一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法与流程

1.本发明涉及声学特性测量技术领域，具体涉及一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法。


背景技术：

2.海底作为海洋声信道的下界面，海底底质声学特性(声速和声衰减等)对水下声传播有着重要影响，在浅海环境下，这种影响尤为显著，如海底底质的特性参数对声场预报、匹配场定位等具有至关重要的作用。了解海底沉积物的声学特性，对声纳作用距离的预报以及水声环境效应方面的研究及其重要。理论上讲，要精确地描述海底底质对水下声传播产生影响，需要精确的获取海底底质参数。
3.现有的海底沉积物声学特性测量方法或设备存在以下问题：
4.1)无论是海底沉积物声学特性原位测量设备还是取样实验室测量方法，大多是高频(10khz以上)声学测量，很难或无法进行中低频(10hz-10khz)的声学特性测量，尤其是低于1khz的声学特性原位测量；2)现有的海底沉积物声学特性原位测量设备及取样测量都是站点式测量，只能测量一个站位的声学特性，无法获取规模化、区块化或者区域化的底质声学特性；3)现有的海底沉积物声学特性原位测量设备大多是测量的浅表层30cm到1m以内的沉积物的声学特性，很难或无法得到大埋深(垂向大于3m)的海底沉积物的声学特性；4)现有的海底沉积物声学特性原位测量设备基于自重或者液压系统驱动插入到海底沉积物中，在珊瑚礁海域，由于珊瑚礁沉积物较硬，很难或无法插入到珊瑚礁礁体中进行测量，难以获取珊瑚礁的声学特性。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明提供一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，其通过在探井中布放海底低频探杆接收系统，利用声源开展中低频声学特性海底原位试验，并根据接收到的声学信号计算岛礁珊瑚礁的中低频声学特性，为岛礁区海底声传播理论研究提供技术和数据支持。
6.为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：
7.一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，其包括以下步骤：
8.在待测量的岛礁珊瑚礁海底沉积物上钻取若干个探井，所述探井相隔设定距离；
9.在科考船上提前对海底低频探杆接收系统进行设置，设置参数包括接收频率、采样率、采集时长与点数参数的一种或多种；
10.在若干所述探井中布放设置好的海底低频探杆接收系统，至少所述海底低频探杆接收系统的水听器阵列探杆深入所述探井内；
11.将声源下放到海水中并让所述声源按设置的参数发射声学信号，所述水听器阵列探杆的若干个接收水听器同时接收声学信号，并存储在所述海底低频探杆接收系统的存储器上，在不同方位和角度上多次重复该步骤；
12.根据所述接收水听器的接收频段范围、声源的种类、频段范围、发射时间、声源与所述探井的距离和角度，结合接收到的声学信号计算得到待测量的岛礁海底沉积物的声传播特性。
13.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，利用静力触探钻机钻取所述探井，其中，所述静力触探钻机利用科考船的a架系统下放到岛礁珊瑚礁成岩后的海底沉积物上，所述探井深度为5m-10m。
14.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，钻取所述探井过程中，获取沿所述探井的深度方向5m-10m的珊瑚礁岩芯样品，获取的所述珊瑚礁岩芯样品回收到科考船的船甲板，同时，在静力触探钻机上搭载用于测量海底海水的电导率、温度、深度和盐度的ctd测量单元。
15.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，所述海底低频探杆接收系统的水听器阵列的探杆长度4m-9m。
16.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，所述声源包括电火花声源、空气炮声源、炸弹声源、发射换能器声源的任一种或多种。
17.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，声源设置的所述参数包括频率，功率，声源级参数的一种或多种。
18.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，所述接收水听器在垂向和横向同时接收所述声学信号，其中，所述垂向是指探井的长度方向，所述横向是指任意两个探井之间，所述接收水听器的接收频段为中低频10hz-10khz。
19.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，利用遥控无人潜水器将所述海底低频探杆接收系统吊放上升到科考船的船甲板。
20.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，利用该测量方法可以得到区域化或区块化的岛礁珊瑚礁海底沉积物的中低频声学特性，所述中低频范围为10hz-10khz，所述声学特性包括声速和声衰减系数。
21.如上所述的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，进一步地，钻井获取的珊瑚礁岩芯样品，用于在实验室中测量获取珊瑚礁岩芯的物理力学性质参数，其中，所述物理力学性质参数包括孔隙结构、密度、颗粒粒度和剪切力。
22.本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
23.1、本方法的测量频率与水声探测需求对接，实现原位中低频(10hz-10khz)声学测量，为岛礁区海底声传播理论研究提供技术和数据支持；
24.2、本方法能够实现区域化测量，直接得到数十米到数百米范围内的区域化原位中低频声学特性；
25.3、垂向测量深度大，可以在原位测量4-9m内的垂向声学特性；
