体频率响应进行信号判别,为解决多种类混栖的识别问题提供可能(J e c he t a l,２０１７;Y a ne t a l,２０１９).在渔业资源研究中,气泡信号属于 混响 ,而在水体温室气体释放研究中,气泡属于主要散射体,因此在不同调查目的下的信号识别显得十分重要.在热带亚热带地区,河流㊁湖泊㊁水库众多,植被丰富,大量有机质随水流进入水体;此外,人类活动导致水体富营养化,盛长的藻类不能通过食物链输出,沉积于水底,有机质分解时会排放大量的温室气体(G u e r i ne t a l,２００６).因此,分析水底气体释放,也是研究水生态系统状态的手段.目前,国内主要通过收集气体研究水气界面气体释放通量㊁变化特征及其影响因素(喻元秀等,２００８;李哲等,２０１４;汪国骏等,２０１７),对于水体中气泡形态㊁特征及其时空变化并无研究.本研究首次针对水体声学信号进行分析,探讨水下气体的信号特征㊁运动规律㊁识别方法,为研究水下气体跟踪㊁温室气体释放通量,分析河流㊁湖泊㊁水库底质与演变提供一种思路;同时,以期在渔业资源评估中减少信号误判,提高资源评估准确度.１㊀材料和方法１．１㊀研究区域概况乐昌峡水利枢纽地处广东㊁湖南两省交界,下距乐昌市约１４k m,位于北江支流武江乐昌峡河段,是以防洪㊁发电为主,兼顾航运㊁灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程,２００９年截流,２０１３年蓄水至正常水位１５４．５m.枢纽集雨面积４９８８k m２,坝址多年平均径流量４３．６１亿m３,多年平均流量１３８m３/s.１．２㊀数据收集与处理２０１７年７月１７１８日,使用S i m r a dE Y６０对研究区域进行了走航调查,设计航线为 之 字型,具体路线根据江面实际情况进行调整.鱼探仪工作频率１２０k H z,功率２００W,３d B波束宽(b e a m w i d t h)７．０ʎ,脉冲宽度(p u l s e d u r a t i o n)２５６μs.调查船为渔船,长约６m,换能器垂直向下,吃水深度约０．５m.船速可分为两个阶段,初始阶段为５~６k m/h,当发现回波图中存在大量气泡信号时,随即将船速降至２~３k m/h.根据覆盖率计算公式可知(A g l e n,１９８３),本次探测覆盖率为８．２６.原始声学数据(．r a w)使用声学处理软件E c h oＧv i e w４．９ ,该软件可根据目标的距离,通过时变增益(T V G)自动补偿接收到的回波信号(电压),回波计数采用４０l o g１０(R)T V G.根据气泡特征,最小声学阈值设置为７５d B(O s t r o v s k y,２００３).气泡与谐振腔相似,在声波作用下近似地作均匀变形,因此相当于一个弹性元件,其尺寸通过后向散射强度计算,其他变量计算公式如下(G r e i n e r t& N u t z e l,２００４):σb s＝１０T S１０①r＝σb s②f０＝r２π３γP０ρ③δs＝２πσb s④V０＝４３πr３⑤式中:σb s为声学散射强度;T S为气泡目标强度;r为气泡半径;f０为小气泡的谐振频率,即共振频率;γ为气体等压比热的比值,对于标准状态下的空气来说,γ＝１．４１;P０是作用于气泡的压力;ρ为介质密度;δs为气泡表面积;V０为气泡体积.２㊀结果２．１㊀气泡类型本次调查中,气泡(少量鱼体回波)是乐昌峡水库中主要的声学散射体.在船速较快㊁水深较浅时,很难在回波图中区分鱼体与气泡;相反,船速较慢(ɤ３k m/h),在深水层同一目标连续出现的多个脉冲中,则很容易分辨鱼体与气泡(图１).本次研究主要发现有以下几种气泡类型:(１)气泡柱(b u b b l e f l a r e s或b u b b l e p l u m e),其形状与真实的水泡较为相似(图１a),沉积物具有较高的C H４产生速率,气泡呈连续串状;(２)在船速较慢时,可以清楚地看到气泡从水底产生并逐渐上升的过程(图１b),此种类型气泡比较少见;(３)可分辨的单串气泡流,当水流和调查船航行方向相同时,气泡在上升过程中会产生向右倾斜的映像(图１c);如果两者方向相反,则气泡上升会产生向左倾斜的映像(图１d).３３２０２１年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀武㊀智等,淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究 以乐昌峡水库为例㊀㊀(a)气泡柱,船速约为３k m/h;(b)气泡从水底产生并上升,船速约为１k m/h;(c)调查船航行方向与水流方向相同时,气泡流在回波图上向右倾斜;(d)调查船航行方向与水流方向相反时,气泡流在回波图上向左倾斜.图１㊀典型气泡声学回波影像㊀㊀(a)B u b b l e f l a r e s a t a s u r v e y s p e e d o f３k m/h;(b)B u b b l e s f r o ms e d i m e n t r i s i n g a t l o wb o a t s p e e d(１k m/h);(c)B u b b l e s s l a n t i n g r i g h t o n a ne c h o g r a m w h e n t h ew a t e r c u r r e n t a n d s h i p a r em o v i n g i n t h e s a m e d i r e c t i o n;(d)B u b b l e s s l a n t i n g l e f t o n a n e c h o g r a m w h e n c u r r e n t a n d s h i p a r em o v i n g i no p p o s i t e d i r e c t i o n s．F i g．１㊀S p l i tＧb e a me c h o g r a ms h o w i n g t y p i c a l h y d r o a c o u s t i cm a n i f e s t a t i o n s o f r i s i n g m e t h a n e b u b b l e s２．２㊀气泡特征２．２．１㊀上升速度㊀气泡在水中的平均上升速度为２３．９５c m/s,９５％置信区间为２３．１７~２４．７４c m/s (n＝３６０).在上升过程中速度逐渐减慢,水底气泡速度大于气泡柱顶端气泡速度.气泡上升速度与气泡目标强度(t a r g e ts t r e n g t h,T S)呈相关关系(r＝０．３０１,P＜０．０１),即气泡T S越大,气泡上升速度越快.２．２．２㊀垂直变化㊀气泡T S范围为７３．８２~３３．２９d B,平均T S为６０．０９d B.由图２可见,气泡在上升过程中,T S逐渐减小.为了计算气泡尺寸,假定研究区域气泡在本次调查声学设备频率附近无共振.根据式①和式②转换可知,平均半径为１．６５７mm,半径范围０．２０~２１．６５mm,９５％置信区间为０．２９~３．０２mm;通过式⑤得气泡平均体积为０．０１７m L,范围为０．０００１４~３８．７m L.将水深每隔２m划分一个水层,对每一层气泡信号频率分布求平均值.由图３可见,气泡在上升过程中半径逐渐减小,利用P e a r s o n进行相关性分析,可见气泡半径与水深呈显著相关关系(r＝０．９９,P＜０．０１),气泡半径与水深的回归方程为:y＝０．０３５９x＋０．７４９１(R２＝０．９５３１).根据式③及式④可知,１２０k H z的换能器工作频率下,调查水域气泡的共振半径为０ ０２７~０．０５５mm.图２㊀上升过程中气泡目标强度随水深的变化趋势F i g．２㊀A v e r a g eT S o f b u b b l e s s l i g h t l y d e c r e a s e df r o mt h e n e a rＧb o t t o mt o t h e u p p e r ２．２．３㊀不同类型气泡目标强度分布㊀本次监测中,气泡主要有２种类型,即可分辨的单串气泡流(s i nＧg l eb u b b l ef l a r e,S B F)和气泡柱(b u b b l ef l a r e s, B F S).图４为两种不同类型气泡目标强度(T S)频率分布,可见其分布走向基本一致,均呈单峰型分４３第４２卷第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀水生态学杂志㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年７月布,S B F 平均T S 为６０．２９d B ,峰值约为５８d B ;B F S 平均T S 为５６．９７d B ,峰值约为５２d B.图３㊀气泡半径与水深的关系F i g ．３㊀R e l a t i o n s h i p be t w e e nb u b b l e r a d i u s a n dw a t e r d e pth 图４㊀不同类型气泡目标强度的频率分布F i g ．４㊀T S Ｇf r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s o f d i f f e r e n t b u b b l e t y pe s ２．３㊀气泡与鱼类信号差异船速小于３k m /h 时,声学回波映像中鱼体信号与气泡有明显差别.人为选取了１６５个典型的声学信号(７２个气泡信号㊁９３个鱼体信号)进行分析,通过对E c h o v i e w 输出的变量进行手动处理,剔除描述性的变量,使用S P S S 对剩余的２２个变量进行方差分析.结果显示,其中１２个变量之间存在显著差异(P ＝０．００),结合两种信号的特征及各变量表征的意义,选取出相对速度㊁垂直方向变化㊁目标垂直变化㊁距离和共计４个变量检验气泡信号(B S )与鱼类信号(F S )之间的差异,统计结果见表１.相对速度是目标水平方向的相对游泳速度,５０％鱼类相对速度在１．０~１．５m /s ,５０％气泡相对速度在０．８~１．２m /s;垂直方向变化主要是用来描述信号的迁移方向(９０,９０),鱼类垂直方向变化有正有负,５０％变化范围为３ʎ~５ʎ;而气泡垂直方向变化全部为正,５０％变化范围为１２ʎ~１８ʎ,表明气泡一直在上升,而鱼类则无明显规律;目标轨迹的垂直变化为轨迹中第一个信号与最后一个信号的差值,气泡信号全部为负,鱼体则有正有负.距离和是指相邻单体信号之间的距离之和.由于气泡在波束中水平位移较小,因此距离和较小;而鱼类则无明显规律,距离和相对气泡较大(图５).表１㊀不同变量方差检验结果T a b ．１㊀V a r i a n c e f o r e a c hb u b b l e s i gn a l 变量信号类型均值ʃ标准差９５％置信区间变异系数FP相对速度/m s １F S １．３２２ʃ０．４４０１．２３１~１．４１３B S １．０３０ʃ０．２２４０．９７７~１．０８２０．０４１２６．５６００．００垂直方向变化/ʎF S １．２７８ʃ８．０９７０．３９８~２．９５５B S １６．１１１ʃ８．１２３１４．２１６~１８．００７１０９．２０２１３６．１９７０．００目标垂直变化/mF S ０．００７ʃ０．０４１０．０１６~０．００１B S ０．０５３ʃ０．０２２０．０５８~０．０４８０．００１７３．６１７０．００距离和/mF S ０．４６６ʃ０．０８２０．４０７~０．５２５B S０．２２１ʃ０．２５１０．２０２~０．２４１０．０２９４９．９１３０．００３㊀讨论３．１㊀气泡信号与鱼类信号存在显著差异随着水电站的建设,大量土地被淹没,土壤中的有机碳就会产生并释放大量的C O ２和C H ４,在蓄水的前几年里,排放量很高,大约２０年后,排放会趋于稳定,达到接近天然湖泊的排放水平(D i e m ,２００８).