CN116907623A - 一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底沉积物横波声速测量技术领域，特指一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，包括有依次同轴连接的第一圆柱杆、匹配层和第二圆柱杆，且圆柱杆和匹配层采用不同材质，根据不同参数的材质的选择，当横波发射换能器激发横波时，以及当横波接收换能器在接收横波时，匹配层对于横波的传播近似构成了声学半波长透声片，匹配层对于纵波的传播近似构成了声学四分之一波长隔声片，可以通过本发明进行对纵波传播一直，以实现对透射的纵波幅值衰减很大，且对透射的横波幅值衰减很小的效果，从而实现对纵波传播抑制的效果。

Description

一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器

技术领域

本发明涉及海底沉积物横波声速测量技术领域，特指一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器。

背景技术

海底沉积物是由砂、粘土和海水组成的多孔介质。目前采集到的海底沉积物通常装在外径约75mm的PVC管内。在获取海底沉积物的时候，一般是把2-3米长的PVC管放在重力采样器内部，在重力采样器贯入海底沉积物时，重力采样器把海底沉积物送入PVC管中。

在把重力采样器从海底中取到船的甲板后，把容纳了海底沉积物的PVC管，即海底沉积物长样品从重力采样器中取出，做好密封等处理，以减少扰动。

在运回实验室后，在测量海底沉积物的声学参数时，考虑到海底沉积物的声衰减大，通常把海底沉积物长样品切割为长度约300mm或更小的短样品。

如图1和图2所示，当需要测量海底沉积物的横波声速时，若把横波发射换能器和横波接收换能器直接设置在带有海底沉积物的PVC管中的海底沉积物的两端(如图1和图2所示)，这种方法是不可行的。由于在横波发射换能器在激发横波时，会同时产生横波和纵波；若海底沉积物的长度不够一定长度的话，横波接收换能器所接收到的声波波形会是横波与纵波波形叠加在一起的曲线，不能判读横波通过海底沉积物的走时。

利用弹性介质纵波声速高于横波声速的原理，可以使用较长的海底沉积物样品，使横波接收换能器接收到的纵波波形与横波波形在时间轴上错开，但是由于海底沉积物的声衰减大，声波能量在到达横波接收换能器前就已经被完全衰减了，横波接收换能器将接收不到声波信号。

为了在测量海底沉积物的横波声速时，减少纵波对横波的影响，从原理上如果可以抑制纵波的传播而不抑制横波的传播将是一种可行的方法。但是现在缺少测量海底沉积物横波声速的纵波传播抑制器，故亟需一种能适用于海底沉积物横波声速测量用的纵波传播抑制器。

发明内容

本发明的发明目的在于：为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供了一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器。

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，包括有材质不同的圆柱杆和匹配层；所述圆柱杆包括有第一圆柱杆和第二圆柱杆，所述第一圆柱杆和所述第二圆柱杆分别连接在所述匹配层的两端，所述第一圆柱杆、所述第二圆柱杆和所述匹配层同轴连接。

进一步的，所述匹配层采用金属材质，所述圆柱杆采用工程塑料材质。

进一步的，所述第一圆柱杆、所述匹配层和所述第二圆柱杆的连接均为端面同轴连接，且所述第一圆柱杆和所述第二圆柱杆的直径均与所述匹配层的直径相同。

进一步的，所述第一圆柱杆和所述第二圆柱杆采用相同的弹性材料，所述圆柱杆为采用第一材质的圆柱杆，所述匹配层为采用第二材质的匹配层；所述第一材质和所述第二材质的参数均包括有横波声速、纵波声速、声学特性抗阻、横波波长和纵波波长。

进一步的，所述匹配层的厚度等于所述第二材质的纵波波长的四分之一。

进一步的，所述第二材质的声学特性阻抗大于所述第一材质的声学特性阻抗三倍。

进一步的，所述第一圆柱杆的长度为L1，所述第二圆柱杆的长度为L3，所述L1＝L3，且所述L1和L3的长度是所述第一材质的纵波波长四分之一的奇质数倍。

进一步的，所述圆柱杆的直径小于所述第一材质的纵波半波长。

进一步的，所述第二材质的横波声速与纵波声速的一半的绝对误差在±96m/s内，和相对误差在±5％内。

进一步的，所述第二材质的横波声速是纵波声速的一半。

本发明的有益效果：

在本发明中，包括有依次同轴连接的第一圆柱杆、匹配层和第二圆柱杆，且圆柱杆和匹配层采用不同材质，根据不同参数的材质的选择，当横波发射换能器激发横波时，以及当横波接收换能器在接收横波时，匹配层对于横波的传播近似构成了声学半波长透声片，匹配层对于纵波的传播近似构成了声学四分之一波长隔声片，可以通过本发明进行对纵波传播抑制，以实现对透射的纵波幅值衰减很大、且对透射的横波幅值衰减很小的目的，从而达到对纵波传播抑制的效果。

