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)06-0054-071 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 a249k 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卷形基座的底部.一个深度(即压力)传感器安装在基座的上部,高出发射和接收超声换能器0 5m,随着水下探头由钢缆逐渐释放而沉入悬浮泥沙(泥浆)之中,超声换能器不断发射和接收声信号,深度传感器也不断输出深度信号.经过一定的信号处理后,就能得到悬浮泥沙(泥浆)重度随深度变化剖面的测量记录.假设钳形基座在清水中时接收换能器接收到的超声波幅度为A 0,当钳形基座沉入悬浮泥沙而发射换能器的发射声功率保持不变时1),接收换能器接收到的超声波幅度为A n ,则声衰1)严格地说,发射换能器在水中和在悬浮泥沙中的辐射阻抗会有变化,当发射换能器的激励电功率不变时会因辐射阻抗变化而使发射声功率变化,但是实际测量表明,在悬浮泥沙的重度小于15kN/m 3的情况下,这种变化很小,对测量的影响不大.减系数可由下式求得:∋=20log 10(A 0/A n )/d(6)由式(5)和(6),并考虑∋w (f )可以忽略,得到∃=K log e (A 0/A n )+∃w ,(7)式中,K =20log 10e/(Bdf )=8 686/(Bdf )(8)为标定系数.在一定的观测区域B 是一个常数,因此标定系数相应于特定的测量区域也是一个常数.这就是根据声衰减原理观测高浓度悬浮泥沙的基本运算公式.按照式(7)直接测量 图2 U BD-500超声重度计的实物图片的是悬浮泥沙的重度,使用式(4)和(3),就可以把重度换算为相应的含沙量或干泥体积百分比.按照长江口航道的浮泥探测和黄河小浪底水库的泥沙测量的实际需要,根据图1所示的实验结果,研制了取名为UBD-500超声重度计的悬浮泥沙观测仪器(图2).选取的主要设计参数是:f =500kH z 和d =0 15m.主要的技术指标是:重度测量范围为10~15kN/m 3(相应的含沙量测量范围为0~800kg/m 3);标定后的测量误差为 5%(F S ).UBD-500超声重度计由一个水下探头(安装了两个500kHz 的超声换能器和一个压力传感器)和一个便携式信号处理机(安装在一个手提公文箱内)两部分组成,便于在野外测量使用.信号处理机带有标准的RS232接口,与PC 机连接可进行通讯,野外测量得到的数据可以输入PC 机保存,并进行后级处理.此外,按照水力发电机进水口的水中含沙量监测的使用要求,研制了UBD-1500超声重度计.选用的超声波频率为1500kH z,含沙量测量范围为0~50kg/m 3.仪器的结构与UBD -500超声重度计相同.3 2 仪器标定根据声衰减原理研制的超声重度计和其他各种光学的、红外线的、放射性的或声学(根据576期 张叔英等:高浓度悬浮泥沙的声学观测58海洋学报 25卷声散射原理)的泥沙观测仪器一样,需要通过标定以后才能进行定量的观测,但相比之下,超声重度计的标定比较简便和稳定,这可能是受到使用者欢迎的一个主要优点.前面已经指出,在平均粒径为几十微米量级的悬浮泥沙中,频率500和1500kHz的声衰减主要是黏滞衰减,则由式(4)决定的声衰减系数(即常数B)大致与泥沙平均粒径成反比.由式(8)可知,根据声衰减原理研制的超声重度计的标定系数(K)大致与泥沙平均粒径的1次方成比例,但是就其他各种光学的、红外线的、放射性的或声学(根据声散射原理)的泥沙观测仪器而言,有的是根据光学的或声学的背向散射强度测量泥沙的含沙量,有的也是根据射线的衰减系数测量泥沙的含沙量,而且主要是散射衰减,所以这些泥沙观测仪器的标定系数对泥沙平均粒径的变化要灵敏得多(大致与泥沙平均粒径的3次方成比例),由此引起的实际测量误差也就相对大得多.超声重度计的现场标定方法十分简便:在水中某一深度上用容器提取一定体积的浑水(泥浆)后使用ANB-1泥浆比重计称重得出重度值,依据这个重度值去标定超声重度计在同一深度上的测量值,就能够#实时∃地确定标定系数,由此就可以定量地观测该区域的高浓度悬浮泥沙的重度值随水深的变化规律.实际经验表明,相对于一定的观测区域,标定系数是比较稳定的,实际上通过一次标定得出了标定系数以后,不必再作多次的修正.因此,使用UBD-500和UBD-1500超声重度计就方便得多.在悬浮泥沙浓度不高的情况下,由ANB-1泥浆比重计称重得出重度值的误差很大,因此需要采用烘干称重的方法得出含沙量值后对超声重度计进行标定.这种方法很费时间(当然就不可能实时标定),但是比较精确,而且由烘干称重法得出的含沙量值为水文测量规范所认可.3 3 对比试验为了验证U BD-500和U BD-1500两种型号的超声重度计的技术指标,在黄河小浪底水库的小浪底建设管理局检测中心进行了对比试验.具体的做法如下:在小浪底水库现场采集泥沙样本(稠密的泥浆),再在小浪底建设管理局检测中心对采集到的泥浆用清水稀释,分别配制成含沙量约为80~500kg/m3的5种不同含沙量的测试泥样,供UBD-500的对比测试使用;配制成含沙量约为10~50kg/m3的3种不同含沙量的测试泥样,供UBD-1500的对比测试使用.把测试泥样分别盛放在各个小水槽内,在测量时需要搅拌均匀.UBD-500和U BD-1500超声重度计通过一次标定得出标定系数以后,分别测量各个测试泥样的重度值.对同一个测试泥样,分别使用ANB-1泥浆比重计和烘干称重法进行对比测量,读取比重值和含沙量值.对于每一个测试泥样,三种测量都进行两次,然后把两次测量的平均值进行比较,得出的对比试验结果如表1和2所示,重度(∃)、含沙量(M)和比重(R)三个物理量之间的关系为∃=10R; M=158(∃-10).对比试验表明,通过适当的标定以后UBD-500和UBD-1500两种型号的超声重度计所测定的泥样含沙量值与烘干称重法测定的泥样含沙量值十分接近,两者最大的绝对误差不超过满量程(F S )的5%.