CN104807512B - 一种超声测量海底渗漏气流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声测量海底渗漏气流量的方法，解决海底渗漏气流量的直接测量问题。通过水体中渗漏气体的流量变化引起超声波某个或者某些具体传播特征参数的变化，从而建立起与渗漏气体流量变化之间的关系，从而测得渗漏气体的流量。本发明所述的方法具体采用了1MHz的特定频率，将超声波透射测量和反射测量结合，测量截面含气率和流速直接得到渗漏气体的流量。基于超声多普勒效应测量气泡流速在一定的气泡直径范围内不受气泡大小影响，只与气泡流速有关，能够消除其他方法无法直接测量流速存在的误差；同时基于声波传播获得透射强度获得截面含气率，可消除其他方法如回波强度检法和多波速扫描声纳法无法穿透声波获得准确的截面气泡含气率。
Description
技术领域
本发明涉及海底渗漏气体探测领域，本发明具体涉及一种超声测量海底渗漏气流量的方法。
背景技术
海底气体(包括冷泉和热泉中的气体)渗漏是海洋环境中广泛分布的自然现象，渗漏数量巨大。海底渗漏气部分溶解到海水中，大部分渗漏到大气中。其中海底渗漏天然气的成分主要为甲烷，甲烷是重要的温室气体之一，直接影响全球气候变化；部分渗漏天然气在海底环境中生存成天然气水合物，储存在水合物中的天然气有可能成为未来能源；海底渗漏气流量突然变化往往揭示了海底地质状态的巨大改变。因此非常有必要对海底渗漏气进行观测，监测海底天然气的渗漏量，从而为环保、能源和灾害预报服务。
目前测量海底渗漏气渗漏量的超声探测方法有：回波强度检法，多波速扫描声纳法，透射声波波形-幅度法。这些方法特点在于：回波强度检测法通过回波强度检测气泡流量，不适合与气泡流动分散的场合，尤其是开放状态下柱状流的流速和流量变化较大的场合，测量的准确性难以保证；多波速扫面声纳法能够测量渗漏气的空间分布和随时间的变化，但是无法准确测定气泡的流动速度，从而难以定量测量渗漏气的流量；透射声波波形-幅度法能够有效测量得出气泡截面积的变化，但是运用相关分析技术测量气泡流速仍未实现。以上方法不足之处在于无法直接实现测定渗漏气的流速，从而无法准确测量渗漏气的流量。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超声测量海底渗漏气流量的方法，通过测量渗漏气流动状态下的声波透射强度和超声多普勒频移，获得渗漏气泡流动截面积含气率和气泡流动流速，结合两者综合计算得出气泡流量，解决现有技术中无法直接测量各种状态下的气泡流量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种超声测量海底渗漏气流量的方法，包括以下步骤：
A、由渗漏气聚集装置聚集气泡上升流动；
B、控制超声发射换能器向含有渗漏气的水体发射超声波，由测强度超声接收换能器接收透射该含有渗漏气水体的透射声波，同时由测速超声接收换能器接收由渗漏气体的流动对声波传播产生二次多普勒效应所产生的反射声波；
C、声波仪将接收换能器接收到的透射声波和反射声波的波形数据存储于计算机内，由计算机程序对声波波形数据进行频谱分析获取透射声波主频幅度和反射声波主频，通过透射声波主频幅度变化计算声波强度，通过反射声波主频变化计算声波频移；
D、将步骤C获得的声波强度结合截面含气率公式计算获得截面含气率；
E、基于步骤C获得的声波频移计算流速；
F、将步骤C获得的声波频移结合步骤E获取的流速和步骤D获取的截面含气率计算渗漏气流量。
优选的，步骤B的超声波发射换能器发生的超声波频率为1MHz。
优选的，步骤B的超声发射换能器向含有渗漏气的水体发射超声波的控制是通过计算机控制声波仪触发声波发射电路来实现。
优选的，步骤C的透射超声波和反射超声波同步同时由各自的接收换能器进行接收，并通过声波仪转换存储进入计算机。
优选的，步骤A当渗漏气聚集装置聚集的气泡均分布于其通道内上升流动时再进入下一步骤。
优选的，所述超声波发射接收换能器发射的超声波的波束与气泡流速方向形成的夹角为30°-60°。
优选的，所述超声波发射接收换能器发射的超声波的波束与气泡流速方向形成的夹角为45°。
优选的，所述测强度超声接收换能器相对安装于所述超声发射换能器的斜上方或斜下方，且所述测强度超声接收换能器与所述超声发射换能器的轴心在同一条直线上。
优选的，步骤C的透射超声波和反射超声波同步同时由各自的接收换能器进行接收，并通过声波仪转换存储进入计算机。
由于采用上述技术方案，本发明提出的超声测量海底渗漏气流量的方法具有以下优点：
1、通过非接触式的同步测量气泡流速和截面含气率，从而实时获得气泡的流量；
2、基于超声多普勒效应测量气泡流速在一定的气泡直径范围内不受气泡大小影响，而只与气泡流速有关，能够消除其他方法无法直接测量流速存在的较大误差；
