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原文传递一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法

专利名称：	一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法
摘要：	本发明公开了一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置及方法。该装置包括锥尖阻力探头、侧壁摩擦力应变环、第一环形发射换能器、第一隔声环、探杆、第一透声介质覆膜、第一接收换能器条带、第二透声介质覆膜、第二接收换能器条带、第二隔声环、第二环形发射换能器、电子仓段、平台、配重以及吊头。该装置基于自重贯入海底沉积物中，利用声学发射换能器与接收换能器在沉积物与透声介质覆膜之间传播的界面波，测量沉积物的声学特性。本发明实现了探杆声学部件一体化，确保了声学发射换能器与海底耦合，适于海底松软沉积物的原位无扰动测量，操作简便，作业方便，一次测量可同步获得沉积物的力学与声学参数。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	自然资源部第二海洋研究所
发明人：	张国堙;陶春辉;周建平;张金辉;邓显明;徐巍军;王渊;丘磊;王汉闯;柳云龙
专利状态：	有效
申请日期：	2023-10-24T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-28T00:00:00+0800
申请号：	CN202311382273.2
公开号：	CN117129571A
代理机构：	杭州求是专利事务所有限公司
代理人：	刘静
分类号：	G01N29/07;G01N29/11;G01N19/00;G;G01;G01N;G01N29;G01N19;G01N29/07;G01N29/11;G01N19/00
申请人地址：	310012 浙江省杭州市西湖区保俶北路36号
主权项：	1.一种海底沉积物力学与声学特性原位测量装置，其特征是，该装置包括：由下至上布置在探杆（5）上的锥尖阻力探头（1）、侧壁摩擦力应变环（2）、第一环形发射换能器（3）、第一隔声环（4）、第二隔声环（10）和第二环形发射换能器（11）；所述的第一隔声环（4）和第二隔声环（10）的外壁与内壁设置若干凹槽（16），凹槽（16）的长度大于发射换能器谐振频率对应的波长；布置在第一环形发射换能器（3）与第二环形发射换能器（11）之间的探杆（5）外壁上且与探杆轴线对称的第一接收换能器条带（7）和第二接收换能器条带（9）；第一接收换能器条带（7）上贴有第一透声介质覆膜（6），第二接收换能器条带（9）上贴有第二透声介质覆膜（8）。 2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的第一环形发射换能器（3）、第二环形发射换能器（11）分别由四只四分之一圆环声学换能器基元组成。 3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的第一环形发射换能器（3）、第二环形发射换能器（11）的相邻声学换能器基元的极化方向相反，基元是径向极化的，采用径向振动模式。 4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的第一接收换能器条带（7）、第二接收换能器条带（9）分别由等间距的接收换能器基元组成，相邻基元的极化方向相反。 5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述第一接收换能器条带（7）、第二接收换能器条带（9）的基元与前置放大器集成后封装成阵。 6.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的锥尖阻力探头（1）为尖锥形，且锥底的直径比探杆（5）的直径大1mm。 7.根据权利要求1所述的装置，其特征是，第一透声介质覆膜（6）和第二透声介质覆膜（8）的功能是形成声速传播界面，造成低速与高速两个界面，声波首先到达高速界面，然后能够使用已知的低速界面的参数计算高速界面的参数。 8.根据权利要求1所述的装置，其特征是，第一透声介质覆膜（6）和第二透声介质覆膜（8）的覆膜厚度为发射换能器谐振频率对应波长的2倍。 9.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述探杆（5）外壁设置位移传感器，用于获得探杆贯入沉积物中的深度。 10.一种基于权利要求1-9任一项所述装置的海底沉积物力学与声学特性原位测量方法，其特征是，该方法包括以下步骤：步骤1，使用铠装同轴电缆或光电复合缆连接电子仓段（12）；步骤2，布放所述装置，在接近海底时，加大布放速度，使得探杆（5）利用配重（14）贯入沉积物中，第一环形发射换能器（3）与第二环形发射换能器（11）交替辐射声波，第一环形发射换能器（3）与第二环形发射换能器（11）的各四只相邻基元，均同相与异相辐射声波，声波沿着海底沉积物与透声覆膜界面的声波最先到达第一接收换能器条带（7）、第二接收换能器条带（9），由电子仓段（12）记录声波波形；步骤3，回收海底沉积物声学特性原位测量装置至其出水，放置甲板面，淡水冲洗，干燥通风存放；步骤4，使用步骤2采集的沉积物中的声传播信号波形，获得发射换能器和接收换能器与对应基元之间声波的传播时间差和振幅，利用发射换能器和接收换能器与对应基元之间的距离，计算沉积物的平均声速与声衰减系数；步骤5，利用探杆贯入过程中锥尖阻力探头（1）与侧壁摩檫力应变环（2）采集的沉积物力学数据，以及步骤4测量的沉积物平均声速，依据弹性力学公式综合评价沉积物的工程地质。