超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的實(shí)驗(yàn)研究

劉潤(rùn)華，鄒大鵬，龍建軍，胡少興

（廣東工業(yè)大學(xué)　機(jī)電工程學(xué)院，廣東　廣州 510006）

超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的實(shí)驗(yàn)研究

劉潤(rùn)華，鄒大鵬*，龍建軍，胡少興

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

海底滲漏氣泡流速是測(cè)量海底冷泉滲漏氣體流量的主要參數(shù)。為了測(cè)量海底滲漏氣泡流速，利用超聲多普勒測(cè)量的原理和氣泡的二次多普勒效應(yīng)，提出海底滲漏氣泡速度的超聲多普勒測(cè)量方法。超聲多普勒測(cè)量根據(jù)超聲多普勒原理設(shè)計(jì)了氣泡流量測(cè)量裝置，通過多普勒頻移算出海底滲漏氣泡流速，同時(shí)用視頻法測(cè)出海底滲漏氣泡流速。從多普勒法和視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)t分布95%的置信水平誤差可知，視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)大于多普勒法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)，表明了超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的有效性和準(zhǔn)確性，優(yōu)于視頻法測(cè)量海底滲漏氣泡流速。

海底冷泉滲漏；多普勒；頻移；氣泡流速

海底冷泉滲漏是海洋環(huán)境中廣泛分布的自然現(xiàn)象［1］，部分滲漏到海洋水體以及大氣中，天然氣的成分主要為甲烷，甲烷是重要的溫室氣體之一，每年通過海底冷泉天然氣滲漏釋放到海洋水體及大氣中的甲烷的量是巨大的［2-3］；部分滲漏天然氣在適合的環(huán)境中將生成天然氣水合物，儲(chǔ)存在水合物中的天然氣有可能成為未來能源。人類有必要對(duì)海底冷泉進(jìn)行觀測(cè)，探測(cè)出海底冷泉天然氣的滲漏量。

目前測(cè)量海底冷泉天然氣的滲漏量應(yīng)用的方法有：容積收集法［4-6］，利用收集器直接收集海底冷泉天然氣滲漏的氣泡氣體的量，難以用于較深的水域和連續(xù)觀測(cè)；回波強(qiáng)度檢測(cè)氣泡流量法［7-8］，利用氣泡柱反射回波的強(qiáng)度間接檢測(cè)海洋中的氣泡的流量，回波信號(hào)強(qiáng)度主要取決于被測(cè)氣泡柱狀流界面的反射，回波沒有探測(cè)到氣泡柱狀流內(nèi)部信息；攝像裝置觀測(cè)滲漏氣泡法［9］，采用高分辨CCD獲取氣泡流動(dòng)圖像，采用圖像處理軟件計(jì)算氣泡的直徑，此方法分辨率高，需要光源耗電大，所以適宜短時(shí)觀測(cè)；遙測(cè)紅外成像法［10］，根據(jù)甲烷強(qiáng)烈吸收短波紅外線的特性，采用光譜數(shù)據(jù)評(píng)估釋放到海面的甲烷數(shù)量，該方法適用于大范圍的海底冷泉滲漏量定性估計(jì)，難以定量測(cè)量滲漏量。

本文基于測(cè)量前調(diào)整氣泡狀態(tài)并用透射聲波測(cè)量滲漏氣泡流量的方法［11-12］，在開展了超聲測(cè)截面含氣率和光學(xué)測(cè)氣泡流速的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用超聲多普勒測(cè)速法測(cè)量海底滲漏氣泡流速。

1　超聲多普勒測(cè)量原理和方法

1.1超聲多普勒測(cè)量的原理

多普勒超聲流量測(cè)量的原理是基于物理學(xué)中聲波的多普勒效應(yīng)，當(dāng)超聲波聲源和反射界面或散射體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，被反射或被散射的超聲波信號(hào)的頻率將產(chǎn)生變化，該頻率與聲源超聲波頻率之間的差值與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比。這一現(xiàn)象是物理學(xué)家Christian Johann Doppler于1842年首次發(fā)現(xiàn)的，被稱為多普勒效應(yīng)。接收信號(hào)的頻率與聲源的頻率之差稱為多普勒頻移，相應(yīng)的頻差信號(hào)稱為多普勒信號(hào)。當(dāng)氣液兩相中存在著可供反射或散射超聲波的運(yùn)動(dòng)粒子（例如氣泡、固體粒子等）時(shí)，便可利用多普勒信號(hào)確定運(yùn)動(dòng)粒子的速度。

