專利名稱：一種柱狀樣沉積物聲速測量方法
技術領域：
本發明涉及一種海底沉積物聲速測量方法，特別是涉及一種在可控的溫度條件下獲取海底沉積物柱狀樣品聲速測量及校正方法。
背景技術：
海底沉積物聲學參數是一個重要沉積物物理特性參數，有利于研究海底沉積的聲傳播、聲衰減和聲反射等，有利于海洋聲學設備的開發和使用。目前常規的測量方法是取樣測量，即將海底沉積樣品取回到實驗室，用聲學設備對樣品進行測量。溫度是影響海底沉積物聲學特性非常關鍵的外因。尤其是在近海區域，海底的溫度存在很大梯度變化和季節性變化。溫度變化，會使海底沉積物的壓縮性、孔隙度、含水率、剪切強度等物理特性參數產生變化，進而導致聲學特性的變化，這些物理特性參數是海底沉積物的地質聲學模型、海底沉積物土工特性與聲學特性參數正反演等研究的關鍵參量。同時溫度變化也會引起沉積物粘滯系數、熱傳導等參量變化，這些參量是影響聲波傳播的重要因素。目前水聲和聲學測井方面的研究都表明溫度對介質的聲學特性有很大的影響。上世紀九十年代初，溫壓對聲學特性的影響也逐步被提出，Jarot等人研究指出，沉積巖的聲學特性與溫度的變化有明顯有相關性。Rajan等人研究指出海底海水的溫度應考慮到沉積物聲傳播當中；美國在1999年開始的SAX99海底聲學計劃中就將溫度變化對沉積物聲學的影響作為計劃的一部分內容；Jackson等人研究表明，淺水海域海底沉積物的溫度會隨著季節的變化而變化，溫度的變化對海底界面的反射、散射和聲波在沉積物中傳播存在影響。Rafael等人的研究表明，在砂質海底溫度對聲波的速度、吸收及其反射都有影響，隨溫度的增加聲速增大而聲吸收減小。Hamilton等提出了聲速比法進行溫度校正，該方法需要到海上現測量海底溫度值，室內還是在23°C常溫下測量 。國內近幾年也開始了基于取樣測量原理上的溫度參數對聲學特性影響的研究，如曾潔瑩等人對溫度變化下超聲衰減特性進行了初步的研究；劉強、吳錦虹等討論了沉積物顆粒、環境溫度和擾動對南海沉積物聲衰減的影響；鄒大鵬在2007年的博士論文研究中利用冰箱作為溫控裝置討論了溫度對沉積物聲速的影響；2010年，陶春輝等發明了一種恒溫恒壓測量平臺。但總體來說，目前還沒有建立在溫度條件對沉積物聲速的測量及校正方法。
發明內容
為了解決取樣測量對溫度影響因素考慮存在不足。本發明的目的是提出一種將海底沉積物樣品置在一個可以設置溫度，并能在一定時間能恒定溫度的樣品測量倉內進行聲速測量的方法，進而在實驗室里模擬海底的溫度，對海底沉積物樣品進行溫度條件下的聲速測量與校正，研究溫度對沉積物聲速的影響。為達到上述的目的，一種柱狀樣沉積物聲速測量方法，其特征在于:包括下述步驟:( 1)準備:包括柱狀樣沉積物與純水校正樣品的準備，將柱狀樣沉積物切割成長度最長為15cm的被測小柱狀樣，最小長度不小于2倍的所用超聲波換能器在柱狀樣沉積物測量中波長;(2)溫度條件設定:溫度設定范圍為O 28°C，采取2°C等間隔增溫或降溫，在每一種設定溫度條件下保持恒定2小時以上再開始測量，測量完成后再進行下一個間隔溫度的測量；(3)測量:對柱狀樣沉積物與純水校正樣品在每個恒定的溫度條件下的進行測量，記錄超聲波穿透柱狀樣沉積物的時間h,記錄超聲波穿透純水校正樣品的時間t@7jc ；(4)時偏校正參數計算:時偏校正參數為測量系統、柱狀樣沉積物容器、超聲波換能器和耦合劑對超聲波傳播時間產生影響的時間偏移量，具體表示如下式:t校正=t總-t純水=t總-d純水/V純水其中，^為超聲波在被測純水校正樣品的測量時間，是超聲波純水校正樣品中的傳播時間，為純水校正樣品的實際長度，超聲波在純水中速度；其計算公式如下:V純水=1492.9+3X (T-1O)-0.006X (T-10)2-0.04X (T-18)2_42_0.01(T_18)其中，T為溫度。C ;(5)柱狀樣沉積物聲速計算:利用柱狀樣沉積物實際長度Clfftw、柱狀樣沉積物在不同溫度條件下的測量時間值h和時偏校正參數來得到沉積物在不同溫度條件下的聲速值VSliR，公式如下:V沉積=d沉積/ (t0_t校正)。