乐昌峡水利枢纽于２００９年截流,２０１３年蓄水至正常水位,水库蓄水淹没了大量植被,底部沉积了大量有机质,加上南方水温较高,有机质分解就会产生大量温室气体.㊀㊀本次研究结果显示,气泡为乐昌峡水库主要声学散射体,因此推测调查期间该水库处于大量释放温室气体时期,为温室气体的源.G r e i n e r t 等(２００６)通过对孔隙水和天然水合物的气体分析,发现气泡成分９９．４％为C H ４;K e l l e r &S t a l l a r d (１９９４)对巴拿马一湖泊研究发现,９８％的C H ４通过气泡排放途径进入大气,而C O ２通过气泡排放的比例不到２％;其他相关研究也得出相似结论(Y a n g e t a l ,２０１３).C H ４是通过厌氧降解有机物在沉积物中产生,由于其溶解性低,气泡排放是其进入大气的主要方式(A n d e r s o n &M a r t i n e z ,２０１５);相较于５３２０２１年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀武㊀智等,淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究 以乐昌峡水库为例图５㊀鱼类和气泡信号不同变量的箱形图F i g．５㊀B o x p l o t s o f d i f f e r e n t p a r a m e t e r s u s e d t od i s t i n g u i s h f i s h f r o mb u b b l e s i g n a l sC H４,C O２因溶解度和液相阻力相对较大,气泡中含有的C O２量较少(杨平和仝川,２０１５).本研究主要通过声学回波映像来分析气泡特征,并未对其成分进行测定,参考上述资料结果,可认为气泡主要成分一般为C H４.在本次调查中,共观察到３种气泡类型,对于单体气泡,船速稍快时(＞３k m/h),气泡特征则与鱼体信号无异;气泡柱和气泡流对船速要求不是很高,由于其散射强度较强,且在回波图中呈现连续串状(图１a)(D e l S o n t r oe t a l,２０１１),不同入射方向的气泡在回波图中显示也不同(图１c,d)(V e l o s oe t a l,２０１５).气泡半径范围为０．２９~３．０２mm,属中等小气泡,气泡在上升过程中半径逐渐减小.与鱼类信号的随机性相比,气泡更具有一定规律性.气泡一直处于上升状态且水平位移较小,因此本研究结果显示鱼类与气泡在相对游泳速度㊁垂直方向变化㊁目标轨迹的垂直变化等变量存在显著差异.由于气泡在水平方向移动很少,因此相对游泳速度小于鱼类信号;垂直方向变化主要是用来描述信号的迁移方向(９０,９０),气泡在上升过程中其倾角一直为正,而鱼体轨迹则正负皆有;目标轨迹的垂直变化中,气泡为一直上升,因此垂直变化为负,而鱼类目标轨迹是随机的.３．２㊀气泡回波映像的主要影响因素本次调查水域气泡的共振半径为０ ０２７~０．０５５mm,气泡远大于１２０k H z共振频率气泡半径,对声呐工作不会造成很大影响,表明式①和式②适用于本水体的气泡研究.气泡在上升过程中,其大小变化主要是由于水压下降及与周围水体进行非对称气体交换时导致体积膨胀/收缩所引起.数值模拟结果显示,气泡生命周期主要取决于其产生的深度㊁初始尺寸㊁上升速度㊁C H４和大气气体浓度㊁压力及温度等(L e i f e r& P a t r o,２００２;O s t r o v s k y,２００３).乐昌峡水库C H４气泡属中等小气泡,气泡在上升过程中半径逐渐减小.O s t r o v s k y(２００３)研究表明,体积较小的气泡,其上升时的半径在减小,而大个体气泡情况则相反;G r e i n e r t等(２００６)研究表明,直径９mm的气泡可以在深海环境中存在１０８m i n,上升１３００m左右,在上升过程中半径逐渐减小.大的气泡容易浮起而６３第４２卷第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀水生态学杂志㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年７月消失,小气泡则由于溶解而首先消失,中等气泡存在时间最长,因而相应地有最大的溶度(刘伯胜和雷家煜,２００６).为验证声学方法评估气泡的有效性,有学者对气泡进行现场实验,证明回波图模式及其线性特征与现场调查结果相似(P o l i k a r p o ve t a l,１９８９).在回波图中能否清晰地观察到气泡,取决于船速㊁影响气泡上升路径的水流㊁气泡进入波束的方向等(V e l o s o e t a l,２０１５).利用声学技术进行水体温室气体走航监测时,船速是一个非常重要的因素.研究表明,当船速小于２节时,可显著提高声学数据质量,在回波图上可以清晰地区分出气泡和其他信号,如鱼体㊁仔鱼㊁浮游植物㊁悬浮沉积物(O s t r o v s k y,２００９;V e l o s o e ta l,２０１５).本研究结果也表明,船速小于３k m/h时,可在回波图中清晰地鉴别出气泡与鱼体.准确估算气泡的上升速度对于评估气泡通量是非常必要的,气泡的上升速度和高度依赖于气泡大小及气泡的纯度.本研究中,气泡的上升速度为２３ １７~２４．７４c m/s,体积为０．００１４~３８．７m L,该结果与O s t r o v s k y等(２００８)的实验结果及H a b e r m a n &M o r t o n(１９５４)的模型结果一致,这也意味着声学技术可用于我国亚热带地区气泡上升速度现场测定㊁气泡体积预测及气泡释放通量评估.３．３㊀气泡产生及其对资源评估的影响除了热带和亚热带地区,在中国纬度较高的北方地区,水体声学监测中也发现有气泡渗出现象(张赞等,２０１４).水库作为温室气体的源,排放大量气泡,大坝下游下泄水中碳的释放问题也值得关注(G u e r i ne t a l,２００６),且不同季节气泡排放存在显著差异(K o n e e t a l,２０１０);另外,在风浪的情况下,水中会产生大量的气泡,在水面表层形成一个气泡层,其厚度㊁层中所含气泡的浓度及层中气泡半径的大小取决于当时的水文条件(刘伯胜和雷家煜,２００６).除了波浪破碎在水中产生气泡外,船只的尾流中也含有大量气泡.目前声学技术已广泛应用于我国内陆渔业资源调查与评估,由于无法对单体信号进行自动分类,数据解析及分类很大程度上取决于研究者的经验.本研究中,气泡的T S分布范围在７３．８２~３３．２９d B (图４),基本覆盖了我国淡水鱼类T S分布区间(武智等,２０１８;孔德平等,２０１９).气泡广泛存在于淡水水库及湖泊中,且具有高度异质性,这意味着在进行渔业资源声学调查中,气泡作为 混响 ,很可能被错判为鱼体信号,尤其是在船速较快时.目前内陆水域渔业资源调查船速均大于３k m/h(中华人民共和国农业农村部,２０１９),在此船速下,单体气泡与鱼体信号很难分辨.数据处理时会出现信号误判,导致资源评估结果偏大,尤其是在温室气体排放较大的水体;反过来讲,评估鱼类尺寸及资源量的方法同样可以应用于气泡量化研究中,且具有快速㊁覆盖面广等优势.在不同调查目的下,气泡可能属于 混响 亦或是目标信号(S i mm o n d s&M a c L e n n a n,２００８).因此,在利用声学技术进行调查时,根据不同目标提前进行调查设计至关重要.参考文献程炳红,郝庆菊,江长胜,２０１２．水库温室气体排放及其影响因素研究进展[J]．湿地科学,１０(１):１２１１２８．孔德平,秦涛,范亦农,等,２０１９．邛海鱼类资源与空间分布的水声学调查探究[J]．水生态学杂志,４０(１):２２２９．李哲,张呈,刘靓,等,２０１４．三峡水库澎溪河C O２㊁C H４气泡释放通量初探[J]．湖泊科学,２６(５):７８９７９８．刘伯胜,雷家煜,２００６．水声学原理[M]．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社:１９６２０２．谭细畅,史建全,张宏,等,２００９a．E Y６０回声探测仪在青海湖鱼类资源量评估中的应用[J]．湖泊科学,２１(６):８６５８７２．谭细畅,李新辉,林建志,等,２００９b．基于水声学探测的两个广东鲂产卵群体繁殖生态的差异性[J]．生态学报,２９(４):１７５６１７６２．汪国骏,胡明明,王雨春,等,２０１７．蓄水初期三峡水库草堂河水气界面C O２和C 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s t i c b a c k s c a t t e r s t r e n g t h[J]．J o u r n a lo fS o i l sa n dS e d i m e n t s,１５(５):１２４６１２５５．D e l S o n t r oT,K u n z M J,K e m p t e rT,e ta l,２０１１．S p a t i a l h e t e r o g e n e i t y o f m e t h a n ee b u l l i t i o ni nal a r g et r o p i c a l r e s e r v o i r[J]．E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e&T e c h n o l o g y,４５(２３):９８６６９８７３．D i e m T,２００８．M e t h a n e d y n a m i c s i no x i c a n da n o x i c a q u a t i c s y s t e m s[D]:E T H Z u r i c h．F e a r n s i d eP M,１９９５．H y d r o e l e c t r i cd a m si nt h eB r a z i l i a nA m a z o na s s o u r c e s o f g r e e n h o u s e g a s e s[J]．E n v i r o nＧm e n t a l C o n s e r v a t i o n,２２(１):７１９．G r e i n e r t J,N u t z e lB,２００４．H y d r o a c o u s t i ce x p e r i m e n t st o e s t a b l i s ha m e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o n o f m e t h a n e b u b b l e f l u x e s a t c o l d s e e p s[J]．G e oＧM a r i n eL e t t e r s,２４(２):７５８５．G r e i n e r t J,A r t e m o vY,E g o r o v V,e t a l,２００６．１３００Ｇm－h i g hr i s i n g b u b b l e sf r o m m u dv o l c a n o e sa t２０８０mi n t h eB l a c kS e a:H y d r o a c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e m p oＧr a l v a r i a b i l i t y[J]．E a r t h&P l a n e t a r y S c i e n c eL e t t e r s,２４４(１):１１５．G u e r i nF,A b r i lG,R i c h a r dS,e ta l,２００６．