3、基于声波传播获得透射强度获得截面含气率，可以消除其他方法如回波强度检法和多波速扫描声纳法无法穿透声波获得截面气泡含气率的准确信息；
4、超声波发射换能器发射的超声波的波束与气泡流速方向形成的夹角可以在30°至60°内调整，优选角度是45°，同时获得反射和透射综合最佳测量值。
5、测强度超声接收换能器与超声发射换能器的轴心在同一条直线上，保证超声波传播波束与渗漏气气泡流速呈稳定夹角，测量结果更准确。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的方法原理示意图。
其中：测量水体1、渗漏气发生源2、测速超声接收换能器3、超声发射换能器4、渗漏气聚集装置5、测强度超声接收换能器6、声波仪7、计算机8。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种超声测量海底渗漏气流量的方法，包括以下步骤：
A、由渗漏气聚集装置5聚集气泡上升流动；
B、控制超声反射换能器4向含有渗漏气的水体发射超声波，由测强度超声接收换能器6接收含有渗漏气水体的透射声波，同时由测速超声接收换能器3接收由渗漏气体的流动对声波传播产生二次多普勒效应所产生的反射声波；
C、声波仪7将接收换能器接收到的透射声波和反射声波的波形数据存储于计算机8内，由计算机8程序通过对透射声波波形数据进行频谱分析获取透射声波主频幅度和反射声波主频，通过透射声波主频幅度计算声波强度，通过反射声波主频计算声波频移；
D、将步骤C获得的声波强度结合截面含气率公式计算获得截面含气率；
E、基于步骤C获得的声波频移计算流速；
F、将步骤C获得的声波频移结合步骤E获取的流速和步骤D获取的截面含气率计算渗漏气流量。
如图1所示，渗漏气聚集装置5聚集一定流量的气泡上升流动，通过计算机8控制声波仪7触发声波发射电路，通过超声发射换能器4发射超声波，超声波穿透含渗漏气的水体，由测强度超声接收换能器6接收透射声波，接收声波波形数据进入计算机8存储，通过对透射声波波形数据进行频谱分析，获取透射声波主频幅度，计算声波强度，基于声波强度与截面含气率公式计算截面含气率；通过测速超声接收换能器3接收反射声波，接收声波波形数据进入计算机8存储，对反射声波波形数据进行频谱分析，获取反射声波主频，计算声波频移，基于声波频移计算流速；结合流速和截面含气率计算渗漏气流量。
本发明通过超声波穿过含渗漏气水体发生的衰减与水体含气量成正比关系，测量获得气泡截面积含气率；通过渗漏气体流动对声波传播产生的二次多普勒效应，获得超声波反射波，分析发射波与反射波的主频计算声波频移，建立气泡速度与超声多普勒频移关系，测量获得气泡流速；结合气泡截面含气率和气泡流速，计算得到气泡流量。
基于超声多普勒效应测量气泡流速在一定的气泡直径范围内不受气泡大小影响，而只与气泡流速有关，能够消除其他方法无法直接测量流速存在的较大误差。同时基于声波透射传播获得透射强度计算截面含气率，可以消除其他方法如回波强度检法和多波速扫描声纳法无法穿透声波获得截面气泡含气率的准确信息；通过非接触式的同步测量气泡流速和截面含气率，从而实时获得气泡的流量。
渗漏气的流量Qs是截面含气率Rs与渗漏气流速vs的函数，表示如下：
Qs＝Rs·vs
截面含气率直接影响到声波传播损失，可以用透射声压来建立两者关系，由于透射声波中存在多途反射声波和干扰噪声影响，本专利采用透射声波频谱幅度P(f0)建立与截面含气率的简化模型:
Rs＝k·P(f0)·sinθ
式中，k是一个比例系数,需要通过实验确定，P(f0)是透射声波经过富里叶变换后，得到的对应声波主频f0的频谱幅度，θ为发射超声波束与气泡流速方向矢量夹角。
渗漏气流速与声波在含渗漏气水体中的声波传播参数有关，表示如下：
式中，c0为超声波在水介质中传播速度，fd为与流速有关的多普勒频移量。
优选的，步骤B的超声波发射换能器4发生的超声波频率为1MHz。为了准确测量，采用渗漏气聚集装置将气泡破碎均匀形成气泡直径在3-5mm。在采用多普勒频移效应测量气泡渗漏气流速时，为了尽可能获得反射波而非散射波，根据反射定律，计算中心频率为1MHz时，对应在水介质传播的波长为1.5mm，不大于气泡直径的1/2，可以获得损失较小的反射波，提高测量信噪比，使测量的数据更准确。
优选的，步骤B的超声发射换能器4向含有渗漏气的水体发射超声波的控制是通过计算机8控制声波仪7触发声波发射电路来实现。步骤B的透射声波和反射声波分别通过测强度超声接收换能器和测速超声接收换能器接收，由声波仪转换电路转换成波形数据输入计算机。
优选的，步骤A当渗漏气聚集装置5聚集的气泡均分布于其通道内上升流动时再进入下一步骤。当渗漏气聚集装置聚集一定流量的气泡上升流动后，通过计算机8控制声波仪7触发声波发射电路，使超声发射换能器4向稳定的含有渗漏气的水体发射超声波，确保数据获取的准确性。