1.2超聲測(cè)量的二次的多普勒效應(yīng)

如圖1所示，發(fā)射超聲波流量傳感器透穿過氣泡流動(dòng)的通道是一個(gè)矩形通道，是由網(wǎng)狀材料組成，目的是超聲波透射而不改變?cè)瓉淼穆窂胶瓦\(yùn)動(dòng)氣泡能固定在矩形測(cè)量通道內(nèi)，使作用在運(yùn)動(dòng)氣泡的超聲波能返回接收超聲波流量傳感器。

圖1　反射式二次多普勒?qǐng)D解

二次的多普勒效應(yīng)［13］（如圖1）是指：

（1）若聲源靜止、接收點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，則接收點(diǎn)收到一個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)間（周期）變化，因而產(chǎn)生多普勒頻移。運(yùn)動(dòng)著的氣泡首先作為接收體即產(chǎn)生了第一次多普勒效應(yīng)；

（2）若聲源運(yùn)動(dòng)、接收點(diǎn)靜止，則由于聲源運(yùn)動(dòng)使波在傳播過程中發(fā)生波長(zhǎng)變化，因而產(chǎn)生多普勒頻移。由于聲波散射（反射），氣泡再作為運(yùn)動(dòng)的聲源產(chǎn)生了第二次多普勒效應(yīng)。

1.3超聲測(cè)量的方法

接收信號(hào)的頻率f與聲源的頻率f0之差稱為多普勒頻移fd，即fd=f-f0。可以寫成式（1）［14］：

式中：c為超聲波高頻在水氣介質(zhì)中傳播速度，可以看成是水介質(zhì)的聲速，隨著頻率增高，水氣介質(zhì)的聲速接近于無(wú)氣泡時(shí)的狀態(tài)［15］；v為氣泡流速；θ1為發(fā)射超聲波束與氣泡流速方向矢量夾角；θ2為接收超聲波束與氣泡流速方向矢量夾角（其中發(fā)收超聲波束是無(wú)方向性）。

當(dāng)θ1與θ2大致相等，由式（1）可得：

由（2）式可知，氣泡速度v與多普勒頻移fd成正比。測(cè)出多普勒頻移fd就可以算出氣泡速度v。頻移可以通過短時(shí)FFT計(jì)算，頻譜分析可以得出超聲換能器接收到頻率成分。

2　超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波發(fā)射和散射定律［16］：當(dāng)障礙物直徑大于超聲波波長(zhǎng)的1/2時(shí)，在障礙物表面主要發(fā)生反射；當(dāng)障礙物直徑小于超聲波波長(zhǎng)的1/2時(shí)，在障礙物表面主要發(fā)生散射。反射的回波比散射的回波功率強(qiáng)。因此，超聲多普勒需要設(shè)計(jì)成反射式的方式。氣泡破碎均勻后的氣泡直徑在3～5 mm，選用中心頻率為973 kHz的超聲換能器，超聲波在水介質(zhì)傳播的波長(zhǎng)為1.5 mm，符合超聲波發(fā)射和散射定律的反射條件。

海底滲漏氣泡流速的超聲多普勒測(cè)量裝置（圖2）由4個(gè)部分組成：模擬海底冷泉滲漏氣泡形成部分、氣泡收集預(yù)處理部分、聲波測(cè)量部分和視頻驗(yàn)證部分。

模擬海底冷泉滲漏氣泡形成部分，空壓機(jī)（氣源）產(chǎn)生壓縮空氣進(jìn)入水池中壓縮氣體的流量，壓縮氣體在水中形成氣泡，模擬海底冷泉滲漏氣泡產(chǎn)生過程。