M e t h a n ea n d c a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n s f r o mt r o p i c a l r e s e r v o i r s:S i gＧn i f i c a n c eo fd o w n s t r e a m r i v e r s[J]．G e o p h y s i c a l R eＧs e a r c hL e t t e r s,３３(２１):４９３４９５．H a b e r m a n W L,M o r t o nRK,１９５４．A nE x p e r i m e n t a l S t u d y o fB u b b l e sM o v i n g i nL i q u i d s[J]．P r o c e e d i n g s o f t h eAＧm e r i c a nS o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s,１２１(８０):２２７２５０．J e c hJ,L a w s o n G,L a v e r y A,２０１７．W i d e b a n d(１５２６０k H z)a c o u s t i cv o l u m eb a c k s c a t t e r i n g s p e c t r ao fN o r t hＧe r nk r i l l(M e g a n y c t i p h a n e sn o r v e g i c a)a n db u t t e r f i s h(P e p r i l u s t r i a c a n t h u s)[J]．I C E S J o u r n a l o fM a r i n e S c iＧe n c e,７４:２２４９２２６１．K e l l e rM,S t a l l a r dR F,１９９４．M e t h a n eE m i s s i o nb y B u b bＧl i n g F r o m G a t u n L a k e,P a n a m a[J]．J o u r n a lo f G e oＧp h y s i c a lR e s e a r c hA t m o s p h e r e s,９９(D４):８３０７８３１９．K o n eYJM,A b r i l G,D e l i l l eB,e t a l,２０１０．S e a s o n a l v a r i aＧb i l i t y o f m e t h a n ei nt h er i v e r sa n dl a g o o n so fI v o r y C o a s t(W e s tA f r i c a)[J]．B i o g e o c h e m i s t r y,１００(１/３):２１３７．L e i f e r I,P a t r oRK,２００２．T h e b u b b l em e c h a n i s mf o rm e t hＧa n e t r a n s p o r t f r o mt h es h a l l o ws e ab e dt ot h es u r f a c e: Ar e v i e wa n d s e n s i t i v i t y s t u d y[J]．C o n t i n e n t a l S h e l f R eＧs e a r c h,２２(１６):２４０９２４２８．O s t r o v s k y I,２００３．M e t h a n e b u b b l e si n L a k e K i n n e r e t: Q u a n t i f i c a t i o na n dt e m p o r a la n d s p a t i a lh e t e r o g e n e i t y [J]．L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,４８(３):１０３０１０３６．O s t r o v s k y I,M c G i n n i sDF,L a p i d u sL,e t a l,２００８．Q u a nＧt i f y i n g g a s e b u l l i t i o n w i t h e c h o s o u n d e r:t h e r o l e o f m e t h a n et r a n s p o r tb y b u b b l e si na m e d i u mＧs i z e dl a k e [J]．L i m n o l o g y a n dO c e a n o g r a p h yＧM e t h o d s,６(２):１０５１１８．O s t r o v s k y I,２００９．H y d r o a c o u s t i ca s s e s s m e n to f f i s ha b u nＧd a n c e i n t h e p r e s e n c e o f g a s b u b b l e s[J]．L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h yＧM e t h o d s,７(４):３０９３１８．P o l i k a r p o vG G,E g o r o vV N,N e z h d a n o vAI,e t a l,１９８９．T h e p h e n o m e n o no f a c t i v e g a se s c a p e s f r o m m o u n t so n t h e s l o p eo ft h e w e s t e r n B l a c k S e a[C]//D o k l A k a d N a u kU S S R:１３１６．S h e r w o o d R F,１９８５．M e t h a n ea n d c h l o r o c a r b o n si nt h e e a r t h＇s a t m o s p h e r e[J]．O r i g i n so fL i f e a n dE v o l u t i o no f B i o s p h e r e s,１５(４):２７９２９７．S i mm o n d sJ,M a c L e n n a n D N,２００８．F i s h e r i e sa c o u s t i c s: t h e o r y a n d p r a c t i c e[M]．O x f o r d:J o h n W i l e y&S o n s:２９４３９６．V e l o s oM,G r e i n e r t J,M i e n e r t J,e t a l,２０１５．An e w m e t hＧo d o l o g y f o r q u a n t i f y i n g b u b b l e f l o wr a t e s i nd e e p w a t e r u s i n g s p l i t b e a me c h o s o u n d e r s:E x a m p l e s f r o mt h eA r cＧt i c o f f s h o r eNWＧS v a l b a r d[J]．L i m n o l o g y a n dO c e a n o gＧr a p h yＧM e t h o d s,１３(６):２６７２８７．W e i d n e rE,W e b e rT,M a y e rL,e t a l,２０１８．A w i d e b a n d aＧc o u s t i cm e t h o d f o r d i r e c t a s s e s s m e n t o f b u b b l eＧm e d i a t e d m e t h a n e f l u x[J]．C o n t i n e n t a l S h e l f R e s e a r c h,１７３:１０４１１５．Y a n g L,L uF,W a n g X,e t a l,２０１３．S p a t i a l a n ds e a s o n a l v a r i a b i l i t y o fC O２f l u xa t t h ea i rＧw a t e r i n t e r f a c eo f t h e T h r e eG o r g e sR e s e r v o i r[J]．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,２５(１１):２２２９２２３８．Y a nN,M u k a iT,Y a m a m o t o J,e t a l,２０１９．A c o u s t i c c h a rＧa c t e r i s t i c s o f t h r e e b l a d d e r l e s s f i s h e s[J]．T h e J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a lS o c i e t y o f A m e r i c a,１４６(４):２９６５２９６５．Z h e n g H,Z h a o X,Z h a o T,e ta l,２０１１．S p a t i a lＧt e m p o r a l v a r i a t i o n s o fm e t h a n e e m i s s i o n s f r o mt h eE r t a nh y d r o eＧl e c t r i cr e s e r v o i ri ns o u t h w e s tC h i n a[J]．H y d r o l o g i c a l P r o c e s s e s,２５(９):１３９１１３９６．(责任编辑㊀万月华)８３第４２卷第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀水生态学杂志㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年７月A c o u s t i c S i g n a l F e a t u r e s a n dR e c o gn i t i o no fB u b b l e s i nF r e s h W a t e r :AC a s e S t u d y i nL e c h a n gx i aR e s e r v o i r WUZ h i １,L IX i n Ｇh u i １,T A N X i Ｇc h a n g ２,L I J i e １,Z HUS h u Ｇl i １,Z H A N G Y i n g Ｇqi u １(１．P e a r lR i v e rF i s h e r i e sR e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h i n e s eA c a d e m y of F i s h e r y S c i e n c e ,G u a n gz h o u ㊀５１０３８０,P ．R．C h i n a ;２．I n s t i t u t e o f P e a r lR i v e rW a t e rR e s o u r c eP r o t e c t i o n ,G u a n gz h o u ㊀５１０６１１,P ．