超聲波冰密度檢測(cè)方法的機(jī)理研究.pdf

1、本課題是在“南北極環(huán)境綜合考察與評(píng)估”（編號(hào)：CHINAER2015-02-02)專項(xiàng)項(xiàng)目與國(guó)家科學(xué)自然基金項(xiàng)目“基于電容感應(yīng)技術(shù)的海冰厚度監(jiān)測(cè)方法的研究（編號(hào)：41176080）”的資助下進(jìn)行超聲波冰密度檢測(cè)方法的機(jī)理研究。
　　冰的力學(xué)參數(shù)與其生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度、密度及鹽度關(guān)系緊密，目前，測(cè)量冰密度的方法主要有排液法和重量-體積法。排液法歷史上使用舒列金量筒測(cè)量，目前采用水或煤油等作為參考液體，因此冰的密度還無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)自動(dòng)

2、化監(jiān)測(cè)。本課題根據(jù)超聲波透射原理，對(duì)超聲波在淡水冰中的傳播特性進(jìn)行COMSOL仿真分析，設(shè)計(jì)了超聲波冰密度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，超聲波冰密度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括兩大部分：超聲波檢測(cè)裝置部分與冰密度測(cè)量部分，其中，超聲波檢測(cè)裝置包括超聲波發(fā)射與接收單元電路，密度測(cè)量部分提出兩種測(cè)量方法并對(duì)相應(yīng)的測(cè)量裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，一種是排防凍液法，另一種是在不同溫度下分別取冰樣利用重量-體積法進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量穿透冰層后超聲波信號(hào)的峰峰值，分析超聲波在冰介質(zhì)

3、（淡水冰和海冰）中傳播時(shí)的衰減變化與溫度之間的關(guān)系以及冰密度、溫度與信號(hào)峰峰值之間的關(guān)系。最后，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：
　　（1）冰中超聲波傳播特性：當(dāng)?shù)疁囟认陆档?℃時(shí)，水開始出現(xiàn)結(jié)晶，峰峰值逐漸減小，說(shuō)明超聲波在固液混合狀態(tài)下衰減較大；溫度由-0.1℃向-0.2℃跳變時(shí)，固液混合態(tài)恰好變?yōu)楣虘B(tài)，此時(shí)峰峰值衰減到最小值；溫度繼續(xù)降低（低于-0.2℃），臨界固態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，冰密度逐漸增大，超聲波信號(hào)峰峰值增大。實(shí)驗(yàn)同時(shí)表

4、明：超聲波檢測(cè)冰密度變化時(shí)，超聲波接收信號(hào)峰峰值與冰密度成相關(guān)性。50kHz頻率適合監(jiān)測(cè)溫度在0℃至-5℃之間的冰密度變化情況，而150kHz頻率適合監(jiān)測(cè)溫度在-5℃至-15℃之間的冰密度變化情況。
　　（2）海冰中超聲波傳播特性：海水溫度維持在冰點(diǎn)-0.3℃時(shí)處于冰水混合物狀態(tài)，超聲波信號(hào)的峰峰值衰減較大；當(dāng)海冰溫度在-0.3℃～-10℃區(qū)間時(shí)，穿透冰層后所接收到的超聲波信號(hào)的峰峰值在下降；低于-10℃時(shí)，超聲波信號(hào)峰峰值開始逐

5、漸增大。同時(shí)得出：對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件下鹽度為11‰的海冰（冰點(diǎn)在-0.3℃左右）密度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，50kHz頻率適合檢測(cè)溫度在-0.3℃至-15℃之間的情況，而150kHz頻率可以對(duì)海冰溫度在-0.3℃～-25℃的冰密度進(jìn)行檢測(cè)，并且在檢測(cè)溫度區(qū)間內(nèi)超聲波接收信號(hào)峰峰值與冰密度成相關(guān)性。
　　以上研究表明，利用超聲波檢測(cè)冰密度的方法在機(jī)理上是可行的，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)超聲波冰密度檢測(cè)傳感器提供了理論依據(jù)，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)冰密度的自動(dòng)化檢測(cè)提供了一種