氣泡收集預(yù)處理部分，氣泡收集預(yù)處理裝置收集產(chǎn)生的氣泡，預(yù)先破碎調(diào)整氣泡的流動(dòng)狀態(tài)，使其大小基本一致，在水中的分布趨于均勻。

圖2　超聲多普勒測(cè)量裝置示意圖

聲波測(cè)量部分，聲波測(cè)量部分由奧迪威超聲波流量傳感器（AW5Y0980K03L142Z）、TH204B聲波儀、電子電路、PC機(jī)組成。通過TH204B聲波儀單次采集激發(fā)電子電路產(chǎn)生有限個(gè)正弦波作用于奧迪威超聲波流量傳感器，為TH204B聲波儀同步采集接收換能器的數(shù)據(jù)。

視頻驗(yàn)證部分主要由工業(yè)攝像機(jī)、視頻采集卡與PC機(jī)組成，用來觀察驗(yàn)證氣泡預(yù)處理的效果以及計(jì)算氣泡流速來檢測(cè)多普勒頻移法測(cè)出的海底滲漏氣泡流速的準(zhǔn)確性。

3　超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用有限個(gè)（20 000個(gè)）正弦波發(fā)射頻率取值為奧迪威超聲波流量傳感器的諧振頻率973 kHz作為發(fā)射，同步采樣的間隔為0.5 μs（采樣頻率為2 MHz），采樣長(zhǎng)度32k字節(jié)，θ1取值為60°，水中聲速常溫時(shí)1 500 m/s。實(shí)驗(yàn)在無(wú)氣泡和有氣泡不同流量的情況下進(jìn)行對(duì)比。

3.1無(wú)氣泡時(shí)的實(shí)驗(yàn)

因有直達(dá)波（聲電泄漏）的存在，實(shí)際上接收換能器也會(huì)有信號(hào)進(jìn)來，時(shí)域波形如圖3，而此時(shí)的信號(hào)就是發(fā)射基頻。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過短時(shí)FFT多次測(cè)量讀數(shù)可以得到頻率為f0=972.716 4 kHz（圖4）。

圖3　直達(dá)波的幅值曲線

圖4　無(wú)氣泡時(shí)接收數(shù)據(jù)的頻譜圖

3.2有氣泡時(shí)的實(shí)驗(yàn)

在有氣泡時(shí)對(duì)采集到接收超聲流量換能器的數(shù)據(jù)（圖5）進(jìn)行短時(shí)FFT的運(yùn)算可得有氣泡時(shí)的頻譜圖（圖6）。有兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的頻率是基頻和經(jīng)過氣泡反射回來的頻率。

圖5　有氣泡時(shí)的幅值曲線

圖6　有氣泡時(shí)接收數(shù)據(jù)的頻譜圖

通過有無(wú)氣泡對(duì)比實(shí)驗(yàn)（如圖4和圖6）對(duì)比驗(yàn)證了超聲多普勒頻移的存在，多普勒頻移值fd就是圖6兩峰對(duì)應(yīng)頻率差值。

3.3不同氣流量下的頻移值及海底滲漏氣泡速度

為了算出具體的多普勒頻移值，本實(shí)驗(yàn)在不同氣體流量情況下，如在20 sccm，40 sccm，60 sccm，80 sccm，100 sccm，120 sccm，140 sccm，160 sccm，180 sccm，200 sccm（其中sccm為mL/min）時(shí)，進(jìn)行5次測(cè)量求出多普勒頻移的平均值，根據(jù)（2）式求得海底滲漏氣泡的平均速度。在不同流量下具體對(duì)應(yīng)的多普勒頻移值和氣泡速度值如表1所示。

表1　不同流量下海底滲漏氣泡的速度

測(cè)得每隔20 sccm流量下具體對(duì)應(yīng)的多普勒頻移值、多普勒法海底滲漏氣泡速度值數(shù)，繪制出氣流量-多普勒頻移圖及擬合曲線，如圖7所示。