R．C h i n a )A b s t r a c t :S u b s t a n t i a l qu a n t i t i e s o fm e t h a n e (C H ４)c a nb e p r o d u c e d i n f r e s h w a t e r l a k e s e d i m e n t s a n d i t i s r e l e a s e d a s b u b b l e s d u e t o l o w w a t e r s o l u b i l i t y ．D u r i n g h y d r o a c o u s t i c s u r v e y s ,t h e t a r g e t s t r e n g t h (T S )o f b u b b l e s s t r o n g l y o v e r l a p sw i t ht h a to f f i s ha n dt h es i g n a l sc a nb em i s c l a s s i f i e dd u r i n g d a t a p r o c e s s i n g o f f i s h e r y r e s o u r c e s u r v e y s ．I n t h i s s t u d y ,L e c h a n g x i a r e s e r v o i rw a s s e l e c t e da s a c a s e s t u d y ,a n d t h eb u b b l e s i g n a l s c o l l e c t e d d u r i n g h y d r o a c o u s t i c s u r v e y sw e r e a n a l y z e d ,f o c u s i n g o n s i g n a l f e a t u r e s ,m o t i o n r u l e s a n d s i g n a l r e c o g n i t i o n ．T h e o b j e c t i v e sw e r e t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r a c o u s t i c s i g n a l r e c o g n i t i o n a n d f i s h e r y r e Ｇs o u r c e a s s e s s m e n t a sw e l l a s f o r r e s e a r c ho nt r a c i n g an d m e a s u r e m e n t o f g r e e n h o u s e g a s e s r e l e a s e d f r o m b o t t o ms e d i m e n t s ．A c o u s t i c s u r v e y sw e r e c o n d u c t e d i nL e c h a n g x i a r e s e r v o i r o nJ u l y １７a n d１８o f ２０１７u Ｇs i n g aS i m r a dE Y ６０e c h o s o u n d e r ．A１２０k H z s p l i t b e a md o w n w a r d Ｇl o o k i n g e c h o s o u n d e rw a s u s e d t o c o l Ｇl e c td i f f e r e n ts i g n a l sn o tr e s o n a t i n g w i t ht h es o n a rf r e q u e n c y a td i f f e r e n ts p e e d s ．A s l o w s h i p s pe e d (＜３k m /h )s i g n if i c a n t l y e n h a n c e d t h e q u a l i t y o f d a t a a n d t h e a b i l i t y tod i s c r i m i n a t eb e t w e e nb u b b l e s a n d f i s h ,b a s e do nd i f f e r e n c e s i ne c h o g r a m t r a j e c t o r y ．A n a l y s i so f t h ee c h o g r a mi n d i c a t e dt h a t g a sb u b b l e s (m a j o r i t y )a n d f i s h (m i n o r i t y )w e r e t h e t w o p r i m a r y e c h o Ｇr e f l e c t i n g o b j e c t s i n t h e s u r v e y a r e a ．S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e sw e r e o b s e r v e db e t w e e n f i s ha n db u b b l e s f o r s e v e r a l p a r a m e t e r s :m o v e m e n t s pe e d ,v e r t i c a l d i Ｇr e c t i o n c h a n g e a n d t r a c kc h a n g ew i t hd e p t h (P ＜０．０１)．B u b b l e sw e r em o r e r e g u l a r a n dk e p t r i s i n g w i t ha s m a l l h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t c o m p a r e dw i t hf i s h ．T h e a v e r ag e a s c e n s i o n s p e e d o f b u b b l e sw a s ２３．９５c m /s a n d th e ９５％c o n fi d e n c e i n t e r v a lw a s２３．１７２４．７４c m /s (n ＝３６０)．T h ea v e r a g eT So f t h eb u b b l e sw a s ６０．０９d B ,r a n g i n g f r o m ７３．８２t o ３３．２９d B ,a n d t h e r a d i u s r a n ge df r o m０．２０mmt o２１．６５mm．T h e s p e e da n d r a d i u s o f t h e b u b b l e s d e c r e a s e d a s b u b b l e s a s c e n d e d a n d t h e c o r r e l a t i o nw i t h t h ew a t e r d e pt hw a s s i g n i f i c a n t (r ＝０．９９,P ＜０．０１)．A t a c r u i s i n g s p e e do f＜３k m /h ,t h e b u b b l e s a n d f i s h c o u l db e r e c o g n i z e d c l e a r l y f r o mt h ee c h o g r a m a n du s e dt o i d e n t i f y t h e t a r g e t s i g n a l ．C o m b i n g t h er e s u l t so fo u rs t u d y w i t h t h o s e f r o m p r e v i o u s s t u d i e s ,i tw a sc o n c l u d e dt h a tb u b b l e sa r eh i g h l y h e t e r o g e n e o u sa n de x i s tw i d e l y in f r e s h w a t e r r e s e r v o i r s a n d l a k e s ,a n d t h a t s u r v e y s s h o u l db ed e s i g n e db a s e do n t h e i n t e n d e d p u r po s ew h e n u s i n g a c o u s t i c t e c h n o l o g y ．H y d r o a c o u s t i cm e a s u r e m e n t s p r o v i d e am e a n s o f d i s t i n g u i s h i n g th eb u b b l e s r e Ｇl e a s e d i nb o t t o ms e d i m e n t s o f l a k e s a n dr e s e r v o i r s f r o mf i s ha n d t h i s s h o u l db e c o n s i d e r e dw h e n q u a n t i f Ｇy i n g m e t h a n e e b u l l i t i o na n d f i s ha b u n d a n c e i na q u a t i c s ys t e m s ．K e y wo r d s :L e c h a n g x i a r e s e r v o i r ;g r e e n h o u s e g a s e m i s s i o n ;h y d r o a c o u s t i c s i g n a l r e c o g n i t i o n ;b u b b l e s f e a Ｇt u r e９３２０２１年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀武㊀智等,淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究 以乐昌峡水库为例。
华北理工水声学课件06海洋中的混响-1海水中气泡的声学特性、海面混响
1.41
由上图可知小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗：
Zm
cS0
k
a
i1
3P0 2a2
ka
气泡的共振频率：
f0
1
2a
3P0
7
海水中气泡的声学特性
小气泡的共振频率
例：对于水中的气泡，取 1g / cm3，空气的 1.41
设气泡在水面附近，则 P0为1标准大气压，据此可 得谐振频率：
13
海面混响
海面混响的理论处理 设收发合置换能器位于O点，离海面散射层的
距离为 h ；收发换能器指向性分别为 b(,) 、b(,) 声源在散射层上的投影点 O 到圆环内侧距离为 R 声源到圆环内侧的斜距为 r 。
14
海面混响
海面混响的理论处理 海面对混响有贡献的区域是厚度为H，宽为 c / 2
的球台状圆环，如图所示。对于海面混响，也可以 像体积混响一样来推导等效平面波混响级表达式， 不同的是积分体积改变了，散射强度采用界面散射 强度 Ss 。
15
海面混响
海面混响的理论处理
