自动双水听器声学特性测量系统及方法

本申请涉及声学特性测量技术领域，尤其涉及自动双水听器声学特性测量系统及方法。

背景技术：

对于海洋沉积物来说，将其采样样品通过实验室测量是一种非常有效和必要的研究手段。而现有的实验室测量方式通常采用水平活塞发射换能器和水平活塞接收换能器为沉积物采样样品的声学测量仪器，通过将两者放置于样品的两端并使之处于同一中轴线上，获得样品的声波传播波形，并通过分析声波传播的时间，测量两换能器间的距离，计算得到沉积物样品的声速。但该方式仅能得到沉积物的声速，无法得到沉积物的声衰减特性。

专利文件“cn208283338u”公开的方案可以测量声速和声衰减，但仍存在分层测量宽度受制，难以实现任意分层宽度测量等问题。

专利文件“cn2852153y”公开了一种测量海底沉积物声衰减与频率关系的装置，可用于测量声衰减与频率的关系，但该装置使用的方法为遥测法，一般应用于海上测量，难以应用在实验室测量中。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的是提供自动双水听器声学特性测量系统及方法，用于解决现有的实验室测量方法难以准确获得沉积物声衰减特性的问题。

为达到上述技术目的，本申请提供自动双水听器声学特性测量系统，包括：平台主体、样品支撑座、换能器、两个水听器与移动机构；

所述样品支撑座设置于所述平台主体上，用于放置样品；

所述换能器对应所述样品支撑座的位置设置于所述平台主体上，用于向所述样品发送声波；

两个所述水听器均设置于所述移动机构上，且与所述样品处于同一竖直平面；

所述移动机构设置于所述平台主体上，用于控制所述水听器水平移动和竖直移动。

优选地，所述移动机构包括水平移动机构于竖直升降机构；

两个所述水听器均设置于所述水平移动机构上；

所述水平移动机构设置于所述竖直升降机构上；

所述竖直升降机构设置于所述平台主体上。

优选地，所述水平移动机构包括两个滑块与滑轨；

两个所述水听器分别设置于两个所述滑块上；

两个所述滑块可滑动设置于所述滑轨上；

所述滑轨设置于所述竖直升降机构上。

优选地，所述水平移动机构还包括调节器；

所述调节器设置于所述滑块上，用于调节所述滑块于所述滑轨之间的松紧。

优选地，所述竖直升降机构包括机架与驱动器；

所述机架设置于所述平台主体上；

所述驱动器设置于所述机架上，且设置有伸缩端；

所述伸缩端与所述滑轨连接，且伸缩方向与所述滑轨轨道方向相互垂直。

优选地，所述竖直升降机构还包括直线光轴；

所述伸缩端的端部设置有连接块；

所述连接块上设置有供所述直线光轴穿过的通孔；

所述直线光轴与所述伸缩端的伸缩方向相互平行且穿过所述连接块设置于所述机架上；

所述滑轨设置于所述连接块上。

优选地，还包括换能器支撑座与夹轨；

所述换能器设置于所述换能器支撑座上；

所述夹轨可调节间距设置于所述平台主体上；

所述换能器支撑座夹设于所述夹轨上，且可通过所述夹轨调节竖直方向上的高度。

优选地，所述换能器具体包括两个；

两个所述换能器分别设置于所述样品的两端。

本申请还提供第一种自动双水听器声学特性测量方法，应用于上述任一项中所述的自动双水听器声学特性测量系统；

所述测量方法包括：

设置两个水听器分别位于样品两端的竖直上方，并通过移动机构控制一水听器往靠近另一水听器方向移动；

一所述水听器每移动第一预设距离，进行一次声速计算与声衰减系数计算，得到第一分层声学信息；

对各所述第一分层声学信息分析，得到样品的声学特性信息。

本申请还提供第二种自动双水听器声学特性测量方法，应用于上述任一项所述的自动双水听器声学特性测量系统；

所述测量方法包括：

设置两个水听器之间的距离为第二预设距离，并通过移动机构控制两个所述水听器从样品的一端部往另一端部方向移动；

两个所述水听器每移动第三预设距离，进行一次声速计算与声衰减系数计算，得到第二分层声学信息；

对各所述第二分层声学信息分析，得到样品的声学特性信息。

从以上技术方案可以看出，本申请提供一种自动双水听器声学特性测量系统，包括：平台主体、样品支撑座、换能器、两个水听器与移动机构；所述样品支撑座设置于所述平台主体上，用于放置样品；所述换能器对应所述样品支撑座的位置设置于所述平台主体上，用于向所述样品发送声波；两个所述水听器均设置于所述移动机构上，且与所述样品处于同一竖直平面；所述移动机构设置于所述平台主体上，用于控制所述水听器水平移动和竖直移动。通过将水听器设置于移动机构上，可以通过移动机构精准控制水听器的位置，实现水听器在水平方向上与竖直方向上自由移动到任意位置，极大降低了对盛放样品的容器进行开孔的位置精度的要求，也避免了水听器测量位置恰好处于样品分层位置上，整体适用范围广，使用方便且测量精度可控，有效的解决现有的实验室测量方法难以准确获得沉积物声衰减特性的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请实施例提供的一种自动双水听器声学特性测量系统的整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种自动双水听器声学特性测量系统中样品容器长度增长时的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种自动双水听器声学特性测量系统样品容器直径增大时的结构示意图；

