气泡的声学特性分析报告
声波气泡共振实验报告
摘要：本实验旨在探究声波与气泡共振现象，通过观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，分析共振频率对气泡振动的影响，并验证声波能量传递的原理。
实验结果表明，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
一、实验目的：1. 研究声波与气泡共振现象，分析共振频率对气泡振动的影响。
2. 验证声波能量传递的原理，探究声波与气泡相互作用的关系。
3. 掌握实验仪器操作，提高实验技能。
二、实验原理：共振现象是指当外力频率与系统的固有频率相匹配时，系统振动幅度显著增大的现象。
在声波与气泡相互作用的过程中，当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，声波能量在气泡中有效传递。
三、实验仪器与材料：1. 气泡发生器2. 超声波发生器3. 频率计4. 激光测距仪5. 气泡计数器6. 水箱7. 水泵8. 计算机及数据采集软件四、实验步骤：1. 将气泡发生器连接到超声波发生器，调节超声波发生器输出频率。
2. 将水箱置于气泡发生器上方，开启水泵，使水箱内水位保持稳定。
3. 在水箱内加入一定数量的气泡，并使用气泡计数器记录气泡数量。
4. 使用激光测距仪测量气泡距离水面高度，记录数据。
5. 调节超声波发生器输出频率，分别进行不同频率的声波作用实验。
6. 观察气泡在不同频率声波作用下的振动情况，记录气泡振动幅度。
7. 使用计算机及数据采集软件处理实验数据，分析共振频率对气泡振动的影响。
五、实验结果与分析：1. 在实验过程中，观察到气泡在不同频率声波作用下的振动情况。
当声波频率与气泡固有频率相匹配时，气泡振动幅度达到最大，验证了共振现象的存在。
2. 通过实验数据分析，发现共振频率与气泡固有频率存在一定的关系。
当声波频率逐渐接近气泡固有频率时，气泡振动幅度逐渐增大；当声波频率等于气泡固有频率时，气泡振动幅度达到最大；当声波频率继续增大时，气泡振动幅度逐渐减小。
3. 实验结果还表明，声波能量在气泡中有效传递。
气泡音研究报告
气泡音研究报告引言气泡音作为一种常见的自然现象，广泛存在于日常生活中的各个方面，如水中的气泡、沸腾的水、汽车排气管中的气泡音等。
在科学研究和工程应用中，了解气泡音的产生原理和特性对于改进设备设计、优化工艺流程以及保障系统的正常运行具有重要意义。
本文将对气泡音的产生、传播、衰减等方面进行研究和分析。
产生机理气泡音的产生是由气泡在液体中产生、生长和破裂的过程引起的。
当液体中存在气体时，由于环境的改变或气体的释放，气泡在液体中产生。
气泡的生长过程是气体不断进入气泡内部，使其体积变大。
当气泡的体积超过液体中的承载能力时，气泡破裂，产生气泡音。
气泡的生长速率与多种因素相关，如气体溶解度、液体温度、液体粘度等。
当液体中气体溶解度低、温度高、粘度小时，气泡的生长速率较快，产生的气泡音较大。
传播特性气泡音的传播特性与气泡破裂时产生的声波有关。
当气泡破裂时，液体中的能量以声波的形式传播出去，形成气泡音。
气泡音的传播距离与声波的频率、液体的性质和环境条件有关。
通常情况下，高频声波的传播距离较短，而低频声波的传播距离较远。
液体的性质对气泡音的传播也有一定影响，高粘度的液体能够吸收更多的声波能量，使气泡音传播距离减小。
影响因素气泡音的大小和持续时间受多种因素的影响。
主要的影响因素包括气泡的体积、液体的性质、气体的性质、环境的压力等。
气泡的体积是影响气泡音大小的重要因素。
体积较大的气泡在破裂时产生的声波能量较大，因此气泡音较大。
液体的性质也对气泡音有影响，高粘度的液体能够减弱气泡破裂时的声波传播，使气泡音减小。
气体的性质和环境的压力也会影响气泡音的大小和频率。
应用领域气泡音的研究在多个领域具有实际应用价值。
以下是几个主要领域的应用案例：工业生产在工业生产中，气泡音的研究可以帮助优化流程和提高效率。
通过分析气泡音的产生和传播机理，设计合适的装置和控制系统，可以减少气泡噪音对生产环境和设备的影响，提高生产效率和产品质量。
医学领域在医学领域，气泡音的研究对于改善超声诊断技术、提高手术治疗效果具有重要意义。
液体内含气泡时的传声特性研究
液体内含气泡时的传声特性研究姚文苇【摘要】利用球贝塞尔函数及汉克儿函数,气液交界处的质点振动速度和应力的连续条件,研究了声波在气-液两相介质内的传播特性.基于波数与区域半径乘积小于1的条件下,求解了两相介质内声传播的参数,即等效弹性系数、等效密度、声速及衰减系数;并得到声速及衰减系数随气泡体积比的变化曲线.结果表明,气泡的存在使声速下降,衰减系数增大,气泡的半径大小对其有一定的影响;声波频率偏低时,气泡对声速影响较明显;频率较高时,声波的能量损失较大.所得的结论与文献中的结果的相似,其结果将为含气泡液体内声传播的应用提供重要的理论依据.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)028【总页数】4页(P188-190,219)【关键词】等效波数;等效密度;声特性;气泡【作者】姚文苇【作者单位】陕西学前师范学院,西安710100【正文语种】中文【中图分类】TB525液体中附着在固体杂质、微尘或容器表面上及细缝中的气泡，或在液体中由于涡流或声波等物理作用，在液体和液-固界面形成微小泡核［1—3］。
液体中的气泡会改变声波在液体内传播时的压力分布，从而使其声学特性参数(如弹性系数和密度)有所变化。
国际上很多学者研究利用声衰减和声色散的性质对海洋远距离气象实时监控及预测;生物医学领域利用它对血流及生物组织超声成像。
高永慧等［3］、赵晓亮［4］分别研究了两相介质中声波透射、声波传播的特性参数及在高黏度介质(如硅树脂和糖浆)中声波的传播性质。
通常两相介质声波的传播易受气泡的位置状况和大小分布的影响，同时声源的位置及形状及容器的参数等因素也会产生一定的效应［5］，从而使得声波的传播呈现非线性特征，给定量研究增大了难度。
最近，王成会等［6］利用气泡液体内的振动方程，结合声波空化效应，研究了两相介质内的传播;王勇等［7］对声波动方程进行线性化处理，在满足的基础上，探讨气泡的含量和大小、声波的频率对介质内传声特性的影响;姚文苇［8］基于声压的贝塞尔函数研究了气泡对液体中声波传播速度的影响，李灿苹等［9］探讨了气泡对海水中声波传播速度的影响。
气泡的小实验报告
一、实验目的1. 了解气泡的形成原理；2. 探究不同条件下气泡的特性；3. 通过实验验证气泡在生活中的应用。
二、实验原理气泡是气体在液体中形成的一种微小封闭空间。
当液体中的气体分子聚集到一定浓度时，便会在液体表面形成气泡。
气泡的形成与液体的表面张力、温度、压力等因素有关。
三、实验材料1. 水杯；2. 洗洁精；3. 吹管；4. 温度计；5. 压力计；6. 橡皮膜；7. 橡皮圈；8. 纸巾。
四、实验步骤1. 将水倒入水杯中，加入少量洗洁精，搅拌均匀；2. 将吹管插入水杯中，轻轻吹气，观察气泡的形成过程；3. 记录气泡的数量、大小和上升速度；4. 改变水温，重复步骤2和3，观察气泡的变化；5. 改变水杯中的压力，重复步骤2和3，观察气泡的变化；6. 将橡皮膜套在吹管上，将橡皮圈套在橡皮膜上，重复步骤2和3，观察气泡的变化；7. 将纸巾覆盖在水杯上，用吹管轻轻吹气，观察气泡的变化。
五、实验现象1. 气泡在水杯中形成，数量、大小和上升速度与实验条件有关；2. 当水温升高时，气泡的数量、大小和上升速度增加；3. 当水杯中的压力降低时，气泡的数量、大小和上升速度增加；4. 橡皮膜和橡皮圈可以改变气泡的形状和大小；5. 纸巾覆盖在水杯上时，气泡不易形成。
六、实验结论1. 气泡的形成与液体的表面张力、温度、压力等因素有关；2. 气泡在生活中的应用广泛，如泡沫灭火器、气泡膜等；3. 通过改变实验条件，可以控制气泡的数量、大小和上升速度。
七、实验拓展1. 探究不同液体（如酒精、盐水等）的表面张力对气泡形成的影响；2. 研究不同气体（如氧气、氮气等）在水中的溶解度对气泡形成的影响；3. 设计实验验证气泡在食品加工、化工生产等领域的应用。
