基于虚拟仪器的底质声学测试系统设计

    ０　引　言

    自从海底底质沉积物声学作为一门独立的学科以来，世界各国学术刊物上已有大量理论研究和试验成果，但是海底底质的多样性使得各研究成果都有很强的地域性，一个海区的的研究成果无法完全应用于另一个海域，因而沉积物声学试验具有重要意义。目前对海底沉积物声学特性的研究主要集中在两个方面：一种是取样后进行甲板测试［１］；另一种［２］。原位测试因精确度高而成为当前重点研究方向，沉积物声学试验需要频繁测试样品得到大量数据，但是原位测试设备的缺乏和昂贵的海上试验费用使得这些声学测试验成本高、难度大，需要专门的出海远航和海上作业。因此设计基于虚拟仪器的海底沉积物的声学测试系统，以便在不具备实际海洋远洋原位测试的情况下在实验室内还原海底环境对海底沉积物进行声学测试，是对原位测试技术的一种补充和完善。

    海底沉积物的声学特性中声速和声衰减以及它们与物理（包括土力学）特性之间的关系［３］，是沉积物声学中两个重要的研究项目。目前用于测试样品声学特性数据采集的方法主要有两种，一种方法是使用非金属超声测试仪外接两个超声波换能器直接对样品进行测试。另一种方法是超声波换能器、信号发生器、示波器和电脑的组合。这两种方法都存在测量环境丢失、需要人工判读、硬件扩展困难、处理软件不够开放等特点。

    本文设计的测试系统采用虚拟仪器中连续比较信号数值对游标初始化［４］的方法判断超声波首波时间，设计了换能器驱动电路实现高频率下大功率放大，将超声波传感器与虚拟仪器平台相接，采用虚拟仪器频谱分析技术［５］对信号滤波平滑处理，超声波测试信号在Ｌａｂｖｉｅｗ中进行分析存储。基于虚拟仪器测试平台对测试人员开放，可以随时更改，测试功能扩展方便。

    １　测试实验系统架构

    小尺度底质声学物理模型试验系统由温压可控仓、压力控制器、温度控制器和虚拟仪器平台构成。虚拟仪器平台将温度、压力、声波信号一体化采集，实现超声波发射和接收的同步，如图１所示。

    ａ）温压可控仓：温压可控仓由仓盖、可视窗、活动加压柱塞、超声波换能器、固定支架、水夹套等部件组成。换能器安装在仓盖及活动加压柱塞的孔内，用螺母压紧，可观察柱塞与沉积物接触状况。当达到要求压力时可以通过恒压泵恒定压力。

    ｂ）压力控制器：采用压力变送器测量仓内压力和轴向压力，可以直接连至虚拟仪器接收平台。压力变送器量程为２５ＭＰａ。