图中：1、脚杯；2、行材一；3/13、三角连接块；4、内六角螺钉一；5、型材二；6、型材三；7、型材四；8、型材五；9、连接板支撑块；10、机架；11、丝杆顶端固定块；12、轴座；14、电机连接板；15、内六角螺钉二；16、螺丝；17、连轴器；18、驱动器；19、伸缩端；20、丝杆螺母；21、直线光轴；22、连接块；23、丝杆底板；24、u形架背板；25、u形架侧板；26、内六角螺钉；27、滑轨；28、滑块；29、水听器固定架；30、调节器；31、水听器；32、换能器支撑座；33、l形架；34、螺栓；35、l型挡板；36、样品支撑座；37、样品容器；38、型材六；39、型材七；40、换能器。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请实施例中的实施例，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，都属于本申请所请求保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

本申请实施例公开了自动双水听器声学特性测量系统与测量方法。

请参阅图1，本申请实施例中提供的一种自动双水听器声学特性测量系统，包括：平台主体、样品支撑座36、换能器40、两个水听器31与移动机构；样品支撑座36设置于平台主体上，用于放置样品；换能器40对应样品支撑座36的位置设置于平台主体上，用于向样品发送声波；两个水听器31均设置于移动机构上，且与样品处于同一竖直平面；移动机构设置于平台主体上，用于控制水听器31水平移动和竖直移动。

具体来说，样品放置于样品容器37内，样品容器37上设置有供水听器31伸入的孔或槽；移动机构控制水听器31与水平和竖直方向移动，用于精准伸入样品容器37中，极大降低了对样品容器37开孔的位置精度的要求，也避免了水听器测量位置恰好处于样品分层位置上。

需要说明的是，现有的沉积物声衰减特性测量方法中，如遥测法和同轴差距测量法，前者难以适用于实验室测量，后者需要对沉积物样品进行分段处理。本方案通过设置移动机构搭配双水听器，除了通过在样品上钻孔后水听器伸入测量的方式，还可以采取将样品整体切除的方式，露出样品一个纵切面，使测量可以不局限于对样品进行打孔后再测量的模式，实现任意分层宽度的测量。

以上为本申请实施例提供的实施例一，以下为本申请提供的实施例二，具体请参阅图1至图3。

一种自动双水听器声学特性测量系统，包括：平台主体、样品支撑座36、换能器40、两个水听器31与移动机构；样品支撑座36设置于平台主体上，用于放置样品；换能器40对应样品支撑座36的位置设置于平台主体上，用于向样品发送声波；两个水听器31均设置于移动机构上，且与样品处于同一竖直平面；移动机构设置于平台主体上，用于控制水听器31水平移动和竖直移动。

进一步地，移动机构包括水平移动机构于竖直升降机构；可以是竖直升降机构设置于水平移动机构上的方式；在本实施例中，两个水听器31均设置于水平移动机构上；水平移动机构设置于竖直升降机构上；竖直升降机构设置于平台主体上。

通过竖直升降机构控制水平移动机构，水平移动机构控制水听器的方式，实现对水听器的位移控制。

进一步地，水平移动机构包括两个滑块28与滑轨27；两个水听器31分别设置于两个滑块28上；两个滑块28可滑动设置于滑轨27上；滑轨27设置于竖直升降机构上。

进一步地，水平移动机构还包括调节器30；调节器30设置于滑块28上，用于调节滑块28于滑轨27之间的松紧。

具体来说，水平移动机构具体还包括水听器固定架29；水听器31安装于水听器固定架29上；调节器30具体为手拧螺栓，安装于水听器固定架29的正面；通过拧动手拧螺栓，使螺栓顶到滑轨进而使滑块夹紧，从而达到固定滑块的目的。水听器31安装于水听器固定架29的方式为通过定位销固定。控制滑块水平移动的方式可以是通过数控推杆或手动推杆的方式。