类似体积混响的理论处理，对混响有贡献的散射
声强：
Iscat
I0SV
1 r4
b( ,)b( ,)dV
提示：只有工作在近海面的声纳才可能受到海面混响
4.34n e dB/m
注意：上式忽略气泡间的多次散射，仅适用于气泡 浓度不大的情况。
12
海水中气泡的声学特性
含气泡水介质中的声速 含气泡水中的声速与气泡含量、声波频率有关； 当声波频率低于气泡共振频率，气泡的存在使声 速明显减小； 相反，当声波频率远高 于共振频率，气泡对声 速不产生明显影响； 若声波频率就在共振频 率附近，则随着频率的 变化，声速发生剧烈改变。
ADCP测试受气泡特性的影响分析
ADCP测试受气泡特性的影响分析濮兴啸;梁朝阳;刘海峰;徐洋【摘要】水中气泡对声传播产生重要影响.文章依据声纳方程,通过对含气泡的海水水体声波散射的研究,计算分析了气泡半径、密度、浓度等特性要素与后向散射强度的相关关系,为声学多普勒流速剖面仪(ADCP)测试和气泡发生装置的设计提供一定的理论基础.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2016(033)002【总页数】3页(P42-44)【关键词】气泡特性;声波散射;ADCP【作者】濮兴啸;梁朝阳;刘海峰;徐洋【作者单位】中国白城兵器试验中心,白城137000;中国白城兵器试验中心,白城137000;中国白城兵器试验中心,白城137000;中国白城兵器试验中心,白城137000【正文语种】中文【中图分类】P47声学多普勒剖面流速仪(ADCP)是一种先进的声学测流仪器，作为一类计量仪器，其需要开展实验室条件下的测试、检定和校准。
ADCP的测速依据多普勒频移原理，因此，测试水体中必须有足够的反射物来反射声波，其才能接收到反射声信号，而且信号强度必须达到被检定仪器正常工作的要求。
在水槽中测试剖面仪反射物反射强度小于35 dB时，都会带来显著误差。
在国外，美国ADCP制造厂商流速检测是在一个宽度为15.5 m、深度为6.7m的很大、很长的静水槽内进行的，在水体中安放了声波反射物。
目前，国内现有的在用流速仪检定水槽并不能用来检测ADCP，ADCP流速检定校准的专用水槽应较宽、较深，以能测到数个剖面单元流速，减少盲区影响，水槽设计应符合声学水槽要求，槽内水体中应有悬浮颗粒或气泡存在[1]。
目前，国内已开始论证规划建设这样的专用水槽，专用水槽将充分考虑了上述因素的影响，在考虑水体反射物时，有两种方式可供选择，一是播撒悬浮颗粒物(如石灰粉末)，另一种方式是产生气泡。
由于气泡的共振特性和干净清洁，相对于其他悬浮粒子物质，在水中气泡作为声波散射物质更有效。
气泡的声学特性分析
气泡的声学特性分析
首先，气泡对声波的散射是指气泡表面对入射声波的反射现象。
当声
波遇到气泡表面时，它会被部分反射回去。
散射的程度取决于气泡的大小、形状和界面条件。
通常情况下，当入射波长与气泡半径相比较小时，散射
现象更为明显。
其次，气泡对声波的吸收。
当声波通过气泡时，气泡也能吸收部分声能。
这是因为气泡表面的波浪运动会导致内部液体的运动，从而引起能量
损耗。
气泡对声波吸收的程度与气泡的大小和形状、液体的性质以及声波
的频率等因素相关。
气泡还具有谐振现象，即当声波频率与气泡固有频率相同时，气泡可
以谐振。
这种谐振现象也被称为共振现象。
当声波频率与气泡固有频率匹
配时，气泡内的液体会因气泡表面的波浪运动而振动加剧，从而增强声音
的传播效果。
共振现象的出现通常取决于气泡的大小和形状。
此外，气泡的声学特性还与周围介质的性质有关。
例如，当气泡处于
不同的液体中时，气泡的共振频率可能会发生变化。
液体的性质也会影响
气泡对声波的吸收和散射程度。
综上所述，气泡的声学特性包括散射、吸收和谐振现象等。
这些特性
受气泡的大小、形状、液体的性质以及声波的频率等因素的影响。
对气泡
的声学特性的研究有助于理解声波在液体中的传播规律，以及在声学工程
和医学诊断等领域中的应用。
气泡仪器测评报告范文
气泡仪器测评报告范文1. 引言气泡仪器是一种用于测量液体中气泡数量和特征的装置，广泛应用于医疗、工业以及科学研究领域。
本测评报告将围绕气泡仪器的原理、优缺点以及应用进行评估和分析，以帮助用户更好地了解和选择适合自己需求的仪器。
2. 原理气泡仪器主要通过光学、声学或电化学等原理来检测并计量液体中的气泡。
具体而言，光学气泡仪器使用光源照射液体，通过光电传感器检测液体中的气泡并进行计数；声学气泡仪器则通过发射和接收超声波来检测气泡；电化学气泡仪器则通过电极测量液体电导率的变化来判断气泡。
3. 优点3.1 高精度气泡仪器能够精确测量液体中的气泡数量和大小，具有较高的测量精度和可靠性。
这使得气泡仪器在注射器、输液等医疗场景中得到了广泛应用，能够有效避免气泡进入患者体内导致的并发症。
3.2 实时监测气泡仪器能够实时监测液体中的气泡情况，通过显示屏或报警装置提醒用户。
这对于需要随时掌握液体中气泡变化的应用场景非常重要，例如化学反应过程中的气泡产生，需要及时检测气泡形成和消除的时间和规律。
3.3 多种规格可选气泡仪器可以根据实际需求选择合适的规格和型号，适用于不同容量和流速的液体。
用户可以根据具体应用场景选取合适的仪器，从而提高测量效率和准确度。
4. 缺点4.1 成本较高气泡仪器的生产和研发成本较高，导致其售价相对较高。
这使得一些小型实验室或个人用户可能无法负担。
然而，随着技术的进步和市场竞争的加剧，相信随着时间推移，气泡仪器的价格会逐渐下降。
4.2 仪器大小由于气泡仪器通常需要包含传感器、显示屏和控制面板等组件，因此仪器体积较大，不太适合于携带和移动使用。
这对于一些需要在野外或临床环境中使用的用户来说可能存在一定的不便。
5. 应用领域5.1 医疗领域在医疗领域，气泡仪器被广泛应用于输液过程中，能够实时监测液体中的气泡情况，避免气泡进入血液循环引发肺气栓等并发症。
此外，气泡仪器还可用于监测呼吸机等设备中的气泡产生。
含气泡软媒质中声传播特性研究的开题报告
含气泡软媒质中声传播特性研究的开题报告一、选题背景气泡、气泡云等有机物质都是广泛存在于液体中的，如水中的气泡、海洋中的气泡云等。
含气泡软媒质中声传播特性的研究在海洋、工业领域等具有重要的应用价值。
然而，由于气泡赋予了液体某些特殊的吸音和反射性能，因此含气泡软媒质中声传播的特性与水中的声传播特性截然不同，这就需要专门开展研究。
二、研究内容本课题从理论上分析了含气泡软媒质中声传播的特性。
具体研究内容如下：1.建立含气泡软媒质中声传播的数学模型。
2.分析气泡对声波传播的影响，研究气泡大小、浓度、形态对声传播的影响。
3.利用计算流体力学（CFD）模拟软媒质中气泡的运动特性。
4.研究含气泡软媒质中不同声源频率下的声传播规律。
5.研究气泡在软媒质中的聚集和涡旋的现象，探究它们对声传播的影响。
三、研究意义本课题研究含气泡软媒质中声传播的特性，将揭示气泡在声波传播中的作用机制，为海洋声学、工业领域等相关领域的应用提供科学依据。
同时，本研究还为更深入探究气泡在声波传播中的作用机理提供了一些启示。
四、研究方法本课题将采用理论分析和计算流体力学（CFD）数值模拟相结合的方式进行研究。
在理论分析方面，我们将建立含气泡软媒质中声传播的数学模型，分析气泡对声波传播的影响，研究不同声源频率下的声传播规律。
在CFD数值模拟方面，我们将利用ANSYS FLUENT软件对含气泡软媒质中的气泡运动进行仿真，研究气泡的聚集和涡旋现象对声传播的影响。
五、预期成果及创新点本课题预期可以得到以下成果：1.建立含气泡软媒质中声传播的数学模型，分析气泡对声波传播的影响。
2.研究气泡大小、浓度、形态对声传播的影响。
3.利用CFD模拟气泡在软媒质中的运动特性，研究气泡在声传播中的作用机理。
4.探究气泡在软媒质中的聚集和涡旋现象对声传播的影响。
本课题的创新点在于：1.深入研究了含气泡软媒质中声传播的特性；2.通过数学模型和CFD数值模拟相结合的方法，揭示了气泡在声传播中的作用机理；3.研究了气泡聚集和涡旋现象对声传播的影响。
小白唱歌必学技巧——气泡音
小白唱歌必学技巧——气泡音今天我们来讲一个基础的发声练习——气泡音，气泡音是一个用来验证你声音有没有放松，闭合好不好(用气泡的颗粒感去判断发声好不好)的练习，是比你的低音还要低的声音，是一种轻微的低频振动。
气泡音的作用大体上有三个：1、按摩、放松声带，在你发对的气泡音的状态下，无论是完整一段，还是一节一节的发都可以慢慢放松你当前紧张的声带;NEW2、缓慢提升声带能力，这个见效很慢，但是只要你的气泡音是发对了发稳定了，确实体会到声音挂靠在声带上了，气泡音就能确实缓慢的提升我们的声带闭合力;3、判断声带闭合好不好，当前的气泡音的清晰程度可以用于判断你的声带闭合如何，你的发声对不对，假如你的气泡音是很挤的很模糊的，那么你需要调整自己的声音。
气泡音是一种充分放松喉头后的一种发声，学习它可以体会声音挂在声带上的感觉。
早上，我们懒散地平躺在床上，做打哈欠状，从高到低发“啊”这个音，当发音到最低音区时，就会听到声音如一串气泡冒出来。
随着气息的调节，气泡可大可小，可稀疏可密集，有点象青蛙的鸣叫，又象摩托车的引擎声。
这就是“气泡音”。
看似简单，但对声音却有很神奇的作用。
练习方法第一步是发出气泡，其实很多人确实没有发出合格的气泡，一定要时刻注意听自己的气泡音是不是对的。
NEW这一步的学习目标是放松外部肌肉，如果外部肌肉还在挤，那么你很难放松，还在用说话的那种发声方法来发气泡音，声音就会很模糊，因为按声乐的闭合标准，说话这样的发声是错的。
这一步的学习要求只是让你发出一节一节短暂的粗糙的气泡音就好，没有特别细致的控制要求，毕竟这只是第一步。
方法有三种1、找声带弱机能的状态我可以在临睡前或者刚睡醒的时候找感觉，这样发气泡是最舒服的，那么何谓声带弱机能?我们身体进入深睡眠再醒来的状态是最接近这个弱机能的状态的，这个时候我们的嗓子跟着身体一起苏醒，会觉得发高音比较困难，甚至发中音也会有一些吃力(嗓子好的人就没啥感觉)，这个时候发低音会觉得比较得心应手，这是一种使不上劲的放松的状态，相对接近这个状态的时候是夜晚快要睡着的时候，这个看个人的作息，反正很困很困不想说话的时候就对了NEW还有一个状态是我们长时间说话以后，声音还没有到十分嘶哑的状态，略微有些沙哑但是还可以说几句，这是声带有些疲劳的状态，这个时候发气泡音也会比较简单。
海底冷泉区气泡流量流速的声学探测机理研究
海底冷泉区气泡流量流速的声学探测机理研究秦华伟;范相会;蔡真;叶彦雷【摘要】There are great quantities of natural gas hydrate beneath seawater, which are giant resources potentially and capable of damaging environment; and special species is also discovered in related area. So, the detection and quantification of an underwater gas release are becoming increasingly important for oceanographic and industrial applications. According to the characters of acoustic attenuation when acoustic wave propagates through bubbles, detection of different flow rate of bubbles was conducted, and result of the relation of bubbles flow rate and acoustic attenuation was presented. In addition, the rising velocity of bubbles was estimated using the relate flow method of two signals received at different depths. Then, the flux of bubbles was inversed by acoustic signal, and the bubble distribution was calculated by the rising velocity and flux, which provided a new method for detection and quantification of undersea bubbles.%海洋冷泉区常含有巨大资源前景和引发环境灾害的天然气水合物，并发育有依赖于流体化学自养能和养分的特异生物群，研究其泄漏气体的流量和流速，具有重要的资源和环境意义。