八、实验注意事项1. 实验过程中注意安全，避免烫伤；2. 实验操作要轻柔，以免破坏气泡；3. 实验数据要准确记录，以便分析。
通过本次实验，我们了解了气泡的形成原理，探究了不同条件下气泡的特性，并验证了气泡在生活中的应用。
淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究——以乐昌峡水库为例
第４２卷第４期２０２１年㊀７月水生态学杂志J o u r n a l o fH y d r o e c o l o g yV o l ．４２,N o ．４J u l ．㊀２０２１D O I :１０．１５９２８/j．１６７４３０７５．２０１９０６１２０１５４㊀㊀收稿日期:２０１９０６１２㊀㊀修回日期:２０２１０２２５基金项目:广州市科技计划项目(２０１７０７０１０４４８);广东省渔港建设和渔业产业发展专项;中国水产科学研究院珠江水产研究所自主科技创新项目(E C ２０１９６).作者简介:武智,１９８８年生,男,助理研究员,主要从事渔业资源及渔业声学研究.E Ｇm a i l :w z ＠p r f r i ．a c ．c n通信作者:谭细畅.E Ｇm a i l :ji m t x c ＠h o t m a i l ．c o m 淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究以乐昌峡水库为例武㊀智１,李新辉１,谭细畅２,李㊀捷１,朱书礼１,张迎秋１(１．中国水产科学研究院珠江水产研究所,广东广州㊀５１０３８０;２．珠江水资源保护科学研究所,广东广州㊀５１０６１１)摘要:淡水湖泊和水库底部沉积物产生的甲烷(C H ４)常以气泡方式从水中逸出,由于气泡目标强度(t a r ge t s t r e n g t h ,T S )分布范围与鱼类目标强度高度重合,导致信号误判而影响数据处理.２０１７年７月,使用分裂波束渔探仪S i m r a dE Y ６０(１２０k H z ,２００W )在北江水系乐昌峡水库进行声学探测,研究不同航速下的信号类别,为水下气体跟踪㊁温室气体释放通量㊁水体底质演变及渔业资源评估提供参考依据.结果显示,气泡(多数)和鱼类(少数)为乐昌峡水库主要声学散射体,与鱼类信号的随机性相比,气泡具有一定的规律性,一直上升且水平位移较小,气泡与鱼类在相对游泳速度㊁垂直方向变化㊁目标轨迹的垂直变化等变量存在显著差异(P ＜０．０１).气泡在水中的平均上升速度为２３．９５c m /s ,９５％置信区间为２３．１７~２４．７４c m /s ;平均气泡目标强度为６０．０９d B ,分布范围为７３．８２~３３．２９d B ,半径范围０．２０~２１．６５mm ;气泡在上升过程中速度逐渐减慢,半径逐渐减小,与水深呈显著相关关系(r ＝０．９９,P ＜０．０１).船速＜３k m /h ,回波图能清晰分辨气泡和鱼体信号,可作为目标运动轨迹识别依据.关键词:乐昌峡水库;气体释放;声学信号;气泡特征中图分类号:X ８２７㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:１６７４３０７５(２０２１)０４００３２０８㊀㊀大气温室气体浓度增加及全球气候持续性变暖引发的一系列生态与环境问题已引起人们对温室气体 源/汇 的广泛关注.水生生态系统作为温室气体重要的源和汇,对大气环境中温室气体浓度变化具有重要影响(杨平和仝川,２０１５).温室气体释放过程具有高度的时空异质性,释放方式多样,且释放过程受到诸多因素影响,导致评估其释放的不确定性增大.自２０世纪以来,温室气体的高强度排放,导致每年大气中的甲烷(C H ４)浓度以１％的速率增长(S h e r w o o d ,１９８５).相较于河流,水库相对封闭的深水环境和静水特征,使得水体中的物质更容易汇集㊁沉积,生产与分解过程比较活跃(程炳红等,２０１２).有学者认为,在亚马逊流域,水电站库区排放的温室气体大于同等发电量的化石燃料碳排放量(F e a r n s i d e ,１９９５).当前,主要有气体收集器㊁视频/图片和超声探测技术３种方法测量气体排放.前两种方法可以在限定的区域内量化气体释放量,目前的研究主要集中于池塘㊁湖泊㊁水库等静水水体(王洪君等,２００６;Z h e n g e t a l ,２０１１;杨平等,２０１３);在水生沉积物中,由于气体排放过程中,其高度的时空异质性及宏观和微观的间断性,导致前两种方法无法在大水域内量化气体释放通量,而声学技术则以其快速㊁覆盖面积大等优势,允许对气泡的空间异质性进行无干扰评估(O s t r o v s k y ,２００３;O s t r o v s k ye t a l ,２００８).国外相关研究较多,主要用来评估气泡通量(O s t r o v s k y eta l ,２００８)㊁时空变化(O s t r o Ｇv s k y,２００３)及其固有特征(V e l o s oe t a l ,２０１５).如O s t r o v s k y (２００９)在有气泡渗透的区域进行鱼类资源评估时,发现在低船速下,可通过回波图上轨迹直观分辨鱼和气泡;W e i d n e r 等(２０１８)利用宽带技术对气泡通量进行评估,并与散射模型比较气泡半径和上升速度,发现两种方法结果一致.声学技术最初引入海洋渔业资源研究领域,由于其快捷㊁取样率高,且不损害生物资源等优点,在世界渔业发达国家迅速得到应用与推广.随着近年来生态系统监测及研究的需求,目前声学技术已成为观测和掌握渔业资源变动的重要手段,我国近海和内陆水域鱼类分布为多种类混栖型,因此信号判别一直为渔业声学研究的难点和重点.通过鱼类生态习性研究及对应声学回波的网具采样对比分析,在不同生境条件下较大规模的经济种类可以进行识别(谭细畅等,２００９a;２００９b),其他混栖种类仍无法鉴别.随着声学技术的进步及仪器设备性能的提高,宽带技术可通过对目标散射体频率响应进行信号判别,为解决多种类混栖的识别问题提供可能(J e c he t a l,２０１７;Y a ne t a l,２０１９).在渔业资源研究中,气泡信号属于 混响 ,而在水体温室气体释放研究中,气泡属于主要散射体,因此在不同调查目的下的信号识别显得十分重要.在热带亚热带地区,河流㊁湖泊㊁水库众多,植被丰富,大量有机质随水流进入水体;此外,人类活动导致水体富营养化,盛长的藻类不能通过食物链输出,沉积于水底,有机质分解时会排放大量的温室气体(G u e r i ne t a l,２００６).因此,分析水底气体释放,也是研究水生态系统状态的手段.目前,国内主要通过收集气体研究水气界面气体释放通量㊁变化特征及其影响因素(喻元秀等,２００８;李哲等,２０１４;汪国骏等,２０１７),对于水体中气泡形态㊁特征及其时空变化并无研究.本研究首次针对水体声学信号进行分析,探讨水下气体的信号特征㊁运动规律㊁识别方法,为研究水下气体跟踪㊁温室气体释放通量,分析河流㊁湖泊㊁水库底质与演变提供一种思路;同时,以期在渔业资源评估中减少信号误判,提高资源评估准确度.１㊀材料和方法１．１㊀研究区域概况乐昌峡水利枢纽地处广东㊁湖南两省交界,下距乐昌市约１４k m,位于北江支流武江乐昌峡河段,是以防洪㊁发电为主,兼顾航运㊁灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程,２００９年截流,２０１３年蓄水至正常水位１５４．５m.枢纽集雨面积４９８８k m２,坝址多年平均径流量４３．６１亿m３,多年平均流量１３８m３/s.１．２㊀数据收集与处理２０１７年７月１７１８日,使用S i m r a dE Y６０对研究区域进行了走航调查,设计航线为 之 字型,具体路线根据江面实际情况进行调整.鱼探仪工作频率１２０k H z,功率２００W,３d B波束宽(b e a m w i d t h)７．０ʎ,脉冲宽度(p u l s e d u r a t i o n)２５６μs.调查船为渔船,长约６m,换能器垂直向下,吃水深度约０．５m.船速可分为两个阶段,初始阶段为５~６k m/h,当发现回波图中存在大量气泡信号时,随即将船速降至２~３k m/h.根据覆盖率计算公式可知(A g l e n,１９８３),本次探测覆盖率为８．