海底沉积物声速-压力特性测试系统的设计与实验.pdf

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1、第36卷第5期2017年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．36．No．50ct．2017doi：10．3969／j．issn．1003—2029．2017．05．009海底沉积物声速一压力特性测试系统的设计与实验周舒t，邹大鹏憎，肖体兵-2，张谦1，陈少伟3(1．广东工业大学广东省计算机集成制造重点实验室，广东广州510006；2．广东工业大学广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广东广州510006；3．广东工贸职业技术学院，广东广州510550)摘要：文中设计基于可编程逻辑控制器(PLc)的

2、测控平台、伺服加压控制、步进推动控制、多传感器测量、触摸屏交互等功能的温压可控声学测量系统，实现海底沉积物样品的孔隙水自动可控加压．通过声学测量功能单元测量海底沉积物在各个压力下的声速。模拟海底沉积物处于大陆坡2000m以浅海底表层任何深度变化时的声学特性测量，得到海底沉积物声速一压力特性，为校正实验室测量数据还原到海底原位测量数据提供一种方法。关键词：海底沉积物；温压可控声学测量系统；PLc；声速；孔隙水压力中图分类号：0429文献标志码：A文章编号：1003—2029(2017)05—0055一07采用声学的方法提取海底沉积物的物理

3、一力学性质信息，是一种探测海底的重要手段【l】，海底沉积物的声速测量主要有原位直接测量法和实验室间接测量法两种形式【2】，其中实验室测量由于操作简便，可以多次重复测量，精度相对较高，能够分析海底沉积物的物理特性、分层特性等，应用极为广泛。但是在实验室测量海底沉积物样品忽略了海底实际的压力环境，会造成声速测量的误差网。为了研究压力对海底沉积物的声速特性影响，王琪等【4】应用压力釜加压系统测量研究指出在1000m水深以内，海底沉积物静水压力变化对海底沉积物声速没有影响。这与吕妙丽等同、邹大鹏等同应用小尺度底质声学测试系统研究海底沉积物声速随

4、着静水压力增长特性并不相同。因此有必有深入研究沉积物在不同海底深度压力环境下的声速变化，获取更加精准的测量数据。本文设计基于PLC测控平台、伺服加压控制、步进推动控制、多传感器测量触摸屏交互功能的温压可控声学测量系统，用ANSYS对测试舱进行了静力学分析和实验验证，分析加压过程中可能对海底沉积物声学测量产生的影响因素和误差，减小声学测量过程中加压对测量精度的影响。最后实现了压力可控状态下，模拟海底沉积物处于不同海底深度变化时的声学特性测量，进行了部分海底沉积物孔隙水压力变化下的声学特性变化的研究，为校正实验室测量数据还原到海底原位测量数

5、据提供一种方法。1系统总体设计1．1系统的设计要求大陆架和大陆坡蕴含着丰富的矿产资源，是当前我国海洋资源勘探和开采的重点区域。大陆坡水深为2000m以浅，考虑到盐度、温度等影响，设计温压可控声学测量系统的控制压力范围为0～30MPa，完全覆盖大陆坡范围内的海底表层沉积物所收稿日期：2017_02—24基金项目：广东省自然科学基金资助项目(2016A030313804)；广东省省级科技计划资助项目(2017A010102012，2015BOl0104006)；广东省计算机集成制造重点实验室资助项目(CIMSOF2016014)作者简介：周

6、舒(1990一)，男，硕士研究生，主要从事海洋声学检测设备的研发。E—mail：517656466@qq．com通讯作者：邹大鹏(1977一)，男，教授，主要从事机电液测控与海洋声学探测研究。E—mail：an吐mnyzou@126．com海洋技术学报第36卷处的压力范围。压力控制精度为0．1MPa，保压时间可调整，设定为10min，以保证海底沉积物围压和孔隙水压力充分平衡。海水的声速可以由Wilson提出的海水声速经验公式m计算：Q=1449·2+4·6弘0·055丁+0·00029r(1)+(1．34一O．01z)×(．s一35)+

7、0．016D式中：G为海水声速，111／s；S为盐度，g瓜g；丁为温度，℃；D为深度，m。根据式(1)可得压力对海水声速的影响大约为1．6m．s_1／MPa，本加压设备的精度设定值为O．1MPa，因此其声速最大绝对误差为：e=1．6×0．1=0．16Ⅱl／s(2)海水的声速虽然受到海水温度r、静压力P、盐度

8、s的影响因时因地而异，在大陆坡海水声速范围大致在1430～1550一s变化，故可知声速最大相对测量误差为：6=詈_×100％=告等×100％=o．01％(3)式中：6为声速最大相对误差；e为声速最大绝对误差，rIl，s；c。取声速最

9、小值l430IIl／s，由此可知，本系统设计的加压控制精度对海底沉积物的声速影响非常小，对海底沉积物声学测量产生的精度影响可以忽略不计。1．2系统的总体设计方案海底沉积物温压可控声学测量系统的总体结构设计如