声学现象总结报告范文(3篇)
第1篇一、引言声学是研究声音的产生、传播、接收和处理的科学。
声音作为一种重要的物理现象，在我们的日常生活中无处不在。
从自然界到人类社会，声学现象无处不在，为我们提供了丰富的声学知识。
本文将对声学现象进行总结，以期提高人们对声学现象的认识和理解。
二、声学现象概述1. 声音的产生声音是由物体的振动产生的。
当物体振动时，周围的空气分子也随之振动，形成声波。
声波在空气中传播，最终被人耳接收，产生听觉。
2. 声音的传播声音在介质中传播，包括固体、液体和气体。
声波在不同介质中的传播速度不同，通常在固体中传播速度最快，其次是液体，最慢的是气体。
声音在传播过程中会发生反射、折射、衍射和干涉等现象。
3. 声音的接收人耳是接收声音的器官。
声音通过外耳道进入耳膜，引起耳膜的振动。
耳膜振动后，通过听小骨传递到内耳，最终被大脑处理，产生听觉。
4. 声音的调制与解调调制是将信息信号加载到载波上，解调是将信息从载波上提取出来的过程。
在通信领域，声音的调制与解调技术被广泛应用。
三、声学现象分类1. 声音的频率与波长声音的频率是指单位时间内声波振动的次数，单位为赫兹（Hz）。
声音的波长是指相邻两个波峰（或波谷）之间的距离。
频率和波长是描述声音特征的重要参数。
2. 声音的强度与响度声音的强度是指单位面积上声波能量的大小，单位为帕斯卡（Pa）。
声音的响度是指人耳对声音的感知程度，与声音的强度有关。
3. 声音的音色音色是指不同乐器或人声所具有的独特音质。
音色是由声音的频谱组成和相对强度决定的。
4. 声波的反射、折射、衍射和干涉声波的反射是指声波遇到障碍物时，部分能量被反射回来。
声波的折射是指声波从一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变。
声波的衍射是指声波通过障碍物或孔径时，波前发生弯曲。
声波的干涉是指两个或多个声波相遇时，产生的相互作用。
四、声学现象在实际应用中的体现1. 声学工程声学工程是研究声音的产生、传播、接收和控制的技术。
气泡音的作用
气泡音的作用
气泡音是一种充分放松喉头后的发声，气流通过喉腔时，将闭合的声带中间部分吹出一个小洞，由于气流与声带的边缘摩擦产生断续振动，经喉咽腔共鸣而发出一串颗粒性的像冒泡泡一样的声音。
气泡音是声乐学习中重要的基础训练，它的作用主要有以下几点：
1、气泡音是声带振动的最初状态，所发出的声音是最低声区，所有的声音均原始于气泡音。
气泡音可以很容易感受声音是如何靠在声带上的，通过气泡音可以体会声带振动时的张力和对气流的阻力。
2、可以体会歌唱中发声的连续状态，由于气泡音所需要的气流是稳定的，所以对气息控制的训练也是很有好处的。
3、通过气泡音的练习可以纠正声音发虚和不稳定的弊病。
在气泡音的变化中，声带是由最初的松弛逐渐拉紧，由低声区向中声区过渡，所以练习气泡音对加强中声区能力是一个好的方法。
4、练习气泡音可以起到按摩声带的作用，当觉得嗓子劳累时，做做气泡音练习，可以缓解疲劳。
气泡体积分数对沙质沉积物低频声学特性的影响
气泡体积分数对沙质沉积物低频声学特性的影响王飞;黄益旺;孙启航【摘要】Owing to the decomposition of organic material and other reasons, the actual marine sediment contains gas bubbles, and the existence of gas bubbles will significantly affect the low-frequency acoustic characteristics of sediment. Therefore, it is significant to investigate the effect of gas bubbles on the low-frequency sound velocity in the sediment. Considering the uncontrollable environmental factors of field experiment, an experiment platform for obtaining acoustic characteristics of a large-scale gas-bearing unsaturated sandy sediment is constructed in the indoor water tank. Considering the long wavelength of low-frequency acoustic wave and the multipath interference in water tank, the transmitted acoustic signals are received by hydrophones which are buried in the unsaturated sediment. The sound velocity data (79–142 m/s) in the gas-bearing unsaturated sediment are acquired by using a multi-hydrophone inversion method in the bounded space for the first time in a 300–3000 Hz range, and the sound velocity data (112–121 m/s) are also acquired by using a double-hydrophone method in the same frequency range. The refraction experiments at different horizontal distances between the source and the hydrophones are conducted, which verifies the reliability of sound velocity data acquired by using the multi-hydrophone inversion method and the double-hydrophone method. At the acoustic frequency well below the resonance frequency of the largest bubble in the sediment,the pore water and the gas bubbles are regarded as an effective uniform fluid based on effective medium theory. On this basis, the density and the bulk elastic modulus of pore water in the effective density fluid model are replaced by the effective density and the effective bulk modulus of the effective uniform fluid, then a corrected effective density fluid model is proposed in gas-bearing unsaturated sediment. The numerical analysis indicates that when the gas bubble volume fraction is small (<1%), a small increase in the gas bubble will cause a significant decrease in the effective bulk elastic modulus of sediment, but the density of pore water is much greater than the density of gas bubbles, the presence of a small number of gas bubbles hardly changes the density of pore fluid and certainly does not change the density of sediment, which results in a significant decrease at a low-frequency sound velocity in the gas-bearing unsaturated sediment. Furthermore, with the increase of gas bubble volume fraction, the sound velocity predicted by the corrected model gradually decreases, and the decreasing trend gradually becomes gentle. The corrected model reveals the effect of gas bubbles on the low-frequency acoustic characteristic of sediment. By analyzing the sensitivity of the predicted sound velocity to parameters of the model, the gas bubble volume fractions (1.07%–2.81%) of different areas are acquired by inversion according to the measured sound velocity distribution and the corrected model. In the future, it will provide a new method of obtaining the volume fraction and the distribution of gas bubbles in the sediment.%由于有机物质分解等原因,实际的海底沉积物中存在气泡,气泡的存在会显著影响沉积物低频段的声学特性,因此研究气泡对沉积物低频段声速的影响机理具有重要意义.考虑到外场环境的不可控性,在室内水池中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物300—3000 Hz频段内的声速数据(79—142 m/s),并同时利用双水听器法获取了同一频段的数据(112—121 m/s).