２６.原始声学数据(．r a w)使用声学处理软件E c h oＧv i e w４．９ ,该软件可根据目标的距离,通过时变增益(T V G)自动补偿接收到的回波信号(电压),回波计数采用４０l o g１０(R)T V G.根据气泡特征,最小声学阈值设置为７５d B(O s t r o v s k y,２００３).气泡与谐振腔相似,在声波作用下近似地作均匀变形,因此相当于一个弹性元件,其尺寸通过后向散射强度计算,其他变量计算公式如下(G r e i n e r t& N u t z e l,２００４):σb s＝１０T S１０①r＝σb s②f０＝r２π３γP０ρ③δs＝２πσb s④V０＝４３πr３⑤式中:σb s为声学散射强度;T S为气泡目标强度;r为气泡半径;f０为小气泡的谐振频率,即共振频率;γ为气体等压比热的比值,对于标准状态下的空气来说,γ＝１．４１;P０是作用于气泡的压力;ρ为介质密度;δs为气泡表面积;V０为气泡体积.２㊀结果２．１㊀气泡类型本次调查中,气泡(少量鱼体回波)是乐昌峡水库中主要的声学散射体.在船速较快㊁水深较浅时,很难在回波图中区分鱼体与气泡;相反,船速较慢(ɤ３k m/h),在深水层同一目标连续出现的多个脉冲中,则很容易分辨鱼体与气泡(图１).本次研究主要发现有以下几种气泡类型:(１)气泡柱(b u b b l e f l a r e s或b u b b l e p l u m e),其形状与真实的水泡较为相似(图１a),沉积物具有较高的C H４产生速率,气泡呈连续串状;(２)在船速较慢时,可以清楚地看到气泡从水底产生并逐渐上升的过程(图１b),此种类型气泡比较少见;(３)可分辨的单串气泡流,当水流和调查船航行方向相同时,气泡在上升过程中会产生向右倾斜的映像(图１c);如果两者方向相反,则气泡上升会产生向左倾斜的映像(图１d).３３２０２１年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀武㊀智等,淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究 以乐昌峡水库为例㊀㊀(a)气泡柱,船速约为３k m/h;(b)气泡从水底产生并上升,船速约为１k m/h;(c)调查船航行方向与水流方向相同时,气泡流在回波图上向右倾斜;(d)调查船航行方向与水流方向相反时,气泡流在回波图上向左倾斜.图１㊀典型气泡声学回波影像㊀㊀(a)B u b b l e f l a r e s a t a s u r v e y s p e e d o f３k m/h;(b)B u b b l e s f r o ms e d i m e n t r i s i n g a t l o wb o a t s p e e d(１k m/h);(c)B u b b l e s s l a n t i n g r i g h t o n a ne c h o g r a m w h e n t h ew a t e r c u r r e n t a n d s h i p a r em o v i n g i n t h e s a m e d i r e c t i o n;(d)B u b b l e s s l a n t i n g l e f t o n a n e c h o g r a m w h e n c u r r e n t a n d s h i p a r em o v i n g i no p p o s i t e d i r e c t i o n s．F i g．１㊀S p l i tＧb e a me c h o g r a ms h o w i n g t y p i c a l h y d r o a c o u s t i cm a n i f e s t a t i o n s o f r i s i n g m e t h a n e b u b b l e s２．２㊀气泡特征２．２．１㊀上升速度㊀气泡在水中的平均上升速度为２３．９５c m/s,９５％置信区间为２３．１７~２４．７４c m/s (n＝３６０).在上升过程中速度逐渐减慢,水底气泡速度大于气泡柱顶端气泡速度.气泡上升速度与气泡目标强度(t a r g e ts t r e n g t h,T S)呈相关关系(r＝０．３０１,P＜０．０１),即气泡T S越大,气泡上升速度越快.２．２．２㊀垂直变化㊀气泡T S范围为７３．８２~３３．２９d B,平均T S为６０．０９d B.由图２可见,气泡在上升过程中,T S逐渐减小.为了计算气泡尺寸,假定研究区域气泡在本次调查声学设备频率附近无共振.根据式①和式②转换可知,平均半径为１．６５７mm,半径范围０．２０~２１．６５mm,９５％置信区间为０．２９~３．０２mm;通过式⑤得气泡平均体积为０．０１７m L,范围为０．０００１４~３８．７m L.将水深每隔２m划分一个水层,对每一层气泡信号频率分布求平均值.由图３可见,气泡在上升过程中半径逐渐减小,利用P e a r s o n进行相关性分析,可见气泡半径与水深呈显著相关关系(r＝０．９９,P＜０．０１),气泡半径与水深的回归方程为:y＝０．０３５９x＋０．７４９１(R２＝０．９５３１).根据式③及式④可知,１２０k H z的换能器工作频率下,调查水域气泡的共振半径为０ ０２７~０．０５５mm.图２㊀上升过程中气泡目标强度随水深的变化趋势F i g．２㊀A v e r a g eT S o f b u b b l e s s l i g h t l y d e c r e a s e df r o mt h e n e a rＧb o t t o mt o t h e u p p e r ２．２．３㊀不同类型气泡目标强度分布㊀本次监测中,气泡主要有２种类型,即可分辨的单串气泡流(s i nＧg l eb u b b l ef l a r e,S B F)和气泡柱(b u b b l ef l a r e s, B F S).图４为两种不同类型气泡目标强度(T S)频率分布,可见其分布走向基本一致,均呈单峰型分４３第４２卷第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀水生态学杂志㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年７月布,S B F 平均T S 为６０．２９d B ,峰值约为５８d B ;B F S 平均T S 为５６．９７d B ,峰值约为５２d B.图３㊀气泡半径与水深的关系F i g ．３㊀R e l a t i o n s h i p be t w e e nb u b b l e r a d i u s a n dw a t e r d e pth 图４㊀不同类型气泡目标强度的频率分布F i g ．４㊀T S Ｇf r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s o f d i f f e r e n t b u b b l e t y pe s ２．３㊀气泡与鱼类信号差异船速小于３k m /h 时,声学回波映像中鱼体信号与气泡有明显差别.人为选取了１６５个典型的声学信号(７２个气泡信号㊁９３个鱼体信号)进行分析,通过对E c h o v i e w 输出的变量进行手动处理,剔除描述性的变量,使用S P S S 对剩余的２２个变量进行方差分析.结果显示,其中１２个变量之间存在显著差异(P ＝０．００),结合两种信号的特征及各变量表征的意义,选取出相对速度㊁垂直方向变化㊁目标垂直变化㊁距离和共计４个变量检验气泡信号(B S )与鱼类信号(F S )之间的差异,统计结果见表１.相对速度是目标水平方向的相对游泳速度,５０％鱼类相对速度在１．０~１．５m /s ,５０％气泡相对速度在０．８~１．２m /s;垂直方向变化主要是用来描述信号的迁移方向(９０,９０),鱼类垂直方向变化有正有负,５０％变化范围为３ʎ~５ʎ;而气泡垂直方向变化全部为正,５０％变化范围为１２ʎ~１８ʎ,表明气泡一直在上升,而鱼类则无明显规律;目标轨迹的垂直变化为轨迹中第一个信号与最后一个信号的差值,气泡信号全部为负,鱼体则有正有负.