超声波浮泥重度测量仪

　　1 引言

　　江河航道的水深探测是国内外航道部门共同关心的一项重要技术,具有重大的经济效益和社会效益。对于现代航道而言,江河水底浮泥重度在13.0kN/m3以下是允许通航的。目前一般用回声测深仪测量水深。但是用这种仪器测出的水深是从水面到水底浮泥重度比13.0kN/m3小得多处的深度。显然由回声测深仪测出的水深与实际通航意义上的水深相差很大。往往会产生原来可以通航的水深,结果变成了必须疏浚航道的水深。目前最常用的方法是在航道内除了用回声测深仪沿航道测深外,还在航道的几个典型位置用接触式浮泥重度仪测定水底浮泥层中的重度-深度剖面,由此确定重度为13.0kN/m3浮泥层所界定的水深。交通部上海勘察设计研究院已经使用C射线浮泥重度测量仪进行这类工作,并取得了成功经验。由于C射线浮泥重度测量仪使用不便,且对人体有伤害,所以我们在前几年就提出了研制超声波浮泥重度测量仪的设想,先做了这方面的基础理论研究,后又在理论基础上研制成功了超声波浮泥重度测量仪。这种利用声衰减原理研制的超声波浮泥重度测量仪与C射线浮泥重度测量仪相比较,具有体积小、便于携带、操作使用方便、对人体无伤害的优点。

　　2 超声波浮泥重度测量仪的声学原理

　　超声波浮泥重度测量仪的声学部分由一对插入浮泥中的发射-接收换能器组成。发射换能器和接收换能器安装在同一水平轴线上,相隔距离r,如图1所示。发射换能器带有指向性,它以恒定的发射功率集中能量射向接收换能器。由于发射、接收换能器之间是浮泥介质,由许许多多的微小颗粒组成,当超声波在这种浮泥中传播时,就会产生散射波和粘滞波,引起声衰减。当声波波长比浮泥粒径大很多,而且浮泥的浓度(即含沙量)小于10kg/m3时,可以忽略粒子间的相互作用,称作稀悬浮液。在这种情况下,悬浮粒子的反向散射强度与悬浮粒子的浓度成正比。中国科学院东海研究站根据这个理论研制成功了ASSM型声学浓度剖面测量仪,并在悬沙和污染测量中获得成功[1]。当浮泥浓度大于10kg/m3时,粒子间的相互作用不能忽略,此时要产生多次散射波和粘滞损耗。在这种情况下,声衰减系数与浮泥浓度成正比。我们利用这一声衰减原理研制本文报道的超声波浮泥重度测量仪。在实际测量时,先将图1所示的一对收发换能器放入清水中测得接收声波幅度为A0,然后再将这对换能器放入浮泥中测出接收声波幅度为A1,这样就可以直接计算出声衰减系数β为:

　　这种测量方法的缺点是声发射换能器的辐射阻抗在清水里和不同重度的浮泥中有变化,使得辐射声功率有变化,从而影响声衰减的测量精度。但实际测量结果表明:在浮泥重度小于16.0kN#m-3情况下,辐射阻抗变化不大,所以在工程设计中可以忽略辐射阻抗产生的影响。实验研究表明[2]:不同地区的浮泥具有不同的声衰减系数,长江口和杭州湾的水底浮泥的重度在10.0kN.m^-3~16.0kN.m^-3范围内,声衰减可以分别用如下经验公式近似得到。