优选的，所述超声波发射换能器4发射的超声波的波束与气泡流速方向形成的夹角可以在30°至60°内调整，优选角度是45°，同时获得反射和透射综合最佳测量值。
优选的，所述测强度超声接收换能器6相对安装于所述超声发射换能器4的斜上方或斜下方，且所述测强度超声接收换能器6与所述超声发射换能器4的轴心在同一条直线上。如图1所示，测强度超声换能器6位于超声发射换能器4的斜上方，且与所述超声发射换能器4的轴心在同一条直线上，保证超声波传播波束与渗漏气气泡流速呈稳定的夹角，避免误差的出现，确保获得数值的准确性。
优选的，步骤C的透射超声波和反射超声波同步同时由各自的接收换能器进行接收，并通过声波仪7转换存储进入计算机8。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、由渗漏气聚集装置聚集气泡上升流动；
B、控制超声反射换能器向含有渗漏气的水体发射超声波，由测强度超声接收换能器接收含有渗漏气水体的透射声波，同时由测速超声接收换能器接收由渗漏气体的流动对声波传播产生二次多普勒效应所产生的反射声波；
C、声波仪将接收换能器接收到的透射声波和反射声波的波形数据存储于计算机内，由计算机程序对声波波形数据进行频谱分析获取透射声波主频幅度和反射声波主频，通过透射声波主频幅度变化计算声波强度，通过反射声波主频变化计算声波频移；
D、将步骤C获得的声波强度结合截面含气率公式计算获得截面含气率；
E、基于步骤C获得的声波频移计算流速；
F、将步骤C获得的声波频移结合步骤E获取的流速和步骤D获取的截面含气率计算渗漏气流量；
其中，采用透射声波频谱幅度P(f0)建立与截面含气率的简化模型，
Rs＝k·P(f0)·sinθ
式中，k为比例系数，P(f0)是透射声波经过富里叶变换后，得到的对应声波主频f0的频谱幅度，θ为发射超声波束与气泡流速方向矢量夹角，截面含气率Rs；
渗漏气流速与声波在含渗漏气水体中的声波传播参数有关，表示如下：
<mrow>
<msub>
<mi>v</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>c</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>f</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>f</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mi>c</mi>
<mi>o</mi>
<mi>s</mi>
<mi>&theta;</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，c0为超声波在水介质中传播速度，fd为与流速有关的多普勒频移量，vs为渗漏气流速；
所述测强度超声接收换能器相对安装于所述超声发射换能器的斜上方或斜下方，所述测强度超声接收换能器与所述超声发射换能器的轴心在同一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：步骤B的超声波发射换能器发生的超声波频率为1MHz。
3.根据权利要求1所述的一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：步骤B的超声发射换能器向含有渗漏气的水体发射超声波的控制是通过计算机控制声波仪触发声波发射电路来实现。
4.根据权利要求1所述的一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：步骤A当渗漏气聚集装置聚集的气泡均分布于其通道内上升流动时再进入下一步骤。
5.根据权利要求1所述的一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：所述超声波发射接收换能器发射的超声波的波束与气泡流速方向形成的夹角为30°-60°。
6.根据权利要求5所述的一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：所述超声波发射接收换能器发射的超声波的波束与气泡流速方向形成的夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的一种超声测量海底渗漏气流量的方法，其特征在于：步骤C的透射超声波和反射超声波同步同时由各自的接收换能器进行接收，并通过声波仪转换存储进入计算机。
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