在声波频率远低于沉积物中最大气泡的共振频率时,根据等效介质理论,将孔隙水和气泡等效为一种均匀流体,改进了水饱和等效密度流体近似模型.模型揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,理论上解释了沉积物中声速的降低.通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据测量得到的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,气泡体积分数从1.07%变化到2.81%.改进的模型为沉积物中气泡体积分数估计提供了一种新方法.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)019【总页数】13页(P127-139)【关键词】气泡体积分数;沉积物;低频;声学特性【作者】王飞;黄益旺;孙启航【作者单位】哈尔滨工程大学, 水声技术重点实验室, 哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声工程学院, 哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学, 水声技术重点实验室, 哈尔滨150001;哈尔滨工程大学水声工程学院, 哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学, 水声技术重点实验室, 哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学水声工程学院, 哈尔滨 150001【正文语种】中文由于有机物质分解等原因,实际的海底沉积物中存在气泡,气泡的存在会显著影响沉积物低频段的声学特性,因此研究气泡对沉积物低频段声速的影响机理具有重要意义.考虑到外场环境的不可控性,在室内水池中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物300–3000 Hz频段内的声速数据(79–142 m/s),并同时利用双水听器法获取了同一频段的数据(112–121 m/s).在声波频率远低于沉积物中最大气泡的共振频率时,根据等效介质理论,将孔隙水和气泡等效为一种均匀流体,改进了水饱和等效密度流体近似模型.模型揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,理论上解释了沉积物中声速的降低.通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据测量得到的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,气泡体积分数从1.07%变化到2.81%.改进的模型为沉积物中气泡体积分数估计提供了一种新方法.近些年来,虽然文献中报道的大量实验研究结果直接或间接地证明了沉积物中声速频散的存在［1−7］,但是水饱和沉积物声学模型的验证工作仍然没有实现.现有的研究成果主要倾向于支持Biot-Stoll模型［8−10］以及该模型的一些修正模型,例如等效密度流体近似模型(e ff ective density fluid model,EDFM)［11］,BIMGS 模型等［12,13］. 中高频段的实验数据(包括原位测量和实验室测量)与Biot-Stoll 模型符合较好,当然不确定度依然存在,但是低频段的数据与模型偏差太大.由于海洋环境参数的不可控性,低频段原位测量数据的不确定度也较大,因此稳定可控的实验室环境可能是模型验证的最佳选择.实际海底沉积物另一个不可控因素是气泡.由于沉积物中存在许多有机物质,沉积物中的细菌会将有机物质分解,产生气态的有机分子溶解在孔隙水中.当浓度逐渐增高后,形成气泡逃逸到上覆水中或者被束缚在沉积物中［14,15］.因此很多沉积物不是单纯的两相介质,可能是三相介质,即沉积物由固体颗粒、孔隙水和气泡组成,气泡的存在导致沉积物的声学特性发生较大变化,这也有可能是低频段原位测量数据与模型结果存在较大偏差的原因.因此在实验室研究水饱和沉积物的声学特性时,首先需要考虑人造沉积物的除气问题.对于高频声波,由于波长短,研究所需沉积物样品的体积小,制备小样品水饱和沉积物相对容易.例如Wilson等［7］将沙子缓慢倒入加热后的淡水中,并不停搅拌,然后冷却到室温来除气;Kimura［12］通过将水沙混合物煮沸后放置在真空罐中进行除气等.但是对于低频段沉积物声学特性的研究,声波波长的增大使得研究所需沉积物样品的体积急剧增大,有效制备大样品水饱和沉积物变得较为困难,沉积物样品体积的迅速增大也带来了一系列工程上的问题.尽管一些研究人员试图采用共振的方法对小尺度水饱和沉积物进行低频段声学特性的研究［7,16］,但是数据起伏较大,仍不能校验沉积物声学模型.对于含气非饱和沉积物,Li等［17］指出气泡的少许增加会引起沉积物声速(文中出现的声速均代表纵波声速)的急剧降低和衰减的急剧上升,但是当气泡体积分数超过10%时,这种上升和降低的幅度明显减小.Tóth等［18］通过海洋地震数据中的声速估计了海底淤泥中自由气体(气泡)的含量,某些位置的声速可以低至200 m/s的量级,此时气泡体积含量高达3.4%.Ecker等［19］和Ghosh等［20］利用海洋地震数据同时估计了海底沉积物中自由气体和气体化合物的含量.Wilson等［21］在实验室重造了含气非饱和沉积物,并利用声谐振腔技术进行了100–400 Hz频段内沉积物声速频散特性研究,得到的声速大约为114 m/s,且几乎不随频率变化.从已有研究工作可以看出,海底沉积物中即使存在少量的气泡,但对沉积物低频段的声学特性影响也非常显著.为了揭示海底沉积物低频段的声学特性与气泡大小、体积分数之间的内在联系,从而建立含气非饱和沉积物声学模型以及获取沉积物中气泡体积分数,最终测试水饱和沉积物声学模型,本文在尺寸不大的室内水池(长22.5 m、宽2.44 m、深2.8 m)中搭建了大尺度含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台,考虑到低频声波的波长较长和水池多途干扰严重等问题,采用掩埋水听器拾取水中声源发射的信号,在有界空间中应用多水听器反演方法首次获取了含气非饱和沙质沉积物低频段的声速数据,并同时利用双水听器法获取了声速数据.然后基于等效介质理论,改进了水饱和EDFM,揭示了气泡对沉积物低频段声学特性的影响规律,从理论上解释了沉积物中声速降低的原因.最后通过分析模型预报声速对模型参数的敏感性,根据所改进的模型和沉积物中的声速分布反演得到了沉积物不同区域的气泡体积分数,为在位获取沉积物内部气泡体积分数及分布提供了新思路.当声波频率降低时,声波波长增大,有界空间低频段声速频散数据获取会受到强烈的多途干扰.考虑到含气非饱和海底沉积物对低频声波也有很强的隔声和声吸收衰减的特点,故将水听器掩埋在沉积物中拾取透射声波.水池的长度方向设为x轴方向,位于沉积物表面,深度方向设为y轴方向,声源位于水中,水听器在沉积物中,建立如图1所示的坐标系.端面辐射的宽带声源斜向沉积物表面辐射脉冲声波,满足Snell折射定律的声波将进入沉积物中而被水听器所接收.假设水中声速c1,沉积物中声速c2,声源声中心距离沙面的距离H,第i(i=1,2,...,8)号水听器距离沙面的距离Di.当声源位于第j(j=1,2)个位置时,第i号水听器距离声源的水平距离为Lji,声波入射点距离声源的水平距离为xji.根据Snell折射定律,忽略沉积物中声速的空间变化,特征声线的传播时间方程和Snell方程可表示为:其中τji表示声源位于第j个位置时到达第i号水听器声波的传播时间.由于(1)式与信号的到达时刻有关,(2)式与几何参数和声速有关,(1)式随反演参数的变化量远小于(2)式,因此构造目标函数时需要进行加权处理.但是由于权重的选取具有一定的任意性,为了消除加权处理带来的误差,以及消除反演参数之间的耦合,降低寻优问题的维数,这里将沉积物声速c2作为间接反演参数.将(2)式变形后代入(1)式得到记(3)式左边为Fji,则构造的目标函数如下:事实上,方程(1)和(2)中的未知量xji可以用沉积物声速c2表示,这就意味着用单个水听器接收信号的传播时间便可计算出沉积物的声速.然而由于信号带宽较窄,信号传播时间又小,为了降低数据误差引起反演结果的偏差,反演过程中仍采用多水听器接收信号的传播时间组成的方程组进行反演,同时它也可以求解沉积物内部不均匀的问题.采用差分进化算法,依据代价函数反演得到声源声中心距折射点的距离x1i 和x2i,根据(2)式计算沉积物声速c2.为了验证反演算法的可行性以及传播时间数据误差的影响,假设水中声速为1470 m/s,沉积物中声速为120 m/s,采用单一位置声源多水听器联合反演方法,以声源处于位置1为例,其他参数如图4所示,根据几何关系计算出水听器接收信号的传播时间τ1i.假设实验数据的传播时间误差服从均值为0、标准差为0.01 ms的正态分布,对沉积物声速进行蒙特卡罗实验,反演得到的平均声速如图2所示,100次蒙特卡罗实验得到的声速为(119.9842±0.3064)m/s.从数值算例可以看出,当传播时间估计误差在0.01 ms的量级时,反演得到的声速与理论声速符合较好,验证了此条件下反演算法的可行性.当利用掩埋在沉积物中不同位置的多个水听器接收信号的传播时间进行反演时,如果沉积物内部充分均匀,则基于多水听器的反演可以降低单个水听器位置误差带来的声速反演偏差.如果沉积物局部不均匀,则多水听器的反演可以反映介质的不均匀性,有利于进一步研究气泡体积分数对介质声学特性的影响.含气非饱和沙质沉积物声学特性获取平台位于长22.5 m、宽2.44 m、深2.8 m 的水池中.沉积物样品填充在位于水池长度方向中间位置池底上方的长方体容器中,容器的两端由铝合金框架和有机玻璃板构成,两个侧壁为水池池壁,如图3所示.实验平台的大小以及水听器掩埋位置如图4实验平台示意图所示.实验中共掩埋8只水听器,其中5号和8号水听器为TC4013,其余6只水听器为B&K8103.1号、3号和6号水听器的掩埋深度为11 cm,2号、4号和7号水听器的掩埋深度为60 cm,5号和8号水听器的掩埋深度为90 cm,所有水听器均位于水池宽度方向的中心位置.实验所用沙样品为细沙,实验测量得到其平均颗粒粒度为2.95 phi.在无水状态下用沙样品将水听器掩埋在不同的位置,待铺沙完成后往水池中注水浸泡沙样品.长期的实验监测表明,以这种方式形成的沙质沉积物含有大量气泡,并且气泡的体积含量非常稳定.沙样品的尺寸为长4.1 m,宽2.44 m,高1.13 m.水池中水深2.03 m,沙面上方水层厚度0.9 m.实验所用声源为柱形端面辐射换能器,通过不锈钢连接杆刚性固定在水池上方的走架上.走架安装在水池池壁上表面的导轨上,调节走架可控制声源的水平位置及深度.实验中采用两种不同的方法获取沉积物的声速,即双水听器直接测量和多水听器反演.直接测量时,声源辐射面垂直向下,声轴对准正下方的水听器,声源辐射面距沉积物上表面的垂直距离为0.2 m;反演实验时,声源的辐射面与沉积物表面成一定夹角,声源声中心距沉积物上表面的垂直距离为0.5 m,声源位置1和位置2距1号水听器左侧的水平距离分别为0.5 m和0.25 m.发射信号为连续波(CW)脉冲,中心频率范围为300–3000 Hz,共10个频点.发射信号脉冲长度均为10 ms,这是为了保证相同的脉冲长度和信号带宽,同时为了保持较窄的信号带宽,以减小声源发送电压响应不平坦带来的发射信号波形畸变.CW脉冲的发射周期为1 s,并在接收端同步进行采集,采样率为500 kHz.由于用来声速反演的物理量τji为声波的绝对传播时间,因此需要已知整个测时系统本身所带来的系统时延.在水池中将B&K8103水听器布放在声源的声轴方向上,声源与水听器相距0.61 m,水中声速通过mini-SVP获得,声速为1472.85 m/s.