距离和是指相邻单体信号之间的距离之和.由于气泡在波束中水平位移较小,因此距离和较小;而鱼类则无明显规律,距离和相对气泡较大(图５).表１㊀不同变量方差检验结果T a b ．１㊀V a r i a n c e f o r e a c hb u b b l e s i gn a l 变量信号类型均值ʃ标准差９５％置信区间变异系数FP相对速度/m s １F S １．３２２ʃ０．４４０１．２３１~１．４１３B S １．０３０ʃ０．２２４０．９７７~１．０８２０．０４１２６．５６００．００垂直方向变化/ʎF S １．２７８ʃ８．０９７０．３９８~２．９５５B S １６．１１１ʃ８．１２３１４．２１６~１８．００７１０９．２０２１３６．１９７０．００目标垂直变化/mF S ０．００７ʃ０．０４１０．０１６~０．００１B S ０．０５３ʃ０．０２２０．０５８~０．０４８０．００１７３．６１７０．００距离和/mF S ０．４６６ʃ０．０８２０．４０７~０．５２５B S０．２２１ʃ０．２５１０．２０２~０．２４１０．０２９４９．９１３０．００３㊀讨论３．１㊀气泡信号与鱼类信号存在显著差异随着水电站的建设,大量土地被淹没,土壤中的有机碳就会产生并释放大量的C O ２和C H ４,在蓄水的前几年里,排放量很高,大约２０年后,排放会趋于稳定,达到接近天然湖泊的排放水平(D i e m ,２００８).乐昌峡水利枢纽于２００９年截流,２０１３年蓄水至正常水位,水库蓄水淹没了大量植被,底部沉积了大量有机质,加上南方水温较高,有机质分解就会产生大量温室气体.㊀㊀本次研究结果显示,气泡为乐昌峡水库主要声学散射体,因此推测调查期间该水库处于大量释放温室气体时期,为温室气体的源.G r e i n e r t 等(２００６)通过对孔隙水和天然水合物的气体分析,发现气泡成分９９．４％为C H ４;K e l l e r &S t a l l a r d (１９９４)对巴拿马一湖泊研究发现,９８％的C H ４通过气泡排放途径进入大气,而C O ２通过气泡排放的比例不到２％;其他相关研究也得出相似结论(Y a n g e t a l ,２０１３).C H ４是通过厌氧降解有机物在沉积物中产生,由于其溶解性低,气泡排放是其进入大气的主要方式(A n d e r s o n &M a r t i n e z ,２０１５);相较于５３２０２１年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀武㊀智等,淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究 以乐昌峡水库为例图５㊀鱼类和气泡信号不同变量的箱形图F i g．５㊀B o x p l o t s o f d i f f e r e n t p a r a m e t e r s u s e d t od i s t i n g u i s h f i s h f r o mb u b b l e s i g n a l sC H４,C O２因溶解度和液相阻力相对较大,气泡中含有的C O２量较少(杨平和仝川,２０１５).本研究主要通过声学回波映像来分析气泡特征,并未对其成分进行测定,参考上述资料结果,可认为气泡主要成分一般为C H４.在本次调查中,共观察到３种气泡类型,对于单体气泡,船速稍快时(＞３k m/h),气泡特征则与鱼体信号无异;气泡柱和气泡流对船速要求不是很高,由于其散射强度较强,且在回波图中呈现连续串状(图１a)(D e l S o n t r oe t a l,２０１１),不同入射方向的气泡在回波图中显示也不同(图１c,d)(V e l o s oe t a l,２０１５).气泡半径范围为０．２９~３．０２mm,属中等小气泡,气泡在上升过程中半径逐渐减小.与鱼类信号的随机性相比,气泡更具有一定规律性.气泡一直处于上升状态且水平位移较小,因此本研究结果显示鱼类与气泡在相对游泳速度㊁垂直方向变化㊁目标轨迹的垂直变化等变量存在显著差异.由于气泡在水平方向移动很少,因此相对游泳速度小于鱼类信号;垂直方向变化主要是用来描述信号的迁移方向(９０,９０),气泡在上升过程中其倾角一直为正,而鱼体轨迹则正负皆有;目标轨迹的垂直变化中,气泡为一直上升,因此垂直变化为负,而鱼类目标轨迹是随机的.３．２㊀气泡回波映像的主要影响因素本次调查水域气泡的共振半径为０ ０２７~０．０５５mm,气泡远大于１２０k H z共振频率气泡半径,对声呐工作不会造成很大影响,表明式①和式②适用于本水体的气泡研究.气泡在上升过程中,其大小变化主要是由于水压下降及与周围水体进行非对称气体交换时导致体积膨胀/收缩所引起.数值模拟结果显示,气泡生命周期主要取决于其产生的深度㊁初始尺寸㊁上升速度㊁C H４和大气气体浓度㊁压力及温度等(L e i f e r& P a t r o,２００２;O s t r o v s k y,２００３).乐昌峡水库C H４气泡属中等小气泡,气泡在上升过程中半径逐渐减小.O s t r o v s k y(２００３)研究表明,体积较小的气泡,其上升时的半径在减小,而大个体气泡情况则相反;G r e i n e r t等(２００６)研究表明,直径９mm的气泡可以在深海环境中存在１０８m i n,上升１３００m左右,在上升过程中半径逐渐减小.大的气泡容易浮起而６３第４２卷第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀水生态学杂志㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年７月消失,小气泡则由于溶解而首先消失,中等气泡存在时间最长,因而相应地有最大的溶度(刘伯胜和雷家煜,２００６).为验证声学方法评估气泡的有效性,有学者对气泡进行现场实验,证明回波图模式及其线性特征与现场调查结果相似(P o l i k a r p o ve t a l,１９８９).在回波图中能否清晰地观察到气泡,取决于船速㊁影响气泡上升路径的水流㊁气泡进入波束的方向等(V e l o s o e t a l,２０１５).利用声学技术进行水体温室气体走航监测时,船速是一个非常重要的因素.研究表明,当船速小于２节时,可显著提高声学数据质量,在回波图上可以清晰地区分出气泡和其他信号,如鱼体㊁仔鱼㊁浮游植物㊁悬浮沉积物(O s t r o v s k y,２００９;V e l o s o e ta l,２０１５).本研究结果也表明,船速小于３k m/h时,可在回波图中清晰地鉴别出气泡与鱼体.准确估算气泡的上升速度对于评估气泡通量是非常必要的,气泡的上升速度和高度依赖于气泡大小及气泡的纯度.本研究中,气泡的上升速度为２３ １７~２４．７４c m/s,体积为０．００１４~３８．７m L,该结果与O s t r o v s k y等(２００８)的实验结果及H a b e r m a n &M o r t o n(１９５４)的模型结果一致,这也意味着声学技术可用于我国亚热带地区气泡上升速度现场测定㊁气泡体积预测及气泡释放通量评估.３．３㊀气泡产生及其对资源评估的影响除了热带和亚热带地区,在中国纬度较高的北方地区,水体声学监测中也发现有气泡渗出现象(张赞等,２０１４).水库作为温室气体的源,排放大量气泡,大坝下游下泄水中碳的释放问题也值得关注(G u e r i ne t a l,２００６),且不同季节气泡排放存在显著差异(K o n e e t a l,２０１０);另外,在风浪的情况下,水中会产生大量的气泡,在水面表层形成一个气泡层,其厚度㊁层中所含气泡的浓度及层中气泡半径的大小取决于当时的水文条件(刘伯胜和雷家煜,２００６).除了波浪破碎在水中产生气泡外,船只的尾流中也含有大量气泡.目前声学技术已广泛应用于我国内陆渔业资源调查与评估,由于无法对单体信号进行自动分类,数据解析及分类很大程度上取决于研究者的经验.本研究中,气泡的T S分布范围在７３．８２~３３．２９d B (图４),基本覆盖了我国淡水鱼类T S分布区间(武智等,２０１８;孔德平等,２０１９).