关于超声测量技术在模型黄河中的应用

Application of Ultrasonic Topographic Survey Technology in Model Yellow River

摘要: 目的：本文通过对超声波在浑水中的衰减进行了试验研究，为超声波用于黄河实体模型试验地形测量打下基础。方法：以粉煤灰为模型沙，在不同含沙量条件下通过共振法、相位法、时差法进行了超声波在浑水中的声速试验，对超声波在浑水中的衰减也进行了试验研究。结果：实验结果表明，声波在浑水中的传播速度差异不大。结论：经过试验研究与理论分析，得到超声波在粉煤灰的浑水中传播，含沙量对声速的影响不大，超声波探测技术可以应用于黄河实体模型地形测量。

Abstract: Purposes: In this paper, the attenuation of ultrasonic wave in muddy water is studied, which lays a foundation for the topographic survey of Yellow River solid model test. Method: Using fly ash as model sand, the ultrasonic velocity test in muddy water was carried out by resonance method, phase method and time difference method under different sand content conditions, and the attenuation of ultrasonic wave in muddy water was also studied. Findings: The experimental results show that there is little difference in the propagation speed of sound waves in muddy water. Conclusions: Through experimental research and theoretical analysis, it is found that ultrasonic wave propagates in the muddy water of fly ash, sand content has little effect on sound velocity, and ultrasonic detection technology can be applied to solid model topographic survey of Yellow River.

1. 引言

黄河是世界上公认的最复杂、最难以治理的河流，黄河实体模型试验是研究黄河流域演变规律和治理开发中关键技术问题以及各种治理方案的重要手段。黄河实体模型试验中泥沙的冲淤、河道地形的变化则是动床模型试验的主要研究对象。黄河实体模型试验水下地形变化是试验的重要参数。快速、准确测量水下地形是模型试验的迫切要求。目前，黄河实体动床模型试验地形测量绝大部分还是采用人工测量的方法，效率低，人为干扰因素比较大，已经很难满足模型试验的需要。随着声波技术的发展，超声波测深技术对于黄河测深具有重要意义。

2. 基本原理与实验

超声波测深的基本原理是利用声波发射探头在水中发射声波，超声波在水中传播，遇到介质突变(河床介面)发生反射，然后接收该声波从水底反射回来的回波，测出从发射声波(设声速为$c$ )开始到接收回波结束的时间$t$ ，进而算出探头到水底的距离[1]。超声波发射具有方向性，遇到障碍物有反射回波的功能。当定向发射脉冲的波束遇到边界面，就产生回波。

检出发射脉冲和接收脉冲的时间差值，按下式换算成测量距离。

$\gamma =\frac{1}{2}c\Delta t$

$\gamma$ ——为测量距离；

$c$ ——为超声波在水中传播速度，单位：m/s；

$\Delta t$ ——为发射脉与回波脉冲时间差值。

由以上原理可以看出，超声波水下地形量测与水中声速有关，对黄河实体模型，需要研究不同含沙量浑水中的声速与超声波在浑水中的衰减。

3. 浑水声速试验

超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声波的测定，可以了解媒质的特性或状态变化[2]，声速测定是浑水测深的基础。

常用声速测定有三种方法：共振干涉法、相位比较法、时差法。

在进行浑水声速试验之前，首先利用试验设备进行了超声波在清水中声速试验，试验测得超声波在清水中的声速非常接近标准声速，说明所采用的试验设备可以进行声速测量试验。清水声速数据曲线如图1所示。

Figure 1. Sound velocity curve of clear water

图1. 清水声速曲线

3.1. 共振干涉法(驻波法)测量声速

当二束幅度相同，方向相反的声波相交时，产生干涉现象，出现驻波。当两道波束它们相交会时，叠加后的波形成新的波束。

共振干涉法测定不同含沙量浑水声速，先在储液槽中加三升清水，再逐次加入10克粉煤灰，经过充分搅拌后进行声速测量，粉煤灰最高加到840克。根据共振法测得声波在不同含量浑水中速声数据绘制出声速曲线如图2所示。从曲线中可以看出，去除人为读数误差，声波在不同含沙量浑水的传播速度没有明显的差别。

Figure 2. Sound velocity curve of resonance method with different sediment content

图2. 不同含沙量共振法声速曲线

3.2. 相位法测量声速

声源发出波后央及周围形成声场，声场在介质中任一点的振动相位是随时间而变化的。但它和声源的振动相位差不随时间变化。

相位法测声速所的试验设备与共振干涉法相同，加沙量及加沙方式也一样，采用相位法测声速的试验数据

由相位法测得不同含沙量浑水中声速数据绘出曲线如图3所示。从曲线中可以看出，相位法测出的不同含沙量浑水中的声速变化不大，在280公斤以下含沙量(粉煤灰)浑水中声速不随含沙量的变化而变化。

Figure 3. Sound velocity curve of phase method with different sediment content

图3. 不同含沙量相位法声速曲线

3.3. 时差法测量声速

共振干涉法与相位法测声速，都是用示波器观察波谷和波峰，或观察二个波间的相位差，原理是正确的。但存在读数误差，较精确声速是用时声波差法，时差法得到了广泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器可以求出声波在介质中传播的速度[3]。