附图说明

图1为横波发射换能器和横波接收换能器分别设置在海底沉积物短样品中的海底沉积物两端的结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为图3的G-G剖视图；

图5为图3的左视图。

附图标记说明：1-海底沉积物短样品；2a-PVC管；2b-海底沉积物；3-横波发射换能器；4-横波接收换能器；5-第一圆柱杆；6-第二圆柱杆；7-匹配层。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图3至图5所示，一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，包括有材质不同的圆柱杆和匹配层7。

其中，圆柱杆包括有第一圆柱杆5和第二圆柱杆6，第一圆柱杆5和第二圆柱杆6分别连接在匹配层7的两端，第一圆柱杆5、第二圆柱杆6和匹配层7同轴连接。

在本发明中，包括有依次同轴连接的第一圆柱杆5、匹配层7和第二圆柱杆6，且圆柱杆和匹配层7采用不同材质，根据不同参数的材质的选择，当横波发射换能器3激发横波时，以及当横波接收换能器4在接收横波时，匹配层7对于横波的传播近似构成了声学半波长透声片，匹配层7对于纵波的传播近似构成了声学四分之一波长隔声片，可以通过本发明对纵波传播进行抑制，以实现对透射的纵波幅值衰减很大，且对透射的横波幅值衰减很小的目的，从而达到对纵波传播抑制的效果。

其中，第一圆柱杆5和第二圆柱杆6的横截面可以为其他形状，但是为了与匹配层7的同轴连接，且易于与PVC管2a中的海底沉积物2b同轴等，第一圆柱杆5和第二圆柱杆6优选为横截面呈圆形状的圆柱杆。

目前采集到的海底沉积物2b通常装在外径约75mm的PVC管2a内。在获取海底沉积物2b的时候，一般是把2-3米长的PVC管2a放在重力采样器内部，在重力采样器贯入海底沉积物2b时，重力采样器把海底沉积物2b送入PVC管2a中。

在把重力采样器从海底中取到船的甲板后，把容纳了海底沉积物2b的PVC管2a，即海底沉积物长样品从重力采样器中取出，做好密封等处理，以减少扰动。

运回实验室后，在测量海底沉积物的声学参数时，考虑到海底沉积物的声衰减大，通常把海底沉积物长样品切割为长度约为300mm或更小的海底沉积物短样品。

在测量的时候，把两个海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器分别设置在待测海底沉积物短样品1中的海底沉积物2b的两端，并使海底沉积物声速测量用纵波传播抑制器居海底沉积物短样品1中的海底沉积物2b端面的中心，且两个海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器的外侧分别设置横波发射换能器3和横波接收换能器4。

这样，在本发明中，在海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器的作用下，避免了横波接收换能器4所接收的声波波形，是纵波和横波波形叠加在一起的曲线的情况出现，使工作人员能判读出横波通过海底沉积物2b的走时，解决了现有技术中所存在的问题。

本发明中的横波发射换能器3和横波接收换能器4采用中心频率优选为50kHz-200kHz，因为若频率太高，横波的能量会很快衰减；若频率太低，其波长会大于75mm，会产生声波的绕射而影响测量结果的准确性。而横波发射换能器3和横波接收换能器4的中心频率，可以选择50kHz-200kHz之间的任意数值，如60kHz或70kHz等。

在某些实施方式中，第一圆柱杆5和第二圆柱杆6的直径均与匹配层7的直径相同。

在某些实施方式中，第一圆柱杆5和第二圆柱杆6采用相同的弹性材料；以圆柱杆所采用的材料为第一材料，匹配层7所采用的材料为第二材料。

每种材料均包括有横波声速、纵波声速、声学特性抗阻、横波波长和纵波波长等参数。

即，在选择第一材料和第二材料时，会根据材料的参数进行选择，且不同的材料的声学参数如现有技术的记载，而选择的条件包括有：(1)第二材质的横波声速与纵波声速的一半的绝对误差，即：纵波声速的一半-横波声速在±96m/s内，和相对误差，即：[(纵波声速的一半-横波声速)/纵波声速的一半]×100％)在±5％内；(2)匹配层7的厚度等于第二材质的纵波波长的四分之一；(3)第二材质的声学特性阻抗大于第一材质的声学特性阻抗三倍；(4)第一圆柱杆5的长度为L1，第二圆柱杆6的长度为L3，L1＝L3，且L1和L3的长度是第一材质的纵波波长四分之一的奇质数倍；(5)圆柱杆的直径小于第一材质的纵波半波长。

在本发明中，根据现有材料的声学和物理参数，第一材料为工程塑料，第二材料为金属材料，可以满足本发明海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器。

作为本发明的实施例，匹配层7采用紫铜材质，圆柱杆采用有机玻璃材质，或，匹配层7采用锡材质，圆柱杆采用聚乙烯材质，或匹配层7采用钛材质，圆柱杆采用聚苯乙烯工程塑料材质。