气泡广泛存在于淡水水库及湖泊中,且具有高度异质性,这意味着在进行渔业资源声学调查中,气泡作为 混响 ,很可能被错判为鱼体信号,尤其是在船速较快时.目前内陆水域渔业资源调查船速均大于３k m/h(中华人民共和国农业农村部,２０１９),在此船速下,单体气泡与鱼体信号很难分辨.数据处理时会出现信号误判,导致资源评估结果偏大,尤其是在温室气体排放较大的水体;反过来讲,评估鱼类尺寸及资源量的方法同样可以应用于气泡量化研究中,且具有快速㊁覆盖面广等优势.在不同调查目的下,气泡可能属于 混响 亦或是目标信号(S i mm o n d s&M a c L e n n a n,２００８).因此,在利用声学技术进行调查时,根据不同目标提前进行调查设计至关重要.参考文献程炳红,郝庆菊,江长胜,２０１２．水库温室气体排放及其影响因素研究进展[J]．湿地科学,１０(１):１２１１２８．孔德平,秦涛,范亦农,等,２０１９．邛海鱼类资源与空间分布的水声学调查探究[J]．水生态学杂志,４０(１):２２２９．李哲,张呈,刘靓,等,２０１４．三峡水库澎溪河C O２㊁C H４气泡释放通量初探[J]．湖泊科学,２６(５):７８９７９８．刘伯胜,雷家煜,２００６．水声学原理[M]．哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社:１９６２０２．谭细畅,史建全,张宏,等,２００９a．E Y６０回声探测仪在青海湖鱼类资源量评估中的应用[J]．湖泊科学,２１(６):８６５８７２．谭细畅,李新辉,林建志,等,２００９b．基于水声学探测的两个广东鲂产卵群体繁殖生态的差异性[J]．生态学报,２９(４):１７５６１７６２．汪国骏,胡明明,王雨春,等,２０１７．蓄水初期三峡水库草堂河水气界面C O２和C 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s t i c b a c k s c a t t e r s t r e n g t h[J]．J o u r n a lo fS o i l sa n dS e d i m e n t s,１５(５):１２４６１２５５．D e l S o n t r oT,K u n z M J,K e m p t e rT,e ta l,２０１１．S p a t i a l h e t e r o g e n e i t y o f m e t h a n ee b u l l i t i o ni nal a r g et r o p i c a l r e s e r v o i r[J]．E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e&T e c h n o l o g y,４５(２３):９８６６９８７３．D i e m T,２００８．M e t h a n e d y n a m i c s i no x i c a n da n o x i c a q u a t i c s y s t e m s[D]:E T H Z u r i c h．F e a r n s i d eP M,１９９５．H y d r o e l e c t r i cd a m si nt h eB r a z i l i a nA m a z o na s s o u r c e s o f g r e e n h o u s e g a s e s[J]．E n v i r o nＧm e n t a l C o n s e r v a t i o n,２２(１):７１９．G r e i n e r t J,N u t z e lB,２００４．H y d r o a c o u s t i ce x p e r i m e n t st o e s t a b l i s ha m e t h o df o rt h ed e t e r m i n a t i o n o f m e t h a n e b u b b l e f l u x e s a t c o l d s e e p s[J]．G e oＧM a r i n eL e t t e r s,２４(２):７５８５．G r e i n e r t J,A r t e m o vY,E g o r o v V,e t a l,２００６．１３００Ｇm－h i g hr i s i n g b u b b l e sf r o m m u dv o l c a n o e sa t２０８０mi n t h eB l a c kS e a:H y d r o a c o u s t i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e m p oＧr a l v a r i a b i l i t y[J]．E a r t h&P l a n e t a r y S c i e n c eL e t t e r s,２４４(１):１１５．G u e r i nF,A b r i lG,R i c h a r dS,e ta l,２００６．M e t h a n ea n d c a r b o nd i o x i d ee m i s s i o n s f r o mt r o p i c a l r e s e r v o i r s:S i gＧn i f i c a n c eo fd o w n s t r e a m r i v e r s[J]．G e o p h y s i c a l R eＧs e a r c hL e t t e r s,３３(２１):４９３４９５．H a b e r m a n W L,M o r t o nRK,１９５４．A nE x p e r i m e n t a l S t u d y o fB u b b l e sM o v i n g i nL i q u i d s[J]．P r o c e e d i n g s o f t h eAＧm e r i c a nS o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s,１２１(８０):２２７２５０．J e c hJ,L a w s o n G,L a v e r y A,２０１７．W i d e b a n d(１５２６０k H z)a c o u s t i cv o l u m eb a c k s c a t t e r i n g s p e c t r ao fN o r t hＧe r nk r i l l(M e g a n y c t i p h a n e sn o r v e g i c a)a n db u t t e r f i s h(P e p r i l u s t r i a c a n t h u s)[J]．I C E S J o u r n a l o fM a r i n e S c iＧe n c e,７４:２２４９２２６１．K e l l e rM,S t a l l a r dR F,１９９４．M e t h a n eE m i s s i o nb y B u b bＧl i n g F r o m G a t u n L a k e,P a n a m a[J]．J o u r n a lo f G e oＧp h y s i c a lR e s e a r c hA t m o s p h e r e s,９９(D４):８３０７８３１９．K o n eYJM,A b r i l G,D e l i l l eB,e t a l,２０１０．S e a s o n a l v a r i aＧb i l i t y o f m e t h a n ei nt h er i v e r sa n dl a g o o n so fI v o r y C o a s t(W e s tA f r i c a)[J]．B i o g e o c h e m i s t r y,１００(１/３):２１３７．L e i f e r I,P a t r oRK,２００２．