2015, Vol. 32
2. 三亚深海科学与工程研究所, 海南 三亚 572000
2. Sanya Institute of Deep-sea Science and Engineering, Sanya 572000, China
海底冷泉渗漏是海洋环境中广泛分布的自然现象[1]，从沉积物中渗漏到海洋的气体主要为甲烷，甲烷是最重要的温室气体之一，每年通过海底冷泉天然气渗漏释放到海洋水体及大气中的甲烷的量是巨大的，且甲烷是强烈的温室效应气体，是同质量二氧化碳气体的20多倍[2-3]，海底天然气渗漏被认为是全球气候变化的一个重要的影响因子[4].因此，有必要对冷泉进行观测，以确定甲烷的释放量.
国内对海底天然气渗漏原位流量在线测量技术的报道较少，而国际上该领域的研究较多.Washburn L等[5]采用容积法悬浮式收集器测量从海底上升的天然气气泡气体流量.Nikolovska A等[6]提出用水听器记录气体流经收集器上方喷嘴的声音信号，并用小波方法处理声信号数据反演气泡流量.Roberts D A等[7]根据甲烷强烈吸收短波红外线的特性，采用遥测红外成像光谱数据评估释放到海面的甲烷量.国内目前主要采用地球物理等方法探测海底发育的冷泉渗漏活动[8-11].龙建军等[12]提出了测量前调整气泡状态并用透射声波波形-振幅参数测量渗漏气泡流量，开展了气泡流量超声波检测模拟实验研究，初步验证了气泡流量测量方法的有效性，但未见声波分路器的详细设计参数.本文的研究工作是文献[12]工作的继续，主要结合声学理论与实验要求设计相关法测量气泡流速的声波分路器和实验测量分路器的主要特性.
1 声波分路器设计原理 1.1 声波导管理论管道的传声和声波分路是声学器件的基本原理，听诊器就是应用这种原理的一个典型的声波分路器.如图 1所示的矩形管，其宽度为ly，高为lx，管长用z坐标表示，设管口取在z=0处，另一端延伸到无限远.
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图 1 矩形管结构示意图 Figure 1 Structure diagram of rectangular tube |
矩形管中产生沿z方向传播声波的条件为
| $ f > {f_{{n_x}{n_y}}} = \frac{{{c_0}}}{2}\sqrt {{{\left( {\frac{{{n_x}}}{{{l_x}}}} \right)}^2} + {{\left( {\frac{{{n_y}}}{{{l_y}}}} \right)}^2}} . $ | (1) |
式中，fnxny称为导管的简正频率，c0为矩形管的声速，nx、ny为非负整数.
如果声源的频率高于管中的截止频率，则管中会激发相应的高次波，此高次振动实际上就是在x, y方向上的声驻波，因此实际的声场就变得极复杂，如果希望在声管中获得一种比较纯净的平面声场，那么声源的频率要比声管的截止频率低.声源的频率愈低，在管中获得纯净的平面声场区域愈大.
1.2 声波的反射、折射与透射原理声波在分界面上反射与透射的大小决定于媒质的特性阻抗(ρc)，由声学理论[13]知，平面声波由媒质Ⅰ入射到媒质Π与媒质Ⅰ的分界面，当ρ1c1≪ρ2c2，媒质Π比媒质Ι说来十分“坚硬”，此时发生全反射，分界面处恰是速度波节和声压波腹.如声波从空气入射到空气-水的分界面上的情况就近于“十分坚硬”的分界面.当ρ1c1≫ρ2c2，声波从密介质入射到“软边界”时，也会发生全反射，分界面处恰是速度波腹和声压波节.
2 声波分路器的设计 2.1 声波分路器材料的确定表 1是几种常见材料的截止频率与特性阻抗，由声波导管理论与声波传播原理确定分路器的材料.接收换能器陶瓷片的尺寸是45 mm×8 mm×2 mm，所以分路器的宽取47 mm，高取8 mm.