圖7　氣體流量—多普勒頻移圖

對(duì)比多普勒法氣泡速度數(shù)據(jù)和視頻法的海底滲漏氣泡速度數(shù)據(jù)，兩種方法的測(cè)量結(jié)果接近，趨勢(shì)相同，不過視頻法在大流量下因?yàn)槲闪鞯囊蛩兀鹚俣扔?jì)算減小。兩種方法的海底滲漏氣泡速度數(shù)據(jù)t分布95%的置信水平誤差如圖8。

圖8　氣體流量—?dú)馀菟俣萾分布95%的置信水平誤差棒圖

4　結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡多普勒頻移在0.30～0.55 kHz之間，氣泡平均速度0.28～0.47 m/s左右，與胡柳等［12］文中用視頻法測(cè)量氣泡流速結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)用視頻法的結(jié)果和多普勒法進(jìn)行了對(duì)比，多普勒法的數(shù)據(jù)和視頻法的數(shù)據(jù)t分布置信水平為95%的預(yù)測(cè)區(qū)間交叉重合度較大，從多普勒法和視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)t分布95%的置信水平誤差可知，視頻法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)大于多普勒法的氣泡速度數(shù)據(jù)的波動(dòng)，表明了超聲多普勒測(cè)量海底滲漏氣泡流速方法的精度更高。

基于多普勒頻移法測(cè)量海底滲漏氣泡速度和視頻法測(cè)量海底滲漏氣泡速度存在一些差異。原因有：（1）氣泡上升的不只是單純的垂直上升，而是在上升過程中存在著微小的左右擺動(dòng)［17］，以致超聲波聲束與氣泡流速方向夾角的難以準(zhǔn)確測(cè)量，只能以一個(gè)估算值代替此夾角；（2）多普勒法測(cè)的是海底滲漏氣泡的瞬時(shí)速度（即是垂直上升方向和水平方向的合成速度）；視頻法測(cè)出的數(shù)據(jù)是投影速度（即垂直上升的速度），忽略了水平方向的運(yùn)動(dòng)；（3）短時(shí)FFT頻率分辨率有待提高，頻率分辨率（Δf=fs/N，其中fs為采樣頻率，N為數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)）為0.061 kHz，對(duì)應(yīng)海底滲漏氣泡速度分辨率為0.054 m/s。

以上研究表明，多普勒頻移法測(cè)量海底滲漏氣泡速度優(yōu)于視頻法測(cè)量海底滲漏氣泡流速，可以為測(cè)量海底冷泉滲漏流量提供一種新的方法。

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Experimental Study on Ultrasonic Doppler Measurement of the Velocity of Seafloor Leakage Bubbles

LIU Run-hua，ZOU Da-peng，LONG Jian-jun，HU Shao-xing
School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，Guangdong Province，China

The velocity of seafloor leakage bubbles is an important parameter to measure the gas flow from seafloor cold spring leakage.In order to measure the velocity of seafloor leakage bubbles，an ultrasonic Doppler measurement method is proposed in this paper using the principle of ultrasonic Doppler measurement and secondary Doppler effect.In accordance with the principles of ultrasonic Doppler measurement，a device is designed for measuring bubble flow，so as to calculate the velocity of seafloor leakage bubbles through Doppler frequency shift.Meanwhile，the velocity of leakage bubbles is also measured by the video method.From the confidence level error of 95%t distribution of bubble velocity data form the Doppler and video methods，it can be concluded that the fluctuation of bubble velocity data from the video method is larger than that from the Doppler method，proving the effectiveness and accuracy of ultrasonic Doppler measurement of the velocity of seafloor leakage bubbles，which is better than the method of video measuring.

seafloor cold spring leakage；Doppler；frequency shift；bubble velocity

O429

A

1003-2029（2016）02-0046-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.02.008

2015-03-10

三亞深海科學(xué)與工程研究所知識(shí)創(chuàng)新工程領(lǐng)域前沿項(xiàng)目資助（SIDSSE-201208）；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014A040402008）

劉潤(rùn)華（1987-），男，碩士研究生，主要從事海洋聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail:294863052@qq.com

鄒大鵬（1977-），男，副教授，主要從事工程裝備和聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)研究。E-mail:anthonyzou@126.com