T h e b u b b l em e c h a n i s mf o rm e t hＧa n e t r a n s p o r t f r o mt h es h a l l o ws e ab e dt ot h es u r f a c e: Ar e v i e wa n d s e n s i t i v i t y s t u d y[J]．C o n t i n e n t a l S h e l f R eＧs e a r c h,２２(１６):２４０９２４２８．O s t r o v s k y I,２００３．M e t h a n e b u b b l e si n L a k e K i n n e r e t: Q u a n t i f i c a t i o na n dt e m p o r a la n d s p a t i a lh e t e r o g e n e i t y [J]．L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h y,４８(３):１０３０１０３６．O s t r o v s k y I,M c G i n n i sDF,L a p i d u sL,e t a l,２００８．Q u a nＧt i f y i n g g a s e b u l l i t i o n w i t h e c h o s o u n d e r:t h e r o l e o f m e t h a n et r a n s p o r tb y b u b b l e si na m e d i u mＧs i z e dl a k e [J]．L i m n o l o g y a n dO c e a n o g r a p h yＧM e t h o d s,６(２):１０５１１８．O s t r o v s k y I,２００９．H y d r o a c o u s t i ca s s e s s m e n to f f i s ha b u nＧd a n c e i n t h e p r e s e n c e o f g a s b u b b l e s[J]．L i m n o l o g y a n d O c e a n o g r a p h yＧM e t h o d s,７(４):３０９３１８．P o l i k a r p o vG G,E g o r o vV N,N e z h d a n o vAI,e t a l,１９８９．T h e p h e n o m e n o no f a c t i v e g a se s c a p e s f r o m m o u n t so n t h e s l o p eo ft h e w e s t e r n B l a c k S e a[C]//D o k l A k a d N a u kU S S R:１３１６．S h e r w o o d R F,１９８５．M e t h a n ea n d c h l o r o c a r b o n si nt h e e a r t h＇s a t m o s p h e r e[J]．O r i g i n so fL i f e a n dE v o l u t i o no f B i o s p h e r e s,１５(４):２７９２９７．S i mm o n d sJ,M a c L e n n a n D N,２００８．F i s h e r i e sa c o u s t i c s: t h e o r y a n d p r a c t i c e[M]．O x f o r d:J o h n W i l e y&S o n s:２９４３９６．V e l o s oM,G r e i n e r t J,M i e n e r t J,e t a l,２０１５．An e w m e t hＧo d o l o g y f o r q u a n t i f y i n g b u b b l e f l o wr a t e s i nd e e p w a t e r u s i n g s p l i t b e a me c h o s o u n d e r s:E x a m p l e s f r o mt h eA r cＧt i c o f f s h o r eNWＧS v a l b a r d[J]．L i m n o l o g y a n dO c e a n o gＧr a p h yＧM e t h o d s,１３(６):２６７２８７．W e i d n e rE,W e b e rT,M a y e rL,e t a l,２０１８．A w i d e b a n d aＧc o u s t i cm e t h o d f o r d i r e c t a s s e s s m e n t o f b u b b l eＧm e d i a t e d m e t h a n e f l u x[J]．C o n t i n e n t a l S h e l f R e s e a r c h,１７３:１０４１１５．Y a n g L,L uF,W a n g X,e t a l,２０１３．S p a t i a l a n ds e a s o n a l v a r i a b i l i t y o fC O２f l u xa t t h ea i rＧw a t e r i n t e r f a c eo f t h e T h r e eG o r g e sR e s e r v o i r[J]．J o u r n a lo fE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s,２５(１１):２２２９２２３８．Y a nN,M u k a iT,Y a m a m o t o J,e t a l,２０１９．A c o u s t i c c h a rＧa c t e r i s t i c s o f t h r e e b l a d d e r l e s s f i s h e s[J]．T h e J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a lS o c i e t y o f A m e r i c a,１４６(４):２９６５２９６５．Z h e n g H,Z h a o X,Z h a o T,e ta l,２０１１．S p a t i a lＧt e m p o r a l v a r i a t i o n s o fm e t h a n e e m i s s i o n s f r o mt h eE r t a nh y d r o eＧl e c t r i cr e s e r v o i ri ns o u t h w e s tC h i n a[J]．H y d r o l o g i c a l P r o c e s s e s,２５(９):１３９１１３９６．(责任编辑㊀万月华)８３第４２卷第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀水生态学杂志㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２１年７月A c o u s t i c S i g n a l F e a t u r e s a n dR e c o gn i t i o no fB u b b l e s i nF r e s h W a t e r :AC a s e S t u d y i nL e c h a n gx i aR e s e r v o i r WUZ h i １,L IX i n Ｇh u i １,T A N X i Ｇc h a n g ２,L I J i e １,Z HUS h u Ｇl i １,Z H A N G Y i n g Ｇqi u １(１．