超声衰减谱法测量泥沙粒度分布 Sediment size distribution measurement with ultrasonic spectrum method.pdfVIP

泥 沙 研 究 2007年12月 JoumalofSedimentResearch 第6期 超声衰减谱法测量泥沙粒度分布 薛明华，苏明旭，蔡小舒 (上海理工大学动力工程学院颗粒与两相流测量技术研究所，上海200093) 摘要：利用超声衰减谱的测量，可以获得泥沙中颗粒粒度分布信息。采用超声耦合相模型和Bouguer-I丑mbert． Beer-Law散射模型的叠加描述河流泥沙中超声衰减行为，宽频超声换能器测量得到2MHz至7MHz间泥沙声 衰减谱，结合独立模式的最优正则化反演算法，获得了体积浓度4．5％，12．4％，15．8％下泥沙的颗粒粒度分 布。结果表明，超声衰减谱法能在体积浓度直至15．8％的高浓度条件下获得泥沙颗粒粒度分布，并且测量得 到的平均粒度受浓度变化影响较小。将超声法测量结果与光学图像法测量结果相比较，两种测量方法得到的 结果较为吻合。 关键词：超声衰减谱法；泥沙；粒度分布；声衰减；反演算法 中图分类号：0422．4 文献标识码：A 文章编号：0468—155x(2007)06—0014—05 1 引言 河流泥沙观测是河流水文工作的一个重要组成部分，泥沙粒度分布的测试和评估，能提供重要的水 文观测资料，对水利工程设计，水资源的利用和保护具有重大意义。 目前对于泥沙测量的方法主要有：振动法、光电法、)，射线法、超声法、以及激光法¨o。由于超声波 穿透率强，并且具有较宽的频带，因此对于较高浓度的泥沙作在线测量，超声法具有无需稀释、快速、实 时等优势。应用超声法对于河流泥沙测量的报道主要集中在通过声衰减量来测量泥沙的浓度参数汜’3。。 目前常用的声衰减标定和经验公式确定含沙量的方法，由于没有考虑随现场环境变化的泥沙颗粒粒度 分布对于声衰减量的影响，往往导致所测浓度误差较大，难以获得满意的结果。4。。因此本文研究基于超 声波在颗粒两相流中的衰减理论，通过测量、分析多个频率下的超声衰减谱，经反演计算，求得泥沙颗粒 的粒度分布。并且探讨不同粒度分布对声衰减量测量的影响。 2颗粒粒度分布的计算 2．1颗粒两相流介质中声衰减模型 超声衰减谱法测量颗粒两相流悬浊液粒度分布过程可以概括为：基于一个合适的理论模型对已知 物性参数的颗粒两相流悬浊液预测其声衰减，再根据实测的系统声衰减，结合颗粒系和声衰减谱对应的 模型矩阵进行数据反演，最终得到颗粒两相流系统的真实(最优)粒度分布。因此，首先要求有合适的理 论模型对两相流悬浊液中的声波动和衰减进行描述和求解∞。。 超声波在泥沙颗粒两相流体系中传播，通常认为引起超声衰减的原因包括能量损失和散射衰减。 能量损失又主要包括粘性损失与热损失。粘性损失是指在超声波作用下，由于颗粒相与连续相间密度 收稿日期：2007．03．14 基金项目：国家863计划(2006AA032349)；国家自然科学基金 作者简介：薛明华(1983一)，男，硕士研究生，主要从事颗粒与两相流测量研究。 14 万方数据 差异，靠近颗粒的液体层作相对滑动产生摩擦力所致；热损失由颗粒表面附近的温度梯度产生，该温度 合相模型[71预测 c-， ． 后2=叫2×c伟妒+卢。c·一妒，，×f刍÷等；；；—；专譬—；』；；÷≥-=；篇 式中 s=丢(}兰警)+号砉+i号[言+芸] c2) 下标P和Z分别指示颗粒相和连续相参数，驴表示体积浓度，叫表示角频率，i表示虚数单位，R表 示颗粒半径，艿=、厅可丽称为粘性集肤深度，17表示粘度。复波数矗=∞，c(∞)+掘(∞)，实部给出了声速 c(叫)数值，虚部则给出了声衰减口(∞)数值。参数Js则是连续相密度，粘度，颗粒相粒度，浓度的函数。 散射衰减与能量损失的产生机理不同，通常认为声散射中颗粒仅仅是将部分的声能流方向作了改 Beer-Law)模型捕。描述为 a，=蠢K。