超声衰减谱法测量泥沙粒度分布

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1、泥沙研究2007年12月JournalofSedimentResearch第6期超声衰减谱法测量泥沙粒度分布薛明华，苏明旭，蔡小舒(上海理工大学动力工程学院颗粒与两相流测量技术研究所，上海200093)摘要：利用超声衰减谱的测量，可以获得泥沙中颗粒粒度分布信息。采用超声耦合相模型和Bouguer-Lambert—Beer-La散射模型的叠加描述河流泥沙中超声衰减行为，宽频超声换能器测量得到2MHZ至7MHZ间泥沙声衰减谱，结合独立模式的最优正则化反演算法，获得了体积浓度4．5％，12．4％，15．8％下泥沙的颗粒粒度分布。结果表明，超声衰减谱法能在体积浓度直至15．

2、8％的高浓度条件下获得泥沙颗粒粒度分布，并且测量得到的平均粒度受浓度变化影响较小。将超声法i贝0量结果与光学图像法测量结果相比较，两种测量方法得到的结果较为吻合。关键词：超声衰减谱法；泥沙；粒度分布；声衰减；反演算法中图分类号：0422．4文献标识码：A文章编号：0468—155X(2007)06—0014—051引言河流泥沙观测是河流水文工作的一个重要组成部分，泥沙粒度分布的测试和评估，能提供重要的水文观测资料，对水利工程设计，水资源的利用和保护具有重大意义。目前对于泥沙测量的方法主要有：振动法、光电法、)，射线法、超声法、以及激光法⋯。由于超声波穿透率强，并且具

3、有较宽的频带，因此对于较高浓度的泥沙作在线测量，超声法具有无需稀释、快速、实时等优势。应用超声法对于河流泥沙测量的报道主要集中在通过声衰减量来测量泥沙的浓度参数。目前常用的声衰减标定和经验公式确定含沙量的方法，由于没有考虑随现场环境变化的泥沙颗粒粒度分布对于声衰减量的影响，往往导致所测浓度误差较大，难以获得满意的结果H。因此本文研究基于超声波在颗粒两相流中的衰减理论，通过测量、分析多个频率下的超声衰减谱，经反演计算，求得泥沙颗粒的粒度分布。并且探讨不同粒度分布对声衰减量测量的影响。2颗粒粒度分布的计算2．1颗粒两相流介质中声衰减模型超声衰减谱法测量颗粒两相流悬浊液粒

4、度分布过程可以概括为：基于一个合适的理论模型对已知物性参数的颗粒两相流悬浊液预测其声衰减，再根据实测的系统声衰减，结合颗粒系和声衰减谱对应的模型矩阵进行数据反演，最终得到颗粒两相流系统的真实(最优)粒度分布。因此，首先要求有合适的理论模型对两相流悬浊液中的声波动和衰减进行描述和求解。超声波在泥沙颗粒两相流体系中传播，通常认为引起超声衰减的原因包括能量损失和散射衰减。能量损失又主要包括粘性损失与热损失。粘性损失是指在超声波作用下，由于颗粒相与连续相间密度收稿日期：2007—03—14基金项目：国家863计划(2006AA03Z349)；国家自然科学基金(5070602

5、9)作者简介：薛明华(1983一)，男，硕士研究生，主要从事颗粒与两相流测量研究。14差异，靠近颗粒的液体层作相对滑动产生摩擦力所致；热损失由颗粒表面附近的温度梯度产生，该温度梯度是由于超声波作用下的温度与压力的耦合效应所致。对声能量损失可按Harker&Temple提出耦合相模型预测2=×+c·一×}l_}{_c·式中s=()+导砉+詈[砉+荽]㈤下标P和1分别指示颗粒相和连续相参数，表示体积浓度，表示角频率，i表示虚数单位，R表示颗粒半径，=、／，称为粘性集肤深度，)7表示粘度。复波数k：／c()+ia()，实部给出了声速c()数值，虚部则给出了声衰减a()数值

6、。参数S则是连续相密度，粘度，颗粒相粒度，浓度的函数。散射衰减与能量损失的产生机理不同，通常认为声散射中颗粒仅仅是将部分的声能流方向作了改变。对于半径R，颗粒体积浓度的颗粒系，散射损失的声衰减系数a可按BLBL(Bouguer-Lambert—Beer．IJaw)模型描述为a=8⋯RK(3)K称消声效率，由下面的级数形式给出k=一塞(2n+1)Re(4)式中=／c定义为颗粒粒度系数，c为连续相声速，在声学体系中又依据固体颗粒相的纵波波速c和横波波速c类似的定义了=~oR／c和=／c。A称散射系数，可以根据Hay&Mercer理论，由上述三个粒度系数以及它们的第一、二

7、类球Bessel函数求出。2．2反演算法颗粒测量中反演算法是研究如何由所测声频谱得到颗粒粒度分布的一种方法。因与模型预测声衰减谱的过程正好相反，故也被称为反问题。粒度求解过程可简单描述为¨：采用最优化思想求得一个能产生与实测超声衰减谱最吻合(误差最小)的颗粒粒度分布系，即使得误差平方和(theSumoftheSquaresoftheDifferences)最小的过程min(SSD)=min([a()一a。()])(5)一■其中a()和a。()分别为频率下理论模型预测值和实验测量值。在超声衰减谱法测量颗粒中，根据数据处理时，是否需要采用假设颗粒粒度分布，可将算法分