论文题目: 海底沉积物声学原位测试和特性研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 地质学
作者: 陶春辉
导师: 金翔龙
关键词: 海底沉积物,声学原位测试,频散,声衰减,有限差分模拟
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文较系统地研究了海底沉积物的声学原位测试技术、原理与海洋沉积物声传播特性。研究内容包括声学原位测试系统的设计研制、海上资料采集、土工实验室测试、资料处理解释、中美不同性质沉积物的对比研究、Biot-Stoll模型与BISQ模型的海洋沉积物声学多参数反演,以及声场数值模拟。本文在国家863计划的支持下,首次设计研制出国内具有自主知识产权的实时监控多频多深度声学原位测试系统,该系统既具有美国声学长矛测量深度较深的能力,又具有美国原位沉积物声学测量系统多个频率发射接收可研究频散特性的优点,系统具有实时监控甲板供电、多点高精度测量等特点。系统在整体设计思路上具有一定的先进性和创新性。在浙江乍浦港首次取得了8、10、12和15kHz四个频率八个深度声学原位测试数据后,进行了土工力学和粒径分析。开发了利用对比法精确提取声速、声衰减技术。浙江乍浦港沉积物具有明显频散现象,即声速和声衰减随频率的增大而增大,声速随深度增加而增大(从1442到1462m/s)。得到了该海区2米深度内15kHz以下声速与深度及频率的一次正比关系。声衰减由于沉积物松软而较低。在沉积物中测到的声波主频比水中测得的主频低最高达300Hz。对夏威夷檀香山岛的二处钙质沉积物20-100kHz的测量数据进行了原位纵波声速和声衰减提取。二处均测得轻微的频散。随频率的增加有效衰减从15增加到75 dB/m。声衰减较大。利用Blot-Stoll模型进行夏威夷钙质沉积物多参数反演,发现Biot理论能很好地描述珊瑚质砂纵波速度频散。通过调整低频耗散系数(超过Stoll的假设范围)对声衰减也能较好地描述。得到海洋沉积物BISQ多参数反演方法。通过对浙江乍浦泥沙质沉积物的BISQ多参数反演,发现BISQ模型可用于描述海洋沉积物的声频散和声衰减特性。海洋沉积物声衰减总体上分段符合衰减系数lnα=αlnf~b的规律。按斜率可以分成三段:f为高频时,b≈1;中频时,0≤b≤0.5;低频时b≈2。高频与中频分界在40kHz之间,中频与低频分界在16-18kHz之间。系数α与沉积物特性密切相关。利用基于Biot理论模型的高阶交错网格有限差分算法,通过对比模拟和原位测试波形特征,表明该系统具有较好的首波避干扰和吸声设计,对下一步系统升级具有指导意义。
论文目录:
中文摘要
英文摘要
第一章 绪论
1.1 声学原位测试与研究的意义
1.2 声学原位测试技术和特性研究现状
1.2.1 声学原位测试技术的发展现状
1.2.2 声学原位特性理论研究
1.3 本论文的选题依据、主要研究内容和创新点
第二章 含流体孔隙海洋沉积物声波传播理论与模型
2.1 含流体孔隙介质与海洋沉积物
2.2 Gassmann理论和模型
2.3 Biot理论和模型
2.3.1 Biot理论概述
2.3.2 Biot理论的基本假设
2.3.3 声吸收和频散机制的Biot理论解释
2.3.4 Biot理论的局限性
2.3.5 海底沉积物中的Biot理论应用
2.4 BISQ理论和模型
2.4.1 BISQ理论概述
2.4.2 BISQ理论模型的建立和条件
2.4.3 BISQ理论速度和声衰减的解析表达
2.4.4 声吸收和频散机制的BISQ理论解释
第三章 多频声学原位测试系统设计与数据处理研究
3.1 系统工作原理与设计
3.1.1 系统工作原理
3.1.2 系统总体性能指标设计
3.1.3 声纳方程的建立
3.2 声速、声衰减数据获取技术研究
3.2.1 海上试验
3.2.2 声速、声衰减提取技术研究
第四章 夏威夷钙质海底沉积物的声速声衰减特性
4.1 夏威夷钙质海底沉积物的声速声衰减特性
4.1.1 夏威夷钙质海底沉积物概述
4.1.2 数据采集方法和数据
4.2 Biot理论在夏威夷钙质沉积物中的反演
4.3 讨论与分析
第五章 浙江泥沙质海底沉积物声传播模型研究
5.1 浙江泥沙质海底沉积物的声速声衰减特性
5.1.1 浙江砂质海底沉积物概述
5.1.2 数据采集方法和数据
5.2 BISQ理论在浙江泥沙质沉积物中的反演
5.3 基于Biot理论的海底沉积物声场数值模拟
5.3.1 概述
5.3.2 声场模拟
5.4 讨论与分析
第六章 结论和有待改进之处
6.1 结论
6.2 本论文有待改进之处
参考文献
致谢
博士在读期间发表的论文
攻读博士期间的主要学术成果
作者简介
附录一:实时监控多频声学原位测试系统功能实现
附录二:海底沉积物的土工测试与参数选?
发布时间: 2009-02-12
参考文献
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