作為優選，上述一種柱狀樣沉積物聲速測量方法中純水校正樣品進行一次增溫或降溫測量，柱狀樣沉積物的測量以一次升溫和一次降溫進行測量。有益效果是，給出了在實驗室模擬海底溫度環境條件下的沉積物柱狀樣聲速測量方法，提出了符合實際的溫度設置方法與步驟，以不同溫度條件下的純水校正樣品的聲速值為參考，對沉積物不同溫度條件下的聲速值進行對應校正。
圖1純水聲速-溫度對應曲線
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的具體實施作進一步說明。實施例 1結合附圖詳細說明本發明技術方案中所涉及的各個細節問題。應指出的是，所描述的實施過程僅用于對本發明的理解，不對本發明起任何限定作用。本發明中沉積物與純水的聲速分別代表沉積物柱狀樣和純水的實際聲速，已對溫度、測量系統、樣品容器等進行了校正后的聲速值，符號分別為Vfftw與單位均為m/s。一種柱狀樣沉積物聲速測量方法，包括下述步驟:( I)沉積物準備:包括柱狀樣沉積物與純水校正樣品的準備，將柱狀樣沉積物切割成長度最長為IOcm的被測小柱狀樣；本步驟是非常關鍵的步驟，沉積物的準備要保證樣品的完整性，在切割樣品時保證樣品盡可少地被污染，不可以混入其它樣品。由于每個測量者可能使用不同頻率的聲波換能器，所以滿足聲波測量的一維彈性條件并不完全相同，所以本發明規定了最小樣品長度不小于2倍的所用超聲波換能器在沉積物中波長，而純水樣品僅用于計算校正時偏值，不需要其他長度的校正樣品。(2)溫度條件設定:溫度設定范圍為O 28°C，采取2°C等間隔增溫或降溫，在每一種設定溫度條件下保持恒定2小時以上再開始測量，測量完成后再進行下一個間隔溫度的測量；本實施例中1°C范圍的數值變化不大，應用者可以根據本發明的方法按自己的需求增加。在設置到一個恒定值，需保持2小時以上的恒定，主要目的是使沉積物內部達到溫度的均衡，并使溫度的影響特性達到穩定，保證測量精度。(3)測量:對柱狀樣沉積物與純水校正樣品在每個恒定的溫度條件下的進行測量，記錄超聲波穿透柱狀樣沉積物的時間h,記錄超聲波穿透純水校正樣品的時間t@7jc ;本步驟的測量是一個復雜的過程，本實施例只是提出了溫度設置的測量流程，具體的聲波測量方法應用者根據國標的規定嚴格執行，以確定測量數值的準確性。純水校正樣品僅是獲得校正的時偏值，所以只需進行一次增溫或降溫的測量，但在測量系統長時間停置使用后，再進行樣品測量時，需重新進行校正樣品的測量。沉積物樣品因升溫和降溫過程可能產生不同的變化，所以建議進行二個順序的測量。(4)時偏校正參數計算:時偏校正參數為測量系統、柱狀樣沉積物容器、超聲波換能器和耦合劑對超聲波傳播時間產生影響的時間偏移量，具體表示如下式:t校正=t總-t純水=t總-d純水/V純水其中，、6為超聲波在被測純水校正樣品的測量時間，是超聲波純水校正樣品中的傳播時間，為純水校正樣品的實際長度，超聲波在純水中速度；其計算公式如下:V純水=1492.9+3X (T-1O)-0.006X (T-10)2-0.04X (T-18)2-42_0.01 (T-18)其中，T為溫度。C ;本步驟中假定純水的聲速作為已知條件，純水的聲速計算采取LeroyC.C.的公式，附圖1是按此公式計算出來的結果圖。