1基于超聲波的海冰監(jiān)測(cè)機(jī)理概述 11.1海冰的形成及結(jié)構(gòu) 1 11.1.2海冰的結(jié)構(gòu) 11.1.2海冰的類型 21.2海冰的物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì) 3 4 41.1.4海冰力學(xué)性質(zhì) 4 1.3.1超聲波基本概念及特性 51.3.2超聲波的產(chǎn)生與接收原理 51.3.3超聲波無損檢測(cè)的原理與應(yīng)用 71.4冰中超聲波傳播聲速及衰減 81.4.1超聲冰穿過冰層的聲速測(cè)量 81.4.2超聲冰穿過冰層的衰減測(cè)量 1.1海冰的形成及結(jié)構(gòu)1.1.1海冰形成過程水比任何其他材料都更能形成多種固相態(tài)。如果液態(tài)水在常壓下凍結(jié)或水蒸氣在0℃~80℃間沉降的話，會(huì)有規(guī)則地重復(fù)排列，形成一種六方晶系，被稱為Ih型冰或單晶冰。在所有水的固態(tài)相中，只有六方晶系冰在地球上以天然形式存在。一般假設(shè)它具有六方晶系的性質(zhì)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)個(gè)冰晶體開始結(jié)晶時(shí)，需要一個(gè)冷卻過程，第二階段為液體和固體混合物，對(duì)應(yīng)著晶體生長(zhǎng)，第三階段是冰的自身冷卻i。根據(jù)HanseniI等前人的測(cè)定，特別是在研究高緯度地區(qū)的海面熱過程時(shí)，凍結(jié)點(diǎn)溫度是必不可缺少的因素。1.1.2海冰的結(jié)構(gòu)2所謂海冰的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)單地理解為各相成分的組a軸)與這個(gè)方向一致。海冰的結(jié)晶主軸(即C軸)在水平方向，與冰和鹵水的增厚(即隨著晶粒有選擇性地成長(zhǎng))處于水平面內(nèi)的晶粒也逐漸增多，在厚度約為15cm內(nèi)，所有的C軸大致都處于水平面內(nèi)，即S?冰類型。在物理學(xué)中，依據(jù)冰的晶粒結(jié)構(gòu)、形成過程和物理特征把冰分為9個(gè)類型。當(dāng)水在0℃上下從液體變?yōu)楣腆w時(shí)，在地球上就生成自然冰，這種冰由六邊形結(jié)構(gòu)(網(wǎng)格)的晶粒構(gòu)成，如湖和河流中的淡水冰、海冰、潛水冰、冰川冰和水底冰，關(guān)于它們的生成、晶粒結(jié)構(gòu)和特性在表(2-4)中給予簡(jiǎn)要介紹，具體冰的類型如表(2-4)所示。冰期淡水冰海冰晶粒尺寸和形狀C軸方向大列特大粒徑，不規(guī)則最優(yōu)為垂直向(生成的最初階段)中列特大粒徑，片狀和針狀由垂直列隨機(jī)P4P4b雪形成冰核各向尺寸勻等隨機(jī)二期冰S1柱狀粒狀冰大列特大晶粒，不規(guī)則最優(yōu)為垂直向(由初期冰中列特大晶粒隨機(jī)，之后為水平S3S3bS1類的柱狀粒狀冰中列特大晶粒最優(yōu)為水平向3細(xì)列中等粒徑，不規(guī)則細(xì)列中等粒徑，規(guī)則隨機(jī)添加冰(在冰雪冰細(xì)列中等粒徑，磨光棱角隨機(jī)雪水冰隨機(jī)的冰)結(jié)塊冰結(jié)塊冰海冰的許多性質(zhì)都與它的溫度有關(guān)，當(dāng)海冰溫度改變會(huì)給海冰的許多物理和力學(xué)特性造成影響，海冰的溫度是海冰非常重要的參數(shù)。海冰的溫度對(duì)海冰的許多物理參數(shù)有關(guān)。海冰的溫度與其含鹽量的關(guān)系密切：對(duì)海水進(jìn)行降溫，最先析出的鹵鹽為碳酸鹽，此時(shí)海水溫度在在-2℃;海冰溫度降至-8.2℃,Na?SO4開始沉淀，Na?SO4析出主要發(fā)生在-8.2℃到-15℃之間；當(dāng)海水低于-23℃時(shí)，NaCl發(fā)生沉淀，而在-23℃時(shí)固體NaC1開始沉淀。當(dāng)溫度降到-55℃時(shí)，海冰中的冰晶和鹵鹽都凍結(jié)為固體。隨著溫度的降低鹵汁減少，純冰增多，而溶于其中的鹽類則依次沉淀下來。冰的溫度與它的力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。海冰溫度越低，抗壓極限強(qiáng)度越高。一般為表層海冰溫度最低，其溫是由于海冰的上下界面分別是大氣和海水的原故。海冰溫度除了垂直分布規(guī)律外，還應(yīng)當(dāng)指出的是它隨著氣溫和水溫的變化而變化，表現(xiàn)出日、月、年變化。海冰在形成過程中，鹵水析出。