对使用天平称重的ANB-1泥浆比重计来说,测量高浓度(即大比重)泥样的含沙量时的误差(与烘干称重法相比)是较小的,但是测量低浓度(即小比重)泥样表1 UBD-500超声重度计对比测试结果样品编号ANB-1读数U BD-500读数(K =0 84)比 重含沙量(换算)/kg &m -3重 度含沙量(换算)/kg &m -3烘干称重法测量的含沙量/kg &m -311 350553 013 21507 2530 1521 298470 812 91459 8452 0531 197311 311 86293 9297 6041 113178 511 02161 2164 6451 064101 110 5282 284 97表2 UBD-1500超声重度计对比测试结果样品编号ANB-1读数UBD-1500读数(K =0 07)比 重含沙量(换算)/kg &m -3重 度含沙量(换算)/kg &m -3烘干称重法测量的含沙量/kg &m -311 03555 310 2945 845 9221 02234 810 1422 120 7231 01320 510 0711 19 93的含沙量时的误差就很大.值得注意的一个现象是,由ANB-1泥浆比重计测量泥样的含沙量值时读数总是偏大10%左右.因此,在低含沙量情况下如果仍然希望用ANB-1泥浆比重计对超声重度计进行标定(因为简便和实时),则在标定过程中可以把超声重度计的重度读数调整到比ANB-1泥浆比重计的重度读数大约低10%,由此得出的超声重度计的标定系数就能使超声重度计测量含沙量的精度提高.4 结语根据声衰减原理研制的超声重度计能够有效地用于高浓度悬浮泥沙的连续和实时观测.这种仪器的主要优点是标定比较简便和稳定,适用的含沙量观测范围是10~800kg/m 3,这正好是根据声散射原理研制的悬浮泥沙观测仪的含沙量观测范围(0 1~10 0kg/m 3)的延伸,能够满足对我国黄河、长江和近岸海域开展沉积动力问题研究的观测要求.凌鸿烈、任来法和孙耀秋参加了声衰减实验研究和超声重度计研制的工作,特此感谢.参考文献:[1] 张叔英,李允武.声学悬浮泥沙观测系统的研制和应用[J].海洋学报,1998,20:114 119.[2] 张叔英,李允武.悬浮泥沙声学观测的原理分析[J].声学学报,1999,24:269 274.[3] 郭纪捷,任来法,李允武.声学悬浮泥沙观测数据的现场标定研究[J].海洋学报,1998,20:120 125.[4] HAM ILTON L J,SH I Zhong,ZHANG Shu ying.Acoustic backscatter measurements of estuarine suspended coh esivesediment concentrati on profiles[J].J Coast Res,1998,14:1213 1224.[5] SH I Zhong,REN Lai fa,ZHANG Shu ying,et al.Acoustic i magi ng of cohesive sediment resuspension and re entrainment inthe Changjiang Estuary,East China Sea[J].Geo M ar Lett,1997,17:162 168.[6] HANES D M ,VINCENT C E,H UNT LEY D A,et al.Acoustic measurements of suspended sand concentration i n the C 2S 2experimentat at Stanhope Edw ard Is land [J].M arine Geology,1988,81:185 196.[7] THORNE P D,VINCENT C E ,HARDCASTLE P J,et al.M easuring suspended 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acoustic observation instruments for real t ime measurements of the bulk density profile of suspended sediments(U BD-500/1500ultr asonic bulk density meter)hav e been developed and applied to surv ey ing the fluid mud in the Changjiang waterway and to t he observations of mud and sand in the Xiaolangdi Reservoir of the Huanghe River.T he pr inciple of measur ement and design and calibration of the instrument are discussed in detail. T he specifications of the instruments are as follows:the range o f measurement is800kg/m3(for U BD-500)and50 kg/m3(for UBD-1500),the error o f measurement is5%(F.S.).Compar ing with o ther kinds of instruments for measuring suspended sediments(OBS,ABS,infr ared o r ray meter),the main advantag e of the ultrasonic bulk density meter by way of acoustic attenuation measurement is that the calibr atio n to the instrument is relatively mor e stable and easier.Key words:thick suspended sediment;acoustic obser vation;measurement pr inciple of acoustic attenuation。