声源发射不同中心频率的CW脉冲信号,获取不同频率下系统的时延,从而对传播时间进行修正.由于水池的宽度和深度都相对较窄,并且发射信号的波长远大于声源的尺寸,当发射信号的脉冲宽度不足够短时,到达接收水听器的多途信号在时域上将发生叠加.为了验证水听器接收信号的传播路径,保证获取数据的可靠性.保持声源与反演测量时状态相同,水平方向上由远及近朝水听器方向移动,在不同水平距离上发射声波(实验所用低频声源在辐射面的半空间近乎全指向性,水平距离的连续变化相当于到达某一水听器的声波入射角的连续变化).当发射信号中心频率为1 kHz时,水听器接收的折射信号时域波形如图5所示,横坐标为传播时间,纵坐标为声源声中心距离水听器的水平距离.图5中实线为按照Snell折射定律计算得到的特征声线传播时间,对应的声速分别为94 m/s和85 m/s.从图中可以看出,水听器接收信号第一个波峰的传播时间与理论计算得到的信号第一个波峰的传播时间完全一致,验证了获取数据的可靠性.另外,随着声源与水听器之间水平距离的减小,水听器接收信号的幅度逐渐增大.当声源声中心位于水听器正上方时,信号幅度达到最大.这也表明掩埋在沙子中的水听器拾取的最早到达的声脉冲是从声源出发经水-沙界面折射后到达水听器的,再次验证了获取数据的可靠性.由于即使对于几百赫兹的低频声波,含气非饱和沉积物也有很强的衰减作用,导致掩埋在90 cm深度的5号、8号水听器接收信号的信噪比较低,因此在实验数据处理时只考虑其他6只标准水听器拾取的数据.应用水听器拾取的数据,采用上一节提出的反演方法开展单一位置声源多水听器联合声速反演,结果如图6所示,图例中1–6分别代表对应水听器所处区域沉积物声速的反演结果.反演得到的声速低至百米每秒的量级,声速从79 m/s变化到142 m/s.为了进一步分析这一问题,采用双水听器相对测量方法获取沉积物的声速.声源在一对水听器的正上方垂直向下发射声波,如图4所示.分别对3-4,6-7两对水听器拾取数据进行处理,采用过零检测估计信号的到达时差,时差的不确定度为±0.01 ms.声速数据的不确定度由距离和时差的不确定度确定,双水听器间的距离不确定度为±5 mm,双水听器法获取的声速如图6中不同颜色的星形符号所示,声速从112 m/s变化到121 m/s.可以看到,双水听器法得到的数据与多水听器反演方法获得的数据在量级上一致,大小上符合,实验频段内声速也不存在频散.两种方法获取的结果确定了实验数据的可靠性,同时从测量的声速结果可以看出,不同水听器所处区域沉积物的声速分散在较宽的范围内,声速出现明显的不均匀现象.下一节将对含气非饱和沉积物在低频段的声学特性进行建模,并且分析沉积物中声速不均匀的原因.Stoll和Kan［10］在流体饱和多孔弹性介质声传播理论的基础上,引入颗粒间接触产生框架损耗的概念,将Biot理论应用于海底沉积物声传播建模中,建立了Biot-Stoll模型.遗憾的是该模型参数多达13个,并且一些参数难以准确获得.出于该原因,并且考虑到沉积物框架弹性模量一般远小于颗粒和孔隙水体积弹性模量这个事实,Williams［11］简化了这一模型.通过忽略复框架体积模量和剪切模量,Biot-Stoll模型参数减少了4个,得到了EDFM.在EDFM中,沉积物等效密度表示为采用等效密度后,孔隙弹性体波动方程退化为流体波动方程:式中可以得到复声速其中,Keff为等效体积模量,ρeff为等效密度;复声速的实部和虚部分别代表声波的相速度和衰减,ueff为等效位移,Peff为等效声压;参数ρ = βρw+(1−β)ρg为沉积物容积密度,ρw为孔隙水质量密度,ρg为颗粒质量密度,β为孔隙度;α为弯曲度;η为孔隙水动态黏滞度;F为孔隙水动态黏滞度修正因子;κ为渗透率;ω为角频率;Kg 和Kw分别为颗粒体积弹性模量和孔隙水体积弹性模量.Williams给出的简化模型是用来描述水饱和沉积物的,而实际海底沉积物并非一定水饱和,对于水池中铺设的沙样品等人造沉积物,实验研究表明该沉积物内部含有大量气泡,并且在较短的时间内,气泡含量几乎不会减少.为了获得含气非饱和沉积物的声学特性,或者分析气泡对沉积物声学特性的影响规律,有必要建立新的含气非饱和沉积物声学模型.基于等效介质理论［22］,假设沉积物的各组成成分都是各向同性、线性和弹性的.由于孔隙水和气泡体积弹性模量较低,混合物较软,并且当声波频率远低于最大气泡的共振频率时［15,23］,可以将孔隙水和孔隙水中的气泡等效为一种流体,等效流体体积弹性模量可以采用Reuss平均公式得到,即等效后孔隙流体的密度由线性平均公式计算得到,其中βb为孔隙流体中气泡的体积分数,ρb为气体的密度,Kb为气泡的体积弹性模量,ρf和Kf分别是等效流体的密度和体积弹性模量.将EDFM中孔隙水的密度和体积弹性模量用等效孔隙流体的密度和体积弹性模量替换,得到了改进的EDFM,实现了低频段含气非饱和沉积物声学特性建模.图7所示为改进的EDFM中沉积物等效密度实部与等效体积弹性模量随气泡体积分数的变化规律(频率f=100 Hz,其他模型参数见表1).可以看出,当气泡体积分数较小时(＜1%),气泡的少量增加就会使沉积物的等效体积弹性模量显著降低,而孔隙水的密度远大于气体的密度,少量气泡的存在几乎不改变孔隙流体的密度,也不改变沉积物的密度,因此导致含气非饱和沉积物在低频段的声速显著降低.图8为改进模型预报声速随气泡体积分数的变化规律.可以看出,随着气泡体积分数的增加,模型预报声速逐渐降低,并且降低的趋势逐渐变得平缓.通过以上的分析可以看出声速对气泡体积分数非常敏感,可以利用这一特性反演气泡体积分数.下面对模型参数的敏感性进行分析,从而确定待反演参数.为了研究声速对模型参数的敏感性,图9给出了模型预报声速随模型参数的变化曲线,对于模型中参数的取值范围(见表1),其中气泡体积分数βb由前期的仿真分析大致估计得到;气泡体积弹性模量Kb由绝热压缩时气泡所处的静水压力及气体的比热容比计算得到;孔隙度β、颗粒质量密度ρg和平均颗粒粒度ϕ通过实际测量得到,并给出了不确定度范围;气体密度为0–60°C的标准值,颗粒的体积弹性模量参照文献［5］给出的范围.研究模型预报声速对模型中某一参数的敏感性时,将其他参数设定为取值范围的平均值(气体密度除外,其选择17°C条件下的标准空气密度). 除了以上7个参数,模型中涉及的弯曲度α以及渗透率κ参考文献［24］和［25］给出的公式,通过孔隙度和平均颗粒粒度计算得到;涉及与孔隙水有关的参数,如孔隙水动态黏滞度η、孔隙水质量密度ρw、孔隙水体积弹性模量Kw参考文献［13］取纯水的标准值.由敏感度分析的结果可以将模型中的参数分为三类:1)声速对气泡体积分数βb非常敏感,参数的变化导致声速明显的不确定性;2)声速对气泡体积弹性模量Kb、颗粒质量密度ρg和孔隙度β比较敏感,参数的变化导致声速较小的不确定性;3)声速对平均颗粒粒度ϕ、气体密度ρb和颗粒体积弹性模量Kg几乎不敏感.因此气泡体积分数的不均匀性是导致沉积物声速产生不均匀现象的主要原因.在进行数据与模型拟合时,由于气泡体积弹性模量Kb在深度方向上的变化不大,在实际声波传播路径上它也是一段距离上的平均作用,并且气泡体积弹性模量的变化导致声速不确定性较小,所以将气泡体积弹性模量Kb取作这一段深度方向上的平均值.同样方法进行取值的还有孔隙度β和颗粒质量密度ρg,由于对声速的影响较小,因此其对数据与模型拟合的影响较小.对于其他参数,由于声速对其极其不敏感,所以都取平均值.因此在进行数据与模型拟合时,只反演气泡体积分数βb,并对气泡体积分数对声速的影响进行分析和讨论.通过模型预报声速对模型参数的敏感性分析可知,除气泡体积分数以外,其他参数对模型预报声速的影响很小,尤其是对于反演得到的声速而言,因为反演结果的精度与双水听器直接测量结果的精度相比相对较低,数据/模型进行拟合时,准确反演不敏感的模型参数较为困难,因此数据/模型拟合时只反演模型中的气泡体积分数(参数反演范围见表1).气泡体积分数βb反演时所用代价函数为其中N表示反演时所用实验数据的频点数;cm(βb)和c2m分别表示第m个频点时模型预报的声速和实验测量的声速.由于(9)式等效成立的条件为声波频率远低于最大气泡的共振频率,气泡的共振频率可以由下式计算得到［15］:。
第6章 海洋中的混响1
kHz
f0
0 . 33 a
1 0 .1d
m
cm
6.3 海水中气泡的声学特性
3、单个气泡的散射截面、吸收截面和消声截面
根据机电类比，小气泡的散射功率 W s 就是消耗在电阻 R s 上的功率： 入射声波强度
Ws ( P0 S 0 ) R s 2 Zm
第6章 海洋中的混响
6.3 海水中气泡的声学特性
海面混响形成：海面不平整性、波浪产生小气泡对声 波的散射。
海面混响的特性与水中气泡的声学特性密切相关。
层厚、气泡浓度及气泡半径取决于气象条件
6.3 海水中气泡的声学特性
1、小气泡对声波的吸收作用
需注意问题：小气泡不属于吸声材料，但由于小气泡群的吸收 和散射作用，声波通过这种气泡群后会产生很大衰减。 衰减的原因： 气泡散射——气泡的存在使介质出现不连续性
6.3 海水中气泡的声学特性
4、衰减系数
定义：
平面声波在含气泡水中传播时的声强度衰减：
10 lg
I1 I2
I 2 和 I 1 分别为声波传播方向上相距单位距离两点声强。 式中，
设每个气泡的消声截面为 e 振气泡，则衰减系数为：
4 . 34 n
e
m
2
，每
m
3
水介质中含有n个共
dB m
6.4 海面混响
1、海面混响理论
海面混响的等效平面波混响级表达式：
RL SL S V c 40 lg r 10 lg H 10 lg r 2
若散射层内 S V 是均匀的，则 S V 10 lg H 恰好就是界面散射强 度 S s ；则海面混响的等效平面波混响级表达式：
气泡对声传播影响的研究
（ ３ ）
Ｐ＝Ｐ∑（ ＋ ） （ｓ Ｂｆｂｅ ｂ ０ ２ １ 一 ） ｏＯ ｄ ｋ） ｚ （ ￣） （ｒ
其中 为待定常 数 ， 表示气泡 内声压振 幅与入射声 压振幅之 比值 ，占 忌 为气泡 内声波波数 。
由于气泡的存在 ， 液体 介质中除了原来的声波外 ， 会 出现 一列从 圆球 向四周 散射 的散射波 ， 而在介质 中产生散 射 使 还 进 声场 。 圆球辐射的声压可表示为
Ｐ＝ 芝 （ ＋ ） （ｓ Ａ ｔ ｒ ｓ ０ ２ １ 一 ） ｏＯ ｔ（ ） ｚ （ ｏ ） ｈｋ ｅ
其 中 Ａ 为待定常数 ， 表示散射声 压振幅与入射声压振幅 的比值 。
图 ２是所 含气泡体积分数时 口 ０ ， 速随声波频率 的变化 图， ＝１ 一时 声 曲线 １为气泡半径 ａ ． ×１ —ｍ， ＝０ ８ ０ ５ 曲线 ２为 ａ ． ＝０ ８ ×１ ｍ０在 以上 曲线 中 ， ０ 声速几 乎不 随频 率变 化 ； 由此 可知 ， 虑气 泡存在 时 ， 波频率 增大 对声 速影 响很 小 ， 考 声 几乎可 以忽
１７ ０
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相等， 但它能 大致反 映声速随气泡体积分数变化 的基本 趋势 。
Ｖ
着
Ｖ
艘 板
瑙
韫
气 泡 体 积 分 数 ×１ Ｏ
图 １ 声速 随气泡体积分数的变化
图 ２ 声速随声波频率的变化
［ ］ 高永慧 ． ２ 用声透射 损失测气 一水混相介质 中的含 气量 ［］应用声学 ，９ ９ １ （ ） ３ —３ ． Ｊ． １ ９ ，８ １ ： ２ ５ ［ ］ 高永慧 ． ３ 用超声波测 气 一水混相介质中的含气量 ［］工科物理 ，９ ８ ８ １ ：０ ３ Ｊ． １ ９ ，（ ） ３ —３ ． ［ ］ 高永慧 ， ４ 吴小薇 ， 沈本善 ． 用声 学方法测量气液混相物 质中的含 气量 ［］ 石油大学 学报（ Ｊ． 自然科学版 ） １９ ，３ １ ：０ 一 ，９ ９ ２ （ ） １８
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。