P e a r lR i v e rF i s h e r i e sR e s e a r c h I n s t i t u t e ,C h i n e s eA c a d e m y of F i s h e r y S c i e n c e ,G u a n gz h o u ㊀５１０３８０,P ．R．C h i n a ;２．I n s t i t u t e o f P e a r lR i v e rW a t e rR e s o u r c eP r o t e c t i o n ,G u a n gz h o u ㊀５１０６１１,P ．R．C h i n a )A b s t r a c t :S u b s t a n t i a l qu a n t i t i e s o fm e t h a n e (C H ４)c a nb e p r o d u c e d i n f r e s h w a t e r l a k e s e d i m e n t s a n d i t i s r e l e a s e d a s b u b b l e s d u e t o l o w w a t e r s o l u b i l i t y ．D u r i n g h y d r o a c o u s t i c s u r v e y s ,t h e t a r g e t s t r e n g t h (T S )o f b u b b l e s s t r o n g l y o v e r l a p sw i t ht h a to f f i s ha n dt h es i g n a l sc a nb em i s c l a s s i f i e dd u r i n g d a t a p r o c e s s i n g o f f i s h e r y r e s o u r c e s u r v e y s ．I n t h i s s t u d y ,L e c h a n g x i a r e s e r v o i rw a s s e l e c t e da s a c a s e s t u d y ,a n d t h eb u b b l e s i g n a l s c o l l e c t e d d u r i n g h y d r o a c o u s t i c s u r v e y sw e r e a n a l y z e d ,f o c u s i n g o n s i g n a l f e a t u r e s ,m o t i o n r u l e s a n d s i g n a l r e c o g n i t i o n ．T h e o b j e c t i v e sw e r e t o p r o v i d e a r e f e r e n c e f o r a c o u s t i c s i g n a l r e c o g n i t i o n a n d f i s h e r y r e Ｇs o u r c e a s s e s s m e n t a sw e l l a s f o r r e s e a r c ho nt r a c i n g an d m e a s u r e m e n t o f g r e e n h o u s e g a s e s r e l e a s e d f r o m b o t t o ms e d i m e n t s ．A c o u s t i c s u r v e y sw e r e c o n d u c t e d i nL e c h a n g x i a r e s e r v o i r o nJ u l y １７a n d１８o f ２０１７u Ｇs i n g aS i m r a dE Y ６０e c h o s o u n d e r ．A１２０k H z s p l i t b e a md o w n w a r d Ｇl o o k i n g e c h o s o u n d e rw a s u s e d t o c o l Ｇl e c td i f f e r e n ts i g n a l sn o tr e s o n a t i n g w i t ht h es o n a rf r e q u e n c y a td i f f e r e n ts p e e d s ．A s l o w s h i p s pe e d (＜３k m /h )s i g n if i c a n t l y e n h a n c e d t h e q u a l i t y o f d a t a a n d t h e a b i l i t y tod i s c r i m i n a t eb e t w e e nb u b b l e s a n d f i s h ,b a s e do nd i f f e r e n c e s i ne c h o g r a m t r a j e c t o r y ．A n a l y s i so f t h ee c h o g r a mi n d i c a t e dt h a t g a sb u b b l e s (m a j o r i t y )a n d f i s h (m i n o r i t y )w e r e t h e t w o p r i m a r y e c h o Ｇr e f l e c t i n g o b j e c t s i n t h e s u r v e y a r e a ．S i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e sw e r e o b s e r v e db e t w e e n f i s ha n db u b b l e s f o r s e v e r a l p a r a m e t e r s :m o v e m e n t s pe e d ,v e r t i c a l d i Ｇr e c t i o n c h a n g e a n d t r a c kc h a n g ew i t hd e p t h (P ＜０．０１)．B u b b l e sw e r em o r e r e g u l a r a n dk e p t r i s i n g w i t ha s m a l l h o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t c o m p a r e dw i t hf i s h ．T h e a v e r ag e a s c e n s i o n s p e e d o f b u b b l e sw a s ２３．９５c m /s a n d th e ９５％c o n fi d e n c e i n t e r v a lw a s２３．１７２４．７４c m /s (n ＝３６０)．T h ea v e r a g eT So f t h eb u b b l e sw a s ６０．０９d B ,r a n g i n g f r o m ７３．８２t o ３３．２９d B ,a n d t h e r a d i u s r a n ge df r o m０．２０mmt o２１．６５mm．T h e s p e e da n d r a d i u s o f t h e b u b b l e s d e c r e a s e d a s b u b b l e s a s c e n d e d a n d t h e c o r r e l a t i o nw i t h t h ew a t e r d e pt hw a s s i g n i f i c a n t (r ＝０．