當(dāng)結(jié)冰較快時(shí)，鹵水來不及析出，就會(huì)被包裹在冰晶片之間，形成鹵水泡。海冰的鹽度主要區(qū)取決于海水鹽度和海冰結(jié)冰速率，除此以外冰齡也和海冰鹽度有關(guān)。由于海冰凍結(jié)過程中的鹵水析出，一般來說，海水鹽度都略高于海冰的鹽度，海水鹽度越高，其中凍結(jié)的海冰的鹽度越高。而凍結(jié)速度越快，鹵水析出越少，海冰鹽度也越大。在冰層中的底部冰層由于凍結(jié)速度緩慢，其鹽度就低于頂部冰層，在垂直方向上，一般頂部鹽度高于底部冰層鹽度。另外，剛形成的新冰鹽度4來說，海冰的鹽度多數(shù)在37‰之間。也可能高達(dá)23‰。海冰的密度是指每立方米或立方厘米海冰中所含海冰的克數(shù)，通常用kg/m3或g/cm3表示。冰密度總是小于1000kg/m3。溫度為0℃時(shí)，淡水冰密度為多年冰密度在820kg/m3至857kg/m3之間。1.1.4海冰孔隙率海冰的孔隙通常含有空氣或鹽水(鹵水)。在海水結(jié)冰時(shí)，鹽是由結(jié)冰水析老的海冰(或多年冰)則已失去了大部分的含鹽量，這是因?yàn)辂u水的重量使得它將給出一個(gè)相對(duì)來說要高的(平均)孔隙率，其可能高達(dá)0.5。在高孔隙率值下，5研究冰的力學(xué)性質(zhì)和冰荷載廣泛采用的方法是從冰的強(qiáng)度、冰與結(jié)構(gòu)物相互作用的形式入手。關(guān)于海冰強(qiáng)度，目前在定性分析上普遍認(rèn)為與冰的組構(gòu)(海冰冰相、晶體結(jié)構(gòu))、溫度、鹽度、密度有關(guān)，也與試樣的加載(應(yīng)變率或應(yīng)力率)有關(guān)。目前許多文獻(xiàn)均證明海冰是一種粘彈性天然復(fù)合材料，在不同的加載條件下，其性質(zhì)可表現(xiàn)為彈性、塑性、蠕變、疲勞及斷裂韌性等。為了研究海冰在三維情況下的破壞行為，單軸及多軸加載實(shí)驗(yàn)是必要的，一般用測(cè)限壓力實(shí)驗(yàn)代替進(jìn)行多軸加載實(shí)驗(yàn)；海冰拉伸強(qiáng)度也是研究海冰力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，主要由兩種測(cè)量方法，直接法和間接法，間接法中有彎曲實(shí)驗(yàn)法和劈裂法。1.3超聲波檢測(cè)基本理論1.3.1超聲波基本概念及特性超聲波作為一種特殊的聲波，和聲波一樣，是一種在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械波。超聲波按照質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向可分為橫波、縱波、表面波以及板波?？v波是指質(zhì)點(diǎn)的擺動(dòng)方向和聲波前進(jìn)一致的波，可以在固、液、氣三類介質(zhì)中傳導(dǎo)；橫波 (又稱為S波，切變波或剪切波)是指質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直的波，這只能在固體介質(zhì)中傳播；表面波(R波或瑞利波)是指在在固體和氣體交界面，沿著固體界面表面?zhèn)鞑サ牟?。按照振?dòng)的持續(xù)時(shí)間可以將超聲波分為連續(xù)波和脈沖波，按照波陣面又可以將超聲波分為平民波、柱面波和球面波。1.3.2超聲波的產(chǎn)生與接收原理6超聲波可以通過機(jī)械法、熱效應(yīng)法、磁伸縮法和電磁法等多種方法產(chǎn)生，較為常見的是壓電感應(yīng)法。超聲波的產(chǎn)生和接收利用晶體材料的壓電效應(yīng)，圖(2-2)為壓電效應(yīng)示意圖。超聲波探頭中的壓電晶體實(shí)現(xiàn)聲能(機(jī)械能)與電能的變換。激勵(lì)超聲波時(shí)，電脈沖加載在電晶片上，逆壓電效應(yīng)將電脈沖變換為機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出超聲橫波；反之，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，聲音被變?yōu)殡?，被超聲探頭接受。因此超聲波探頭也被稱為換能器。轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電形變電電流轉(zhuǎn)換多數(shù)超聲波探頭為圓柱狀，電晶片為圓形，為一個(gè)圓盤聲源，產(chǎn)生的超聲波束類似于手電筒的光束，在聲束的軸線上，其聲壓如圖(2-3)所示中心線上分為近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，近場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度為N,近場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在數(shù)個(gè)聲壓極大極小值，一般在使用中會(huì)避讓近場(chǎng)區(qū)或使近場(chǎng)區(qū)盡可能的小。聲束和光束一樣，如圖(2-4)所示，有一定角度的輻射，被稱為波束指向性。聲束指向角越小，聲束的指向性越好。7壓電晶片圖2-4聲束1.3.3超聲波無損檢測(cè)的原理與應(yīng)用超聲波探傷儀起源于上個(gè)世紀(jì)五十年代，廣泛應(yīng)用于鋼鐵制造、船舶和機(jī)械加工、鋼軌探傷等各個(gè)領(lǐng)域。之后技術(shù)迅速發(fā)展，超聲波探傷儀也獲得了多方面的進(jìn)步，在數(shù)字化和自動(dòng)化上取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。其中最經(jīng)典的產(chǎn)品是脈沖反射式超聲波探傷儀，其主要是由幾個(gè)主要部分組成，其中同步單元、發(fā)射單元、掃描接收單元和顯示單元是探傷儀的核心，超聲波探頭激發(fā)超聲波。圖(2-5)為脈沖反射式超聲波探傷儀及其電路方框圖。電源電源同步單元及激勵(lì)電路是脈沖反射式探傷儀的核心，主要工能為當(dāng)發(fā)射電路每秒觸發(fā)產(chǎn)生多個(gè)脈沖時(shí)，同步電路觸發(fā)探傷儀的掃描電路和發(fā)射電路進(jìn)行工作，使這些單元同時(shí)被觸發(fā)，并保持同步工作。發(fā)射電路的主要功能是產(chǎn)生不同電壓、不同頻率、不同個(gè)數(shù)的電脈沖，其主要工作原理為當(dāng)閘流管或晶閘管在其開關(guān)特性下產(chǎn)生不同類型的電脈沖。這些脈沖經(jīng)過傳遞，作用于超聲波換能器，超聲波換能器上的壓電晶片在壓電效應(yīng)的影響下產(chǎn)生振動(dòng)，激發(fā)超聲波。顯示電路主要由示波管及外圍電路組成。示波管與其在示波器中工作原理和功能是相同的，主要是用來顯示探傷后接收到的回波信號(hào)波形。81.4冰中超聲波傳播聲速及衰減1.4.1超聲冰穿過冰層的聲速測(cè)量對(duì)超聲波的波速的測(cè)量有很多方法，其中實(shí)驗(yàn)室常用的有干涉法Ii、雙蹤示波法iv、共振干涉法V、相位法vil等等，還有通過直接測(cè)量超聲波的渡越時(shí)間的時(shí)差法，以及利用不同介質(zhì)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量的相對(duì)時(shí)差法viil和回波法[vii,常見于用于溶液中聲速測(cè)量的超聲光柵法×等，本課題采用回波法方法進(jìn)行了穿過冰層的超聲波的測(cè)量?；夭ǚy(cè)量原理如下：對(duì)冰樣進(jìn)行取樣，將上下表面打磨光滑后測(cè)量冰樣厚度，在回波法中，此厚度為超聲波往返兩次的穿越距離，記為L(zhǎng)。進(jìn)行超聲波穿透海冰的測(cè)試，得到超聲波信號(hào)的一次回波和二次回波。通過計(jì)算一次回波和二次回波的時(shí)間差，可以得到超聲波穿透海冰后到達(dá)底面后返回的渡越時(shí)間T。0T9通過式(2-1)可以計(jì)算出超聲波速度V。穿過厚度為L(zhǎng)的冰層后(或傳播距離為L(zhǎng)),其聲強(qiáng)變?yōu)镮,兩者的關(guān)系見式(2-2):I=I?e?2BL成表述困難，所以規(guī)定了一種通過取對(duì)數(shù)以使衰減的表示方法更加直觀的方法。即對(duì)兩個(gè)聲波的聲強(qiáng)之比取對(duì)數(shù)，再除以10(或?qū)蓚€(gè)再除以20),得到超聲波在冰中的衰減分貝數(shù)，單位為分貝(dB)。為方便的衡量單位距離下，不同傳播路徑的衰減，提出衰減系數(shù)β,其大小等于單位距離上如式2-3所示：其測(cè)量過程如圖(2-6)所示。頻率/MHz頻率/MHz通過式(2-3),可計(jì)算出超聲波在海冰中的衰減。[i]MichelB.Icemechanics[M].LesPresses[ii]HansenHJ.Experimentaldetermination[iii]李志杰，趙騫.超聲波聲速測(cè)量方法的探討[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012,25(4):26-28.[iv]魏國(guó)瑞