超声波在冰-水界面临界入射角的实验方法

　　1 引言

　　海冰广泛存在于南北极地区,我国渤海也同样存在[1]。海冰厚度及其变化过程是最直观且重要的指标之一[2]。它在指示全球气候变暖方面成为关键因素之一,在冰对结构物作用力方面也是关键参数[3,4]。冰厚度的测试有多种方法,基本分成非接触测量和接触测量。接触测量多数依赖机械设备的动力性能;非接触测量多数依赖冰性质,如电磁感应方法、雷达方法等,或者依赖气象水文环境条件的声纳方法、激光方法等[2]。在非接触方法中,仰视声纳曾被广泛应用,它同压力传感器相结合用来量测海冰水线以下的厚度。在俄罗斯萨哈林附近的仰视声纳现场试验证明获得的典型精度是013 m[5]。这个数据对于渤海工程海冰和极地海冰厚度变化无法接受,但该方法本身可以适用于流冰和固态冰,特别是海冰厚度的分布。因此也有利用声纳同激光技术的组合,测量通过结构物的冰厚度[6]。激光技术同电磁感应技术的结合,也可以获得以船舶和飞机为平台的海冰厚度分布[7]。近年来,发展的单点海冰物质平衡浮标,也是利用超声作为测量冰底面位置变化的传感器[8],它被用于冰热力学生长过程的监测。当然,接触式测量也引入磁致位移技术,获得满意的结果[9]。

　　从物理原理上讲,超声波测冰厚方法为超声测量冰界面与超声传感器之间的距离[10,11]。它利用已知超声波在水中的传播速度和超声发射后遇到冰面再返回到传感器接收器的时间,计算出传感器同冰面之间的距离。如果已知传感器距冰表面的距离,也就可以计算出冰厚。从这些原理讲,影响到超声波测冰厚的因素有:控制超声速度的水温度和密度,它可以通过同类型传感器定距离测量实现自校正;如果超声传感器的性能需要通过试验选择和对比,那么冰-水界面对超声入射的影响,同样需要通过实验校验。

　　中国第三次北极科学考察期间,在浮冰面和浮冰侧面测试冰侧面和底面融化过程。在测量过程中,发现有些测点可以测得数据,而有些测点则不能测得数据。经分析发现,海冰-海水界面起伏,使得声波发出后与冰界面形成一定角度。如果入射角超过仪器接收允许的临界值,就会导致测距仪接收不到返回的信号而不能测出正确数据。同理,如果使用超声技术测量冰裂缝深度,可能同样会出现一些问题。本实验的目的就是寻找超声技术在冰-水界面的入射角临界值。

　　2 试验仪器

　　大连理工大学为中国第三次北极科学考察设计,由武汉大学研制的WUUL-1极地冰下超声测距仪,频率:2x10⁶Hz,探头直径:18mm。

　　3 试验装置和试验步骤

　　实验温度:0°C,接近冰点温度,类似北冰洋夏季海冰条件;实验材料:淡水冰,属于实验室人工冻结冰。实验装置如图1所示。