adv测量细颗粒泥沙浓度的适用性

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1、ADV测量细颗粒泥沙浓度的适用性　　引言　　声学设备对小尺度泥沙过程的测量具有无干扰和高时空分辨率的巨大潜力，在过去的三十年已经逐渐被泥沙研究者所接受。如ADV（AcousticDopplerVelocimeter）通过传感器向水体发射一定频率的声波，经过传感器下方若干厘米处颗粒的反向散射后再由传感器接收，根据多普勒频移，反向散射波的频率由于颗粒的移动而发生变化且与颗粒的运动速度成比例，若假设颗粒运动的速度与水体一致，则ADV通过传感器接收反向散射声波频率的变化可测得颗粒运动速度，即水体的流速。　　当波长为&la

2、mbda;的声波在介质中传播遇到直径为d的圆形颗粒时，根据波长和颗粒直径的大小关系，产生的反向散射波可由Mie理论或者简化的Rayleigh散射描述，反向散射波的强度主要受颗粒粒径、颗粒浓度以及颗粒反射特性等的影响，因此，在其他条件相同的情况下，可建立ADV反向散射声波与颗粒浓度的关系，即用ADV进行颗粒浓度的测量。基于声波散射理论，很多学者研究了散射强度和泥沙浓度的关系。然而，这些研究主要针对低浓度的较粗泥沙颗粒，对细颗粒（如黏粒和粉砂粒）的研究较少。朱中凡等的试验表明，细颗粒泥沙在水体中会发生絮凝，而絮凝对A

3、DV测量泥沙浓度的影响尚未清楚。HaandHsu等曾利用ADV测量了细颗粒泥沙浓度，认为浓度较低时，ADV声波散射强度与泥沙浓度呈线性关系。FugateandFriedrichs认为，ADV散射信号对黏性沙絮团并不敏感，原始颗粒的作用更大。MaaandKwon认为絮凝情况下的反向散射强度与浓度的关系尚待进一步的试验验证。因此，对于细颗粒泥沙而言，前述的理论能否适用还不明确，细颗粒泥沙发生絮凝的情况下，是否引起声波散射强度和浓度关系曲线的变化，声波散射强度是受絮团的大小和形状的控制还是受原始颗粒的特性控制还不清楚。

4、　　总体来看，ADV具有较高的时空分辨率（0.1s，1cm），对流体的干扰较小，用来测量非黏性沙浓度比较成熟。对于黏粒或者粉砂粒等细颗粒泥沙，其适用性还需要进一步的研究。本文旨在通过试验研究不同浓度、不同粒径和不同声波频率对ADV反向散射信号的影响，进而分析ADV测量细颗粒泥沙浓度的适用性，以期为细颗粒泥沙浓度的测量提供依据。　　1ADV信号处理　　ADV反向散射声波强度的大小用传感器接收到的信号表示，包括Amp和SNR两个参数。Amp是颗粒反向散射声波的原始信号，用来衡量水体中是否含有足够的颗粒来完成测量；SN

5、R为信噪比，其值越大，噪声的影响越小，测量精度越高。利用ADV测量含沙量时，有的研究使用了SNR，但是SonTekADV技术文档中明确推荐使用Amp，也被多数研究所采用，本研究采用Amp信号。　　1.1信号的转化　　ADV测得的Amp信号以Count计，1Count等于0.43dB，dB是一个计数单位，无量纲。将Amp转换为反向散射声波强度BSI（backscatteracousticintensity）时可采用下式：【1】　　　　式中，a是为了避免BSI过大而不利于分析所采用的一个系数。　　用ADV进行测量时，

6、3个接收器可获得3个Amp值，该浓度下的反向散射声波强度可取3个信号分别转化为BSI后的平均值，即【2】　　　　本文中以后出现的反向散射声波强度BSI都采用此方法计算。　　1.2信号的敏感性及衰减　　根据散射理论，颗粒直径d和声波波长λ满足pd/λ等于1时，反向散射波的强度最大。对于较细颗粒（pd/λ<1），随着颗粒粒径的减小，散射后的声波强度以粒径的4次方的幅度减小，而对于较粗颗粒（pd/λ>1），声波散射信号的强度与pd/λ的2

7、次方成反比，BSI与颗粒粒径的关系见图1。【图1】　　对于特定声波频率的ADV，如16MHzADV的波长为94?m，则最敏感粒径为0.029mm。6MHzADV声波波长为250?m，则最敏感粒径为0.08mm。可见，声波波长越小，对细颗粒的敏感性越高。　　声波由水体中泥沙颗粒的反向散射被ADV接收，颗粒越多则散射越充分，ADV接收到的信号也越强，但是泥沙颗粒超过一定浓度后，颗粒间的多次散射又会导致信号的衰减。HaandHsu等用三种ADV（5、10、16MHz）测量粘性沙的浓度，发现对不同频率ADV及粒径组成均存

8、在一个浓度的上限值，达到该值后ADV信号达到最大，超过该浓度后ADV信号逐渐衰减。实际上低浓度时也存在声波信号的衰减，但衰减为常数，测量时可以不考虑。因此利用ADV测量泥沙浓度时，可能会受限制于一定的浓度范围内。　　1.3温度和盐度对ADV信号的影响　　声波在水中的波速约为1500m/s左右，是水体温度和盐度的函数。一定频率的声波穿透不同温度和盐度的水体时，频率不变而速度