滑轨27通过滑轨支架安装于竖直移动机构上；其中滑轨支架由u形架背板24、u形架侧板25、内六角螺钉26、滑轨27通过螺钉组合安装形成，u形架背板24通过4根矩形排列的螺钉安装在竖直移动机构上，确保滑轨支架的平稳性和相对台架的平行度。

进一步地，竖直升降机构包括机架10与驱动器18；机架10设置于平台主体上；驱动器18设置于机架10上，且设置有伸缩端19；伸缩端19与滑轨27连接，且伸缩方向与滑轨27轨道方向相互垂直。

进一步地，竖直升降机构还包括直线光轴21；伸缩端19的端部设置有连接块22；连接块22上设置有供直线光轴21穿过的通孔；直线光轴21与伸缩端19的伸缩方向相互平行且穿过连接块22设置于机架10上；滑轨27设置于连接块22上。

具体来说，伸缩端19具体为丝杆；驱动器18具体为步进电机，以下简称电机。

竖直升降机构由上至下分别是：驱动器18、电机连接板14、连轴器17、伸缩端19、轴座12、丝杆顶端固定块11、直线光轴21、丝杆螺母20、连接块22与丝杆底板23。

机架10、丝杆顶端固定块11、电机连接板14与丝杆底板23等通过螺钉连接组成丝杆的工作台。电机连接板14与机架10通过三角支撑块13与螺钉进行连接与固定；机架10处于竖直状态，三角支撑块13确保电机连接板14保持水平。机架10通过螺钉安装在型材四7、型材五8、连接板支撑块9等组成的移动机构的安装平台上；丝杆顶端固定块11与丝杆底板23通过螺钉垂直安装在机架10上；直线光轴21通过螺钉安装在丝杆顶端固定块11和丝杆底板23上，用于引导连接块22作直线运动和提高升降平台的稳定性。轴座12通过螺钉安装在丝杆顶端固定块11上，驱动器18通过螺丝16安装在电机连接板14上；丝杆螺母20通过螺钉与连接块22连接，丝杆螺母20安装在丝杆上，步进电机通过连轴器17与丝杆连接，电机运作带动丝杆，从而控制连接块22的线性运动。

进一步地，还包括换能器支撑座32与夹轨；换能器40设置于换能器支撑座32上；夹轨可调节间距设置于平台主体上；换能器支撑座32夹设于两条夹轨上。

具体来说，两条夹轨可调节间距，换能器支撑座32通过夹轨间距的调整实现在夹轨上移动，从而如图2与图3中，样品长度较大或直径较大时，可以调节换能器支撑座32的水平位置与竖直高度，以适应不同形状的样品容器37。

具体来说，夹轨具体由两条l型挡板35组成；l型挡板35上设置有螺栓孔，用于与平台主架固定于调节间距；换能器支撑座32设置于l形架33上，l形架33通过螺钉安装于型材七39上，当螺钉不拧紧时，l形架33可以与型材七上沿夹轨线性移动。

进一步地，换能器40具体包括两个；两个换能器40分别设置于样品的两端。

本申请还提供第一种双水听器声学特性测量方法，应用于上述任一项中的自动双水听器声学特性测量系统；测量方法包括：

s11、设置两个水听器分别位于样品两端位置，并通过移动机构控制一水听器往靠近另一水听器方向移动；

具体来说，本方法可以应用于在样品上钻孔后水听器伸入测量的方式，还可以应用于将样品整体切除的方式。

而应用于将样品整体切除出一个纵切面的方式中，步骤s11之前还包括：步骤s10、将样品沿纵向切除纵切面；相应地，步骤s11中两个水听器分别位于样品两端位置是指位于纵切面的两端位置。

s12、一水听器每移动第一预设距离，进行一次声速计算与声衰减系数计算，得到第一分层声学信息；

s13、对各所述第一分层声学信息分析，得到样品的声学特性信息。

具体来说，当只有一个换能器40时，可以是靠近换能器40的水听器在任意位置固定，另一个水听器从远至近移动，每移动第一预设距离，则计算一次声速与声衰减系数，获得沉积物样品任意分层宽度上的声速与声衰减系数，也即第一分层声学信息；通过对各个第一分层声学信息进行分析，得到实际沉积物样品埋藏状态下不同尺度的声学特性。