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表 1 若干材料的声学常数 Table 1 Acoustic constant of some material |
换能器发出的声波频率由文献[12]可以得出，当测量海水中渗漏的天然气时，声波频率的范围是32.6 ~ 75.0kHz，声波的频率小于材料的截止频率时，声波分路器中可以获得比较纯净的平面波.
声波分路器放在海水环境中传播声波，声波在传播过程中的损耗主要是材料本身损耗与向周围环境辐射损耗.由声波反射、折射和透射原理可知，当声波分路器的特性阻抗远大于海水的特性阻抗时，声波向周围环境辐射损耗很小，可以认为声波只在声波分路器中传播.
考虑到测量环境的特殊性和测量的简便性, 材料必须有较好的耐腐蚀性和加工性能.考虑到测量时实验装置由潜水器的机械手投放的难易度，材料的密度尽可能小.
综合考虑上述因素，镍钛合金因具有强度高、耐蚀性好、特性阻抗大、截止频率高等特点, 是最适合作分路器的材料之一，但其加工性能差，实验阶段选择有机玻璃，待现场测量时改用镍钛合金.有机玻璃与水的声阻抗比较接近，镍钛合金分路器发射面需加一层有机玻璃以改善耦合性.
2.2 声波分路器结构设计声波分路器结构设计的主要参数是开角α和压电换能器沿测量管轴向尺寸L.如图 2所示，声波反射块的材料是高速钢，其特性阻抗远高于海水的特性阻抗，反射块的作用是使声波沿着设计的波导传播，且不会由于声波垂直透射进入海水而造成声波的损耗.根据声波的全反射原理，声波从稀疏介质向密介质传播时，入射角大于全内反射临界角，声波在分界面发生全反射.声波在有机玻璃中的声速约为2 700 m/s，声波在钢中的声速约为6 100 m/s，所以全内反射临界角
| $ {\theta _{ic}} = {\rm{arcsin}}\frac{{2\;700}}{{6\;100}} = 26.27^\circ . $ | (2) |
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图 2 声波分路器结构设计原理图 Figure 2 Design principle diagram of acoustic wave divider |
由式(2)可知，当入射角c≥θic=26.27°时，声波发生全反射，此处取c=60°，声波分路器的开角α=90°-c=30°.
压电换能器沿测量管轴向尺寸L(单位mm)由文献[12]公式求得：
| $ {f_{{\rm{max}}}} = v/L. $ | (3) |
式中，v(单位mm/s)为海底冷泉气泡上升速度，fmax(单位Hz)为信号带宽，由文献[12]得，带宽fmax＞1时，声波测量方法可有效地测量气泡流速.海底自然冒出的气泡直径范围约为0.01~80 mm[14].由文献[15]知，在平静的水中气泡的上升速度与其半径有密切的关系，随气泡半径的增大，气泡上升速度增加，气泡上升速度在半径1mm时达到极大值，当半径继续增加，它的变化很小.测量管轴向尺寸L也受矩形压电陶瓷片尺寸的限制，取L=10 mm，能有效测量气泡流速.声波分路器宽、高尺寸根据文献[12]的方法确定，其他参数由实验数据确定.
3 声波分路器的实验研究 3.1 接收换能器校验实验本实验使用TH204B型多波参数分析仪测量声波参数，实验前对接收与发射换能器进行校正.
实验使用一个40kHz换能器作为发射源，与发射源相隔一定距离的两个40kHz的换能器分别作为接收源，确保两次测量时接收换能器的位置相同，声波仪的衰减倍数为20.测量数据如表 2所示.
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表 2 接收换能器校验实验 Table 2 Calibration experiments of receiving transducer |
声波参数为：声波信号为脉冲波，中心频率为40±1.0kHz.由表 2可以得出首波传播时间tε的相对偏差为0.30%；首波幅值的相对偏差为1.11%.接收到两个声波信号的频谱图如图 3、图 4所示：
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图 3 1号接收换能器频谱图 Figure 3 Frequency spectrum of No. 1 receiving transducer |
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图 4 2号接收换能器频谱图 Figure 4 Frequency spectrum of No. 2 receiving transducer |
由图 3、图 4可知两接收换能器的频谱特性类似，主频约为38.5kHz.综上所述，两个接收换能器的性能基本相同，能满足声波分路器分路校验实验.