作为本发明的一个实施例，匹配层7采用黄铜材质，圆柱杆采用有机玻璃材质。本发明的主要声学和物理参数如表1。

表1纵波抑制器第一个实施例的主要参数匹配层横波声速与纵波声速的一半的误差见表2。

表2匹配层横波声速与纵波声速的一半的误差

根据表1的参数，当声波频率为50KHz时，纵波抑制器中的匹配层7和圆柱杆的主要参数见表3。

表3声波频率为50KHz时纵波抑制器匹配层的主要参数

根据表1至表3所示，并结合声学理论的半波长透声片和四分之一波长隔声片原理，可以得到纵波理论透射系数为0.03036676，横波理论透射系数约为1，可见本发明可以很好地抑制纵波的传播，而对横波的传播几乎没有抑制。

从上述所得的结论可见，在本发明海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器中的匹配层7对于横波的传播近似构成了声学半波长透声片，匹配层7对于纵波的传播近似构成了声学四分之一波长隔声片，构成了一个具有对透射的纵波幅值衰减很大而对透射的横波幅值衰减很小的独立功能声学器件。

详细地说，根据表1和表2所示，当声波频率为50kHz时，匹配层7的纵波波长为88.6mm，匹配层7的厚度为纵波波长的四分之一，即22.15mm，接近横波波长的二分之一21.2mm。

进一步的，黄铜材质的匹配层7的声学特性阻抗为3588300Kg/(m²·s)，有机玻璃材质的第一圆柱杆5和第二圆柱杆6的声学特性阻抗为315060Kg/(m²·s)，黄铜材质的匹配层7的声学特性阻抗和有机玻璃材质的圆柱杆的声学特性阻抗的比值为11.39，远大于3。此外有机玻璃材质的圆柱杆和海底沉积物两者的声学特性阻抗相差较小，耦合好。

即在本发明的作用下，可以抑制纵波传播，而对横波传播抑制很小，可以解决海底沉积物2b横波声速测量时存在纵波波形叠加的问题。

进一步的，第一圆柱杆5、匹配层7和第二圆柱杆6的连接均为端面同轴连接。本发明在使用时，海底沉积物短样品1中的海底沉积物的两端分别设置有横波发射换能器3和横波接收换能器4，并分别在海底沉积物短样品1和横波发射换能器3和横波接收换能器4之间设置本发明海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，以实现抑制纵波传播的效果，解决了海底沉积物横波声速测量时纵波波形叠加的问题。

如果横波发射换能器3激发50KHz横波，同时也会产生50KHz纵波。横波和纵波从第一圆柱杆5的A端面同时传入纵波抑制器，纵波幅值受到匹配层7的衰减很大，而横波幅值受到匹配层7的衰减很小，从第二圆柱杆6的B端面传出来的透射纵波幅值衰减很大，而透射横波幅值衰减很小，从而实现对纵波传播的抑制。

在本实施例中，确定第一圆柱杆5和第二圆柱杆6的长度为146.85毫米。确定第一圆柱杆5和第二圆柱杆6，及匹配层7的几何尺寸后，把第一圆柱杆5的右端面与匹配层7左端面通过粘合剂同轴紧密连接，匹配层7右端面与第二圆柱杆6的左端面通过粘合剂同轴紧密连接。

基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，包括有材质不同的圆柱杆和匹配层；所述圆柱杆包括有第一圆柱杆和第二圆柱杆，所述第一圆柱杆和所述第二圆柱杆分别连接在所述匹配层的两端，所述第一圆柱杆、所述第二圆柱杆和所述匹配层同轴连接。

2.根据权利要求1所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述匹配层采用金属材质，所述圆柱杆采用工程塑料材质。

3.根据权利要求1所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述第一圆柱杆、所述匹配层和所述第二圆柱杆的连接均为端面同轴连接，且所述第一圆柱杆和所述第二圆柱杆的直径均与所述匹配层的直径相同。

4.根据权利要求1所述的海洋沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述第一圆柱杆和所述第二圆柱杆采用相同的弹性材料，所述圆柱杆为采用第一材质的圆柱杆，所述匹配层为采用第二材质的匹配层；所述第一材质和所述第二材质的参数均包括有横波声速、纵波声速、声学特性抗阻、横波波长和纵波波长。

5.根据权利要求4所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述匹配层的厚度等于所述第二材质的纵波波长的四分之一。

6.根据权利要求4所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述第二材质的声学特性阻抗大于所述第一材质的声学特性阻抗三倍。

7.根据权利要求4所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述第一圆柱杆的长度为L1，所述第二圆柱杆的长度为L3，所述L1＝L3，且所述L1和L3的长度是所述第一材质的纵波波长四分之一的奇质数倍。

8.根据权利要求4所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述圆柱杆的直径小于所述第一材质的纵波半波长。

9.根据权利要求4所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述第二材质的横波声速与纵波声速的一半的绝对误差在±96m/s内，和相对误差在±5％内。

10.根据权利要求4所述的海底沉积物横波声速测量用纵波传播抑制器，其特征在于，所述第二材质的横波声速是纵波声速的一半。