时差法测声速采用试验设备包括：声速测试仪(金属测试架和储液槽)、声波仪、专用信号源、超声波含沙量测试仪。

试验时先把粉煤灰经常充分浸泡，避免加沙过程中由于产生气泡而对测量产生影响，储液槽加沙采用加高浓度浑水的方法，经过充分搅拌，用超声波含沙量测试仪测得含沙量数据，然后进行浑水声速测量试验，在含沙量较高时，每个测点搅拌一次，使由于泥沙沉积对测量结果产生的误差减少到最小程度。调好声波频率和距离，采用单脉冲的方法发射声波，从声波仪上可以读出时间值和声速数据。时差法测量声速，分别选用了2公斤、50公斤、83公斤、110公斤这四种含沙量进行了试验，通过对试验数据进行分析，作出不同频率声波在同一含沙量情况下声速曲线如图4~7所示。

Figure 4. Sound velocity curves measured at different frequencies for 2 kg sediment content

图4. 2公斤含沙量不同频率测得声速曲线

Figure 5. Sound velocity curves measured at different frequencies for sand content of 50 kg

图5. 50公斤含沙量不同频率测得声速曲线

Figure 6. Sound velocity curves measured at different frequencies for sediment content of 83 kg

图6. 83公斤含沙量不同频率测得声速曲线

Figure 7. Sound velocity curves of 110 kg sand content measured at different frequencies

图7. 110公斤含沙量不同频率测得声速曲线

从曲线图中可以看出，在同一种含沙量浑水中，不同频率的声波在浑水中的传播速度没有明显的变化；在不同的含沙量浑水中，不同频率声波的传播速度差别也不大，这与前边共振法与相位法测声速得出的结论基本一致，声波在浑水中传播速度差异不大，这给超声波测量浑水水下地形提供了基本条件。

4. 浑水声波衰减试验

超声波在媒质中传播时，在声阻抗相异的界面上会产生反射和散射，造成声传播衰减。上世纪40年代，人们就已经开始了对水介质吸收特性的研究，当时主要针对纯水和电解质溶液的吸声机理进行研究。近年来，关于浑浊水颗粒介质的声衰减不少研究机构和学者进行了大量的探讨[4]。本试验针对粉煤灰(悬沙)为研究对象，在不同含沙量的浑水中进行了声波衰减试验。

实验方法；实验采用控制变量法，首先进行清水声波衰减实验作为对照组。然后在不同公斤含量的沙中进行25 kHz频率的实验，通过对比分析得到声波在浑水中的衰减规律。

试验设备包括：声速测试仪(金属测试架和储液槽)、声波仪、专用信号源、超声波含沙量测试仪。在一定含沙量情况下，改变探头距离，通过声波仪对接收波形进行分析，读出每个接收波的首波波幅和次波波幅值，接收波波幅的变化量就是声波在浑水中衰减变化量。

在浑水试验进行之前，先对声波在清水中随距离衰减的情况进行了试验，得出衰减曲线如图8所示。

Figure 8. Attenuation curve of sound wave propagation in clean water

图8. 声波在清水中传播衰减曲线

不同含沙量的声波衰减曲线如下图9~12。

Figure 9. Acoustic distance attenuation curve of 25 kHz with 2 kg sand content

图9. 2公斤含沙量25 kHz声波距离衰减曲线

Figure 10. Distance attenuation curve of 25 kHz acoustic wave with sand content of 50 kg

图10. 50公斤含沙量25 kHz声波距离衰减曲线

Figure 11. Acoustic wave distance attenuation curve of 25 kHz with 83 kg sand content

图11. 83公斤含沙量25 kHz声波距离衰减曲线

Figure 12. Distance attenuation curve of 25 kHz acoustic wave with 110 kg sand content

图12. 110公斤含沙量25 kHz声波距离衰减曲线

浑水声波衰减试验分别选用了2公斤、50公斤、83公斤、110公斤这四种含沙量进行了试验。通过对试验数据进行分析。根据吸收衰减，散射衰减以及衍射衰减原理对比分析得到声波在以粉煤灰为模型沙的浑水中传播时可以得出如下结论：

1) 超声波在浑水中传播随传播距离的增加有较大的衰减，前20厘米的衰减幅度最大，而后随距离的增加衰减幅度有所减小。

2) 超声波在浑水中传播时，随浑水含沙量增大，衰减幅度加大。

3) 超声波频率越高，在浑水中传播时，衰减幅度也越大。

5. 回波的接收与处理

回波的接收与处理是提高系统精度的关键。在黄河模型超声地形测量时，由于浑水含沙量和深度不同，回波信号幅值可能很小，采集信号之前需进行放大和滤波。放大电路的形式宜采用运放组成的同相并联结构。单级信号增益过大会导致电路的不稳定，因此信号的幅值在滤波电路中需要进一步增大。滤波电路采用二阶有源高通滤波器，其主要任务是衰减掉低频的噪声和干扰。高频的干扰可以期望在采样过程中忽略一部分，而信号处理时再做数字滤波进一步去除。这两步预处理工作完成后，得到的信号信噪比显著增大。激励信号的产生、放大、滤波、功率放大，超声脉冲的发射、回波信号的接收、放大和滤波，都可由模拟电路部分完成[5]。

6. 结论

超声波应用技术与电子元器件技术的发展，使超声波探测的精度越来越高，技术的发展使超声波应用于黄河实体模型地形测量成为可能。

本实验以粉煤灰为模型沙，对超声波在不同含沙量浑水的声速及衰减特性进行了研究。声速试验采用共振法、相位法和时差法三种方法，试验结果基本一致，保证了实验的科学性。超声波在粉煤灰的浑水中传播，含沙量对声速的影响不大，这是浑水水下地形量测的基础。通过衰减试验，得知超声波在浑水中传播时随含沙量增大而衰减加大，频率越高，衰减也越大，由此可以得到在模型黄河的建设当中可以将粉煤灰参数作为黄河建模依据，同时可以用超声波探测技术对黄河的地底进行测量，极大的丰富了黄河模型的数据基础。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。