26.4、本发明可以通过多个探井的协作，组网测量，得到大规模的海底珊瑚礁中低频声学特性。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明实施例的岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法的示意图。
29.其中：1、声学信号；2、水听器阵列探杆；3、水密舱；4、存储器；5、低频接收换能器；6、外骨骼支架；7、吊装框架；8、声源；9、岛礁海底沉积物。
具体实施方式
30.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
31.实施例：
32.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，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发明的限制。
34.在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，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，也可以是可拆卸连接，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发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.参见图1，本发明提供了一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，其通过在探井中布放海底低频探杆接收系统，利用声源8开展中低频声学特性海底原位试验，并根据接收到的声学信号1计算岛礁珊瑚礁的中低频声学特性，为岛礁区海底声传播理论研究提供技术和数据支持。
37.如图1所示，一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，其包括以下步骤：
38.步骤1、利用静力触探钻机装置在海底钻孔
39.在岛礁海域，利用科考船的a架系统，将静力触探钻机下放到岛礁海底沉积物9上，利用静力触探钻机对岛礁海底沉积物9进行钻井取样作业，探井深度为5m-10m，在海底钻取第一探井并获取沿探井的深度方向5m-10m的珊瑚礁岩芯样品，获取的珊瑚礁岩芯样品回收到科考船的船甲板以备后用，同时在静力触探钻机上搭载用于测量海底海水的电导率、温度、深度和盐度的ctd测量单元，以获取海底海水的温度，盐度，深度等数据。
40.在距离第一探井设定距离处，如探井之间相隔100m，第二次下放静力触探钻机到岛礁海底沉积物9上，利用静力触探钻机对岛礁海底沉积物9进行钻井取样作业，重复上述步骤，打第二探井，静力触探钻机钻井作业完成后将珊瑚礁岩芯取样吊放到船甲板以备后用。具体地，静力触探钻机可以在岛礁海底沉积物9上钻取若干个探井，且探井相隔设定距离，a架系统安装在科考船或综合勘探船上，用于水下机器人，探测器收放。
41.步骤2、布放海底低频探杆接收系统
42.在若干探井中布放海底低频探杆接收系统，至少海底低频探杆接收系统的水听器阵列探杆2深入探井内，其中，水听器阵列探杆2包括若干接收水听器、水密舱3、低频接收换能器5和外骨骼支架6，若干接收水听器通过吊装框架7与水密舱3上部相连，水密舱3内设有用于采集和存储声学信号1的存储器4以及供电设备。外骨骼支架6内安装有若干低频接收换能器5，存储器4通过水密缆与若干低频接收换能器5相连。由于岛礁区的海底沉积物以珊瑚礁为主，不同于硅质碎屑沉积物的松散结构，岛礁区的珊瑚礁沉积物基本上已经成岩，属于岩石，因此在岛礁区的探井不会在海底围压下坍塌，结构比较稳定，可以将水听器阵列探杆2下放到探井中。
43.如图1所示，利用遥控无人潜水器(rov)将两套海底低频探杆接收系统分别下放到海底，然后将两套海底低频探杆接收系统的水听器阵列探杆2分别插入到步骤1的第一探井和第二探井中，完成系统布放。优选地，海底低频探杆接收系统的水听器阵列探杆2长度为4m-9m，根据探井的深度确定。
44.步骤3、岛礁中低频地声特性测量试验
45.将声源8下放到海水中并让声源8按设置的参数发射声学信号1，声学信号1经过海水、海底岛礁沉积物传播后，被海底低频探杆接收系统的若干个接收水听器同时接收，并将声学信号1存储在海底低频探杆接收系统的存储器4上。一次试验结束后，间隔两到三分钟，开始第二次试验，再次设置声源8发射参数，重复上述步骤，多次发射声学信号1，海底低频探杆接收系统接收声学信号1并存储在存储器4上。
46.声学测量试验结束后，利用rov将海底低频探杆接收系统分别吊放上升到船甲板上，并利用笔记本电脑连接海底低频探杆接收系统，将测量信号保存到笔记本电脑上，等待实验室中后续分析。
47.具体地，本方法中，声源8包括电火花声源、空气炮声源、炸弹声源、发射换能器声源的任一种或多种。设置的参数包括频率，功率，声源级的一种或多种。海底低频水听器探杆接收系统上根据海底低频水听器探杆接收系统的长度设置有4-9个接收水听器，接收水听器能够在珊瑚礁探井的垂向和横向同时接收声学信号1，其中，垂向是指探井的长度方向，横向是指任意两个探井之间，接收水听器的接收频段为中低频10hz-10khz。
48.步骤4、岛礁中低频声学特性测算
49.水听器接收频段为中低频10hz-10khz，查明各种声源的频段范围，根据各种声源发射频段、声源8的种类、声源8的发射时间以及声源8与探井之间的距离，海底低频探杆接收系统接收的信号等信息，利用声学信号1在海底探井之间的传播距离及传播时间，可以计算得到待测量的岛礁海底沉积物9的声传播特性，如声速和声衰减等。
50.综上所述，本发明的一种岛礁珊瑚礁中低频声学特性测量方法，基于静力触探钻机、rov、海底低频探杆接收系统等设备在岛礁区开展海底珊瑚礁的中低频声学原位测量试验，可以获得珊瑚礁沉积物区域化的中低频(10hz-10khz)声学特性，为岛礁区海底声传播理论研究提供技术和数据支持。本发明还可以通过多个探井的协作，组网测量，得到大规模的海底珊瑚礁中低频声学特性。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。