3.2 空气中与水中声波分路器的声学特性对比实验 3.2.1 空气中声波分路器的声学特性实验时装置如图 5所示.发射换能器与声波分路器的一侧端面耦合，接收换能器与声波分路器各支路的端面耦合，耦合剂为凡士林.
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图 5 声波分路器空气中各支路校验实验装置 Figure 5 Calibration experiments of each branch in air |
对声波分路器两支路的首波传播时间与幅值处理，得到首波传播时间与幅值的变化曲线，如图 6、图 7所示.
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图 6 声波分路器支路首波传播时间曲线图 Figure 6 First wave travel time curve of acoustic divider branch |
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图 7 声波分路器支路首波幅值曲线图 Figure 7 First wave amplitude curve of acoustic divider branch |
声波分路器各支路频谱图如图 8所示：
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图 8 声波分路器各支路FFT功率频谱曲线 Figure 8 FFT power spectrum curve of acoustic divider branches |
由图 6、图 7得，声波分路器两支路的首波传播时间相差很小，幅值走势基本一致，由测得的数据得各支路首波传播时间相对偏差的平均值为0.97%，首波幅值相对偏差的平均值为3.69%；由图 8得各支路功率频谱有多个功率幅值，主要原因是换能器的发射频率高于有机玻璃的截止频率，在有机玻璃中会激发相应的高次波；两支路的功率频谱有一定的误差，主要原因是接收换能器的接收灵敏度不同、分路器两条路存在差异、换能器的耦合程度不同，所以声波经过分路器各支路的相位、幅值、频谱特性有一定的差别.这与设计的预期一致，验证了声波分路器设计的合理性.
3.2.2 水中声波分路器的声学特性如表 1所示，有机玻璃的特性阻抗与水的特性阻抗相差不大，按照声波传播原理可知，在水池中，声波通过分路器将有较多的能量损耗在水中，而过多的能量损耗将会影响海底渗漏气泡流速的测量，本实验将验证水中声波能量的损耗量.
实验时，换能器作密封处理，其端面与声波分路器相应的端面耦合，置于水池中，发射与接收换能器均为40kHz，实验装置如图 9所示.
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图 9 声波分路器水中各支路校验实验装置 Figure 9 Calibration experiments of each branch in water |
声波分路器在空气和水的介质环境中，耦合剂是凡士林，分别测量各支路声波参数，测试结果如图 10所示.
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图 10 声波分路器各支路不同介质中首波强度 Figure 10 The first wave intensity in different medium of acoustic divider branches |
数据处理表明，各支路的声速约为2600m/s，可以确认声波是通过分路器传播的.由表 1得出，有机玻璃的特性阻抗远大于空气的特性阻抗，可以认为，在空气中声波通过分路器基本没有能量损耗.水的特性阻抗较大，在水中声波通过分路器支路1能量损耗的相对误差
| $ {I_{\varepsilon 1}} = \left[{\left( {{I_{空气}}-{I_{水}}} \right)/{I_{空气}}} \right] \times 100\% = 14.0\% . $ | (4) |
类似，声波通过声波分路器支路2能量损耗的相对误差Iε2=27.7%.
可见，在水中声波通过分路器有一定的能量损耗, 各支路的能量损耗也有区别.在声波分路器需要加上反射块，以减少声波在水中的损耗.
4 结语根据声波导理论与声波传播原理确定了分路器的结构参数；空气中和水中的实验验证声波分路器的设计是合理的与有效的，声波分路器两支路的性能基本一致；为减少声波在水中的损耗，声波分路器需要加上反射块.
| [1] |
Judd A G. The global importance and context of methane escape from the seabed[J].
Geo-Marine Letters, 2003, 23: 147-154.
DOI: 10.1007/s00367-003-0136-z. |
| [2] |
Amouroux D, Roberts G, Rapsomanikis S, et al. Biogenic gas emission to the atmosphere from near-shore of the North-Western Black Sea[J].