實際上關于純水或海水的聲速計算存在很多其他的研究結果，本發明者的研究認為，選用一些被公認的研究結果對本發明計算校正時偏的影響不大，應用者可以參照本發明利用其它關于純水或海水的聲速計算公式來代替，但不影響本發明的測量方法流程。步驟e所述的沉積物樣品在不同溫度條件下的測量時間值(tj，是利用聲速測量儀所獲得的數值，包括了測量系統、耦合劑和樣品容器等影響的時偏在內，該時偏即為利用純水計算出來的校正時偏(tei)。(5)柱狀樣沉積物聲速計算:利用柱狀樣沉積物實際長度Clfftw、柱狀樣沉積物在不同溫度條件下的測量時間值h和時偏校正參數來得到沉積物在不同溫度條件下的聲速值VSliR，公式如下:V沉積=d沉積/ (t0_t校正)。在本實施例中，純水校正樣品進行一次增溫或降溫測量，柱狀樣沉積物的測量以一次升溫和一次降溫進行測量。經測定，本實施例所得結果非常符合要求。實施例2
在沉積物準備階段，將柱狀樣沉積物切割成長度最長為8cm的被測小柱狀樣；其余步驟如實施例1相同，結果與實施例1相似的，效果良好。
權利要求
1.一種柱狀樣沉積物聲速測量方法，其特征在于:包括下述步驟: (1)沉積物準備:包括柱狀樣沉積物與純水校正樣品的準備，將柱狀樣沉積物切割成長度最長為15cm的被測小柱狀樣，最小長度不小于2倍的所用超聲波換能器在柱狀樣沉積物測量中波長； (2)溫度條件設定:溫度設定范圍為O 28°C，采取2°C等間隔增溫或降溫，在每一種設定溫度條件下保持恒定2小時以上再開始測量，測量完成后再進行下一個間隔溫度的測量; (3)測量:對柱狀樣沉積物與純水校正樣品在每個恒定的溫度條件下的進行測量，記錄超聲波穿透柱狀樣沉積物的時間h，記錄超聲波穿透純水校正樣品的時間； (4)時偏校正參數計算:時偏校正參數為測量系統、柱狀樣沉積物容器、超聲波換能器和耦合劑對超聲波傳播時間產生影響的時間偏移量，具體表示如下式: t校正總純水總_d純水/ V純水 其中，16為超聲波在被測純水校正 樣品的測量時間，是超聲波純水校正樣品中的傳播時間，為純水校正樣品的實際長度，為超聲波在純水中速度；其計算公式如下:V純水=1492.9+3X (T-1O)-0.006X (T-10)2-0.04X (T-18)2_42_0.01(T_18) 其中，T為溫度。C ； (5)柱狀樣沉積物聲速計算:利用柱狀樣沉積物實際長度Clfftw、柱狀樣沉積物在不同溫度條件下的測量時間值h和時偏校正參數來得到沉積物在不同溫度條件下的聲速值公式如下: V沉積=d沉積/ (校正)。
2.根據權利要求1所述的一種柱狀樣沉積物聲速測量方法，其特征在于純水校正樣品進行一次增溫或降溫測量，柱狀樣沉積物的測量以一次升溫和一次降溫進行測量。
全文摘要
本發明公開了一種海底沉積物聲速測量方法，特別是涉及一種在可控的溫度條件下獲取海底沉積物柱狀樣品聲速測量及校正方法。本發明是通過沉積物準備，選擇一定長度的柱狀樣沉積物與純水校正樣品，然后進行溫度條件設定及相關數據的測量，再在一定條件下通過相關公式進行時偏校正參數計算，最后對柱狀樣沉積物聲速按一定的方式進行計算。本發明的優點是給出了在實驗室模擬海底溫度環境條件下的沉積物柱狀樣聲速測量方法，提出了符合實際的溫度設置方法與步驟，以不同溫度條件下的純水校正樣品的聲速值為參考，對沉積物不同溫度條件下的聲速值進行對應校正。本發明對海底研究具有非常重要作用。
文檔編號G01N29/07GK103196998SQ20131013603
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者周建平, 陶春輝, 鄧顯明, 張國堙, 張金輝, 顧春華, 李懷明, 何擁華, 丘磊, 蔡魏 申請人:國家海洋局第二海洋研究所