超聲波冰密度檢測方法的機(jī)理研究.pdf

1、本課題是在“南北極環(huán)境綜合考察與評估”（編號：CHINAER2015-02-02)專項(xiàng)項(xiàng)目與國家科學(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)測方法的研究（編號：41176080）”的資助下進(jìn)行超聲波冰密度檢測方法的機(jī)理研究。
　　冰的力學(xué)參數(shù)與其生長過程中的溫度、密度及鹽度關(guān)系緊密，目前，測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量，目前采用水或煤油等作為參考液體，因此冰的密度還無法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時自動

2、化監(jiān)測。本課題根據(jù)超聲波透射原理，對超聲波在淡水冰中的傳播特性進(jìn)行COMSOL仿真分析，設(shè)計了超聲波冰密度檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，超聲波冰密度檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括兩大部分：超聲波檢測裝置部分與冰密度測量部分，其中，超聲波檢測裝置包括超聲波發(fā)射與接收單元電路，密度測量部分提出兩種測量方法并對相應(yīng)的測量裝置進(jìn)行了設(shè)計，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)行測量。通過大量實(shí)驗(yàn)測量穿透冰層后超聲波信號的峰峰值，分析超聲波在冰介質(zhì)

3、（淡水冰和海冰）中傳播時的衰減變化與溫度之間的關(guān)系以及冰密度、溫度與信號峰峰值之間的關(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，水開始出現(xiàn)結(jié)晶，峰峰值逐漸減小，說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，固液混合態(tài)恰好變?yōu)楣虘B(tài)，此時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，超聲波信號峰峰值增大。實(shí)驗(yàn)同時表

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

5、漸增大。同時得出：對于實(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)行檢測時，50kHz頻率適合檢測溫度在-0.3℃至-15℃之間的情況，而150kHz頻率可以對海冰溫度在-0.3℃～-25℃的冰密度進(jìn)行檢測，并且在檢測溫度區(qū)間內(nèi)超聲波接收信號峰峰值與冰密度成相關(guān)性。
　　以上研究表明，利用超聲波檢測冰密度的方法在機(jī)理上是可行的，為進(jìn)一步設(shè)計超聲波冰密度檢測傳感器提供了理論依據(jù)，同時也為實(shí)現(xiàn)冰密度的自動化檢測提供了一種