本申请还提供第二种双水听器声学特性测量方法，应用于上述任一项所述的自动双水听器声学特性测量系统；所述测量方法包括：

s21、设置两个水听器之间的距离为第二预设距离，并通过移动机构控制两个所述水听器从样品的一端部往另一端部方向移动；

具体来说，在应用于将样品整体切除出一个纵切面的方式中，步骤s21之前还包括：步骤s20、将样品沿纵向切除纵切面；相应地，步骤s21中两个水听器是沿着纵切面的一端部往另一端部方向移动。

s22、两个所述水听器每移动第三预设距离，进行一次声速计算与声衰减系数计算，得到第二分层声学信息；

具体来说，为使水听器测量效果更好，可以设置第三预设距离大于第二预设距离，将两个水听器按前进方向由前往后分别命名为前端水听器与末端水听器，则每移动一次，末端水听器的位置均在上一次的前端水听器的位置的前面。

s23、对各所述第二分层声学信息分析，得到样品的声学特性信息。

具体来说，第二种测量方法中，两个水听器保持第二预设距离同步移动；当只有一个换能器40时，可以是从远离换能器40的方向逐步往靠近换能器40的方向移动；每移动第三预设距离，则计算一次声速与声衰减系数，获得沉积物样品任意分层宽度上的声速与声衰减系数，也即第二分层声学信息；通过对各个第二分层声学信息进行分析，得到实际沉积物样品埋藏状态下不同尺度的声学特性。当样品内存在分层时可适当调节水听器间的距离，避免水听器破坏沉积物的分层状况。

进一步地，样品的声速计算公式为：

cp＝d0/(t1-t0)；

式中cp为所述样品的声速；t1为一个所述换能器发送的声波到另一个所述换能器的传播走时；t0为系统的电气、机械结构的延迟时间；d0为两个所述换能器的距离差。

具体来说，双水听器得到的声速作为分段分层的声速。

双水听器在样品分段分层中的声速计算公式为：

cp＝d23(t3-t2-t023)

式中t3为远处的接收水听器走时；t2为近处的接收水听器的走时；t023在水中标定的两个换能器之间的系统延时差；d23为两接收水听器间的距离差。

进一步地，把待测沉积物样品容器37更换为同样长度的空管，并且该空管设有与盛放待测沉积物样品的样品容器相同的采样孔，然后把整个测量装置放入至水中，进行水中标定声扩散损失，根据计算关系式从而计算出样品的分段分层的声衰减系数，双水听器得到的声衰减系数作为分段分层的声衰减系数的计算公式为：

α＝αs-αw；

αs＝20lg(as1/as2)/d12；

αw＝20lg(aw1/aw2)/d12；

式中αs为双水听器在样品中测量的声衰减系数；αw为双水听器在水中测量的声衰减系数；as1为远处的水听器接收到的、通过样品传播的声压进行傅里叶变换后的主频幅值；as2为近处的水听器接收到的、通过样品传播的声压进行傅里叶变换后的主频幅值；aw1为远处的水听器接收到的、通过水传播的声压进行傅里叶变换后的主频幅值；aw2为近处的水听器接收到的、通过水传播的声压进行傅里叶变换后的主频幅值；d12为两水听器间的距离差；α为样品分段分层的声衰减系数。

本发明提供了一种多功能、适用范围广、拆装方便、测量精度高的沉积物声学特性测量装置。

本申请提出了一种与现有实验室测量方法相同的水平测量方式与水听器竖直测量新方法相结合的方法和实现装置，能够进行多种声学特性测量，使用丝杆电机控制水听器竖直方向位移的方法，实现对水听器在样品中插入样品的深度的精准测量，避免因为样品对视线和测量工具的阻碍造成难以测量水听器插入样品的深度的问题。同时本申请提出了能改变换能器的竖直位置与水平位置的装置，扩大了可以测量的样品类型的范围，避免仅适用于部分样品的问题；通过使用滑轨和滑块来调节水听器位置装置，使测量时水听器间的宽度选择范围更广，调节方式更简便。同时降低了对样品钻孔的位置精度要求，样品在测量前无需依据特定的距离进行钻孔。

本申请所提供的技术方案相比于现有的声学测量装置至少具备四个创新点：

一是水听器采用滑块和导轨的移动方式，对应的创新方法是可以在样品上任意所需的位置上开孔测量(和现有的声学特性测量装置中水听器的孔是固定的定点开孔测量存在不同)；

二是对于水平换能器采用可调节升降底座，从而可以对中不同直径尺寸的样品(比如φ75mm、φ90mm、φ110mm)，对应的创新方法是提供了一种简便快速测量不同型号样品的结构和方式；

三是可以测量任意长度的样品(即样品长度可以为标准30cm，可以测量比标准长度更长的样品，如长100cm)，通过增加两端的延长块，而且延长块可以不对称，这里因为水听器的移动位置有限，所以对应的方法是移动样品，来实现样品不截断的总长上的测量，解决的技术方案是可以不切断样品就可以测量。

四是对于样品可采取整体切除的方式，漏出样品一个纵切面，使测量可以不局限于对样品进行打孔后再测量的模式。对应的创新方法是提供了一种无需受制于打孔位置的测量方法。

以上为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。