９９,P ＜０．０１)．A t a c r u i s i n g s p e e do f＜３k m /h ,t h e b u b b l e s a n d f i s h c o u l db e r e c o g n i z e d c l e a r l y f r o mt h ee c h o g r a m a n du s e dt o i d e n t i f y t h e t a r g e t s i g n a l ．C o m b i n g t h er e s u l t so fo u rs t u d y w i t h t h o s e f r o m p r e v i o u s s t u d i e s ,i tw a sc o n c l u d e dt h a tb u b b l e sa r eh i g h l y h e t e r o g e n e o u sa n de x i s tw i d e l y in f r e s h w a t e r r e s e r v o i r s a n d l a k e s ,a n d t h a t s u r v e y s s h o u l db ed e s i g n e db a s e do n t h e i n t e n d e d p u r po s ew h e n u s i n g a c o u s t i c t e c h n o l o g y ．H y d r o a c o u s t i cm e a s u r e m e n t s p r o v i d e am e a n s o f d i s t i n g u i s h i n g th eb u b b l e s r e Ｇl e a s e d i nb o t t o ms e d i m e n t s o f l a k e s a n dr e s e r v o i r s f r o mf i s ha n d t h i s s h o u l db e c o n s i d e r e dw h e n q u a n t i f Ｇy i n g m e t h a n e e b u l l i t i o na n d f i s ha b u n d a n c e i na q u a t i c s ys t e m s ．K e y wo r d s :L e c h a n g x i a r e s e r v o i r ;g r e e n h o u s e g a s e m i s s i o n ;h y d r o a c o u s t i c s i g n a l r e c o g n i t i o n ;b u b b l e s f e a Ｇt u r e９３２０２１年第４期㊀㊀㊀㊀㊀㊀武㊀智等,淡水水体气泡的声学信号特征与识别研究 以乐昌峡水库为例。
华北理工水声学课件06海洋中的混响-1海水中气泡的声学特性、海面混响
1.41
由上图可知小气泡作受迫振动时的等效机械阻抗：
Zm
cS0
k
a
i1
3P0 2a2
ka
气泡的共振频率：
f0
1
2a
3P0
7
海水中气泡的声学特性
小气泡的共振频率
例：对于水中的气泡，取 1g / cm3，空气的 1.41
设气泡在水面附近，则 P0为1标准大气压，据此可 得谐振频率：
13
海面混响
海面混响的理论处理 设收发合置换能器位于O点，离海面散射层的
距离为 h ；收发换能器指向性分别为 b(,) 、b(,) 声源在散射层上的投影点 O 到圆环内侧距离为 R 声源到圆环内侧的斜距为 r 。
14
海面混响
海面混响的理论处理 海面对混响有贡献的区域是厚度为H，宽为 c / 2
的球台状圆环，如图所示。对于海面混响，也可以 像体积混响一样来推导等效平面波混响级表达式， 不同的是积分体积改变了，散射强度采用界面散射 强度 Ss 。
15
海面混响
海面混响的理论处理
类似体积混响的理论处理，对混响有贡献的散射
声强：
Iscat
I0SV
1 r4
b( ,)b( ,)dV
提示：只有工作在近海面的声纳才可能受到海面混响
4.34n e dB/m
注意：上式忽略气泡间的多次散射，仅适用于气泡 浓度不大的情况。
12
海水中气泡的声学特性
含气泡水介质中的声速 含气泡水中的声速与气泡含量、声波频率有关； 当声波频率低于气泡共振频率，气泡的存在使声 速明显减小； 相反，当声波频率远高 于共振频率，气泡对声 速不产生明显影响； 若声波频率就在共振频 率附近，则随着频率的 变化，声速发生剧烈改变。
ADCP测试受气泡特性的影响分析
ADCP测试受气泡特性的影响分析濮兴啸;梁朝阳;刘海峰;徐洋【摘要】水中气泡对声传播产生重要影响.文章依据声纳方程,通过对含气泡的海水水体声波散射的研究,计算分析了气泡半径、密度、浓度等特性要素与后向散射强度的相关关系,为声学多普勒流速剖面仪(ADCP)测试和气泡发生装置的设计提供一定的理论基础.【期刊名称】《气象水文海洋仪器》【年(卷),期】2016(033)002【总页数】3页(P42-44)【关键词】气泡特性;声波散射;ADCP【作者】濮兴啸;梁朝阳;刘海峰;徐洋【作者单位】中国白城兵器试验中心,白城137000;中国白城兵器试验中心,白城137000;中国白城兵器试验中心,白城137000;中国白城兵器试验中心,白城137000【正文语种】中文【中图分类】P47声学多普勒剖面流速仪(ADCP)是一种先进的声学测流仪器，作为一类计量仪器，其需要开展实验室条件下的测试、检定和校准。
ADCP的测速依据多普勒频移原理，因此，测试水体中必须有足够的反射物来反射声波，其才能接收到反射声信号，而且信号强度必须达到被检定仪器正常工作的要求。
在水槽中测试剖面仪反射物反射强度小于35 dB时，都会带来显著误差。
在国外，美国ADCP制造厂商流速检测是在一个宽度为15.5 m、深度为6.7m的很大、很长的静水槽内进行的，在水体中安放了声波反射物。
目前，国内现有的在用流速仪检定水槽并不能用来检测ADCP，ADCP流速检定校准的专用水槽应较宽、较深，以能测到数个剖面单元流速，减少盲区影响，水槽设计应符合声学水槽要求，槽内水体中应有悬浮颗粒或气泡存在[1]。
目前，国内已开始论证规划建设这样的专用水槽，专用水槽将充分考虑了上述因素的影响，在考虑水体反射物时，有两种方式可供选择，一是播撒悬浮颗粒物(如石灰粉末)，另一种方式是产生气泡。
由于气泡的共振特性和干净清洁，相对于其他悬浮粒子物质，在水中气泡作为声波散射物质更有效。
气泡的声学特性分析
气泡的声学特性分析
首先，气泡对声波的散射是指气泡表面对入射声波的反射现象。
当声
波遇到气泡表面时，它会被部分反射回去。
散射的程度取决于气泡的大小、形状和界面条件。
通常情况下，当入射波长与气泡半径相比较小时，散射
现象更为明显。
其次，气泡对声波的吸收。
当声波通过气泡时，气泡也能吸收部分声能。
这是因为气泡表面的波浪运动会导致内部液体的运动，从而引起能量
损耗。
气泡对声波吸收的程度与气泡的大小和形状、液体的性质以及声波
的频率等因素相关。
气泡还具有谐振现象，即当声波频率与气泡固有频率相同时，气泡可
以谐振。
这种谐振现象也被称为共振现象。
当声波频率与气泡固有频率匹
配时，气泡内的液体会因气泡表面的波浪运动而振动加剧，从而增强声音
的传播效果。
共振现象的出现通常取决于气泡的大小和形状。
此外，气泡的声学特性还与周围介质的性质有关。
例如，当气泡处于
不同的液体中时，气泡的共振频率可能会发生变化。
液体的性质也会影响
气泡对声波的吸收和散射程度。
综上所述，气泡的声学特性包括散射、吸收和谐振现象等。
这些特性
受气泡的大小、形状、液体的性质以及声波的频率等因素的影响。
对气泡
的声学特性的研究有助于理解声波在液体中的传播规律，以及在声学工程
和医学诊断等领域中的应用。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。