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4 溫度變化時(shí)頻漂現(xiàn)象研究

海底淺層沉積物溫度變化范圍從-2℃～30℃
不等，雖然溫度不高、變化范圍不大，但會(huì)引起海
底沉積物結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，在不同溫度時(shí)表現(xiàn)出不同
的聲學(xué)性質(zhì)，因此研究溫度對(duì)沉積物聲學(xué)特性的影
響具有重要的意義。

沉積物溫度變化時(shí)聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)見圖
3。絕大多數(shù)海底沉積物樣品的聲衰減量都隨溫度
升高而增大，且出現(xiàn)了溫度導(dǎo)致的頻漂現(xiàn)象，即隨
著溫度的變化主頻發(fā)生漂移。圖4 為南海海域采集
的原狀樣測(cè)量溫度變化過程中主頻變化趨勢(shì)，低溫
時(shí)主頻是35.156kHz ，隨著溫度的升高，主頻開始


第1 期鄒大鵬等：海底沉積物聲學(xué)測(cè)量中頻譜分析方法應(yīng)用研究

衰減，8℃以前衰減緩慢，其后迅速衰減，12℃時(shí)

37.109kHz 頻率突出并且變?yōu)樾碌闹黝l，此主頻也
隨著溫度衰減。海底沉積物是海水和固體顆粒的混
合物，溫度升高引起海水黏度有所減小，吸收損失
降低，但是熱運(yùn)動(dòng)引起的散射增強(qiáng)，尤其在某個(gè)溫
度(圖示測(cè)量樣品是8℃)，散射引起的衰減超過黏度
降低減少的吸收損失，此外，沉積物與換能器接觸
面耦合損失增大，從而出現(xiàn)了衰減下降增快。而對(duì)
于頻漂現(xiàn)象，需要從微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)理入手，研究
熱運(yùn)動(dòng)引起沉積物結(jié)構(gòu)振動(dòng)的模態(tài)變化。
圖3 沉積物溫度變化下聲學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 Experimental layout for acoustic measurement of sediments
withtemperature variation
圖4 溫度變化下海底沉積物頻譜圖
Fig.4 Spectrum of seabed sediment at different temperatures

5 沉積物聲學(xué)測(cè)量異常數(shù)據(jù)的判斷

沉積物聲學(xué)測(cè)量過程中，由于環(huán)境因素、耦合
狀態(tài)等變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生測(cè)量數(shù)據(jù)的較大變化，這種變
化因素作用于被測(cè)沉積物內(nèi)部，無(wú)法直觀地檢測(cè)
到，頻譜分析方法為此提供了一種科學(xué)判斷依據(jù)。

聲衰減系數(shù)(測(cè)試原理見圖3)是沉積物具有的
特有參數(shù)，其隨溫度變化而變化[9] ，圖5 為溫度連
續(xù)變化過程中沉積物聲衰減系數(shù)的變化修正前后
的對(duì)比圖，其中虛線星點(diǎn)是測(cè)量得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，
顯得雜亂無(wú)章，無(wú)法確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和規(guī)律
性。對(duì)測(cè)量的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖6，

圖5 溫度變化下聲衰減系數(shù)實(shí)測(cè)圖
Fig.5 Attenuation coefficients at different temperatures
圖6 聲衰減系數(shù)測(cè)量頻譜分析圖
Fig.6 Spectrum analysis of attenuation coefficient measurements at
different temperatures

其中35.156kHz 和37.109kHz 為平面換能器的兩個(gè)
主頻率，41.016kHz 和42.969kHz 為錐面換能器的
兩個(gè)主頻率。從圖6 中可以看出5℃~10℃一段發(fā)生
了很大的變化，存在異常數(shù)據(jù)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)5℃、6℃
存在擾動(dòng)變化，9℃、10℃時(shí)儀器的衰減系數(shù)發(fā)生過
調(diào)整，7℃、8℃數(shù)據(jù)屬于計(jì)算錯(cuò)誤。修正6℃時(shí)數(shù)據(jù)，
改正7℃、8℃、9℃、10℃的數(shù)據(jù)(見圖5 實(shí)線)，可
以得出沉積物在5℃發(fā)生了擾動(dòng)，衰減系數(shù)分為兩
段，前一段衰減系數(shù)呈下降趨勢(shì)，后一段的衰減系
數(shù)先下降后上升；兩者的梯度不同，下降梯度變化
較為劇烈，上升梯度緩和。這種擾動(dòng)情況在海底沉
積物采樣、運(yùn)輸、測(cè)試等過程中都會(huì)存在，既是影
響沉積物測(cè)量精度的一個(gè)重要因素，也是不可避免
的一個(gè)隨機(jī)因素，頻譜分析可以提供一種檢測(cè)手段。

6 沉積物類型的區(qū)分

利用聲學(xué)手段判別沉積物是海洋聲學(xué)兩大問
題中的反演問題[10] ，諸多研究者(如Hamilton[6] 、

多功能聲波檢測(cè)儀

DB-4D型

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