Estuarine, Coastal & Shelf Science, 2002, 54(3): 575-587.
|
| [3] |
刘勇健, 李彰明, 张丽娟, 等. 未来新能源可燃冰的成因与环境岩土问题分析[J].
广东工业大学学报, 2010, 27(3): 83-87.
Liu Y J, Li Z M, Zhang L J, et al. Analysis of the Causes of New Energy Flammable Ice and Its Environmental and Geotechnical Problems[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2010, 27(3): 83-87. |
| [4] |
Schroot B M, Klaver G T, Schuttenhelem R T E. Surface and subsurface expressions of gas seepage to the seabed-examples from the Southern North Sea[J].
Marine and Petroleum Geology, 2005, 22: 499-515.
DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2004.08.007. |
| [5] |
Washburn L, Johnson C, Gotschalk C C, et al. A gas-capture buoy for measuring bubbling gas flux in oceans and lakes[J].
Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2001, 18(8): 1411-1420.
DOI: 10.1175/1520-0426(2001)018<1411:AGCBFM>2.0.CO;2. |
| [6] |
Nikolovska A, Waldmann C. Passive acoustic quantification of underwater gas seepage[C]. Proceedings of OCEANS, 2006: 1-6.
|
| [7] |
Roberts D A, Bradley E S, Cheung R, et al. Mapping methane emissions from a marine geological seep source using imaging spectrometry[J].
Remote Sensing of Environment, 2010, 114(3): 592-606.
DOI: 10.1016/j.rse.2009.10.015. |
| [8] |
陈忠, 颜文, 陈木宏, 等. 南海北部大陆坡冷泉碳酸盐结核的发现:天然气水合物新证据[J].
热带海洋学报, 2006, 25(1): 83.
Chen Z, Yan W, Chen M H, et al. Discovery of seep authigenic carbonate nodules on northern continental slope of South China Sea: New evidence of gas hydrate[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2006, 25(1): 83. |
| [9] |
徐华宁, 杨胜雄, 郑晓东, 等. 南中国海神狐海域天然气水合物地震识别及分布特征[J].
地球物理学报, 2010, 53(7): 1691-1698.
Xu H N, Yang S X, Z D, et al. Seismic identification of gas hydrate and its distribution in Shenhu Area, South China Sea[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2010, 53(7): 1691-1698. |
| [10] |
李列, 宋海斌, 杨计海. 莺歌海盆地中央坳陷带海底天然气渗漏系统初探[J].
地球物理学进展, 2006, 21(4): 1244-1247.
Li L, Song H B, Yang J H. A preliminary study of seafloor gas seepage in central sag zone of Yinggehai Basin[J]. Progress in Geophysics, 2006, 21(4): 1244-1247. |
| [11] |
陈多福, 李绪宣, 夏斌. 南海琼东南盆地天然气水合物稳定域分布特征及资源预测[J].
地球物理学报, 2004, 47(3): 483-489.
Chen D F, Li X X, Xia B. Distribution of gas hydrate stable zones and resource prediction in the qiongdongnan basin of the South China sea[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2004, 47(3): 483-489. |
| [12] |
龙建军, 黄为, 邹大鹏, 等. 海底天然气渗漏流量声学测量方法及初步实验研究[J].
热带海洋学报, 2012(5): 100-105.
Long J J, Huang W, Zou D P, et al. Method of measuring bubble flow from cool seeps on seafloor using acoustic transmission and preliminary experiments[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2012(5): 100-105. |
| [13] |
杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬.
声学基础[M]. 南京: 南京大学出版社, 2001.
|
| [14] |
Leifer I, Leeuw G D, Kunz G, et al. Calibrating optical bubble size by the displaced-mass method[J].
Chemical Engineering Science, 2003, 58(23-24): 5211-5216.
DOI: 10.1016/j.ces.2003.08.016. |
| [15] |
P G柏格曼.
水声学物理基础[M]. 北京: 科学出版社, 1958.
|