一种海底沉积物重力取样器兼容声纵波测试的系统的制作方法

1.本发明的一种海底沉积物重力取样器兼容声纵波测试的系统，涉及海底沉积声学参数原位测量领域。


背景技术：

2.陆地和海洋的浅层资源过度开发和输出，使得我国矿产资源面临枯竭的危险，找矿的方向逐步转向深海大洋的矿产资源。海洋面积广阔，蕴藏着丰富矿产资源，如稀土资源、金属硫化物等，为了遏制资源枯竭的危险、扩展资源储量、提高竞争力，深海海底区域的资源是重要的突破口之一。同时，海底介质深海和浅海的基本组成和属性特征，也是我国军工领域亟需重要的参数。而如何快速而精准地提供海底介质特性参数尤为重要。
3.为了消除取样过程对沉积物的扰动以及样品所处环境的变化对测试结果的影响，近年来发展了多种沉积物声学特性原位测量技术。
4.如专利201010293649.9公开的一种海底沉积声学参数原位测量装置，其具体公开了一种使用支撑架将声学传感器组件固定在重力取样器外壁的方案。
5.或者如专利202011408922.8公开的一种海底沉积物声学原位取样测量系统，其具体公开了一种将声学传感器组件镶嵌在重力取样柱外壁的方案。
6.两种方案的原理都是在现有重力取样柱的基础上，选用不同的结构方式加装声学探测装置以实现海底底质沉积物声学特性原位测量以及同步取样。
7.这类海底沉积声学参数原位测量装置的结构方式主要存在以下问题：1、产生额外阻力：支撑架会产生额外的受力面积，如果海底沉积物较硬或粘度较大，可能会大幅缩短重力取样柱插入深度，导致接受换能器无法全部插入沉积物，这样所计算出的声学参数也并非沉积物实际参数；2、改变现有结构：将声学探测组件镶嵌在重力取样柱外壁，势必会大幅改变现有取样柱的构造，不易安装。并且后续拆除声学组件后取样柱也已很难还原，不利于在现有取样柱的基础上推广。
8.3、容易受损坏：在设备布放与回收时，容易与船体相碰撞而损坏；或者在插入沉积层时因沉积物的粘性增大而阻力增大，或者出现两类性质相差较大的沉积互层时，因受冲击力而损坏；或插入到沉积层时因不垂直而受到剪切力而损坏。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足而提供一种利用框架将声学探测组件套在区域柱外部的海底沉积物重力取样器兼容声纵波测试的系统，其不需要对取样柱的结构改动过多，有利于后期的安装和维护，并且不会产生额外受力面积，减少了对沉积物扰动，不会对取样柱贯入深度产生影响为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种海底沉积物重力取样器兼容声纵波测试的系统，包括：
重力取样装置，可以重力作用下自由落体冲入海底沉积物中；声学探测装置，可以发出声波并接收反射波；框架，所述框架套设在重力取样装置外部，所述声学探测装置嵌装在框架上。
10.进一步的，声学探测装置包括：供电模块，用于给整个声学测试系统供电；发射声系模块，包括一个发射电路和一套发射换能器，用来激励产生设定工作频率的声波信号；隔声体，用于衰减沿着框架在发射与接收间传播的直达波的信号；接收声系模块，用于接收处理存储经过海底沉积物的声波信号。
11.进一步的，框架由两个180
°
半圆环件相合构成，两个半圆环件包套在所述重力取样装置的外部。
12.进一步的，框架上设有若干等间距设置的隔声槽。
13.进一步的，所述重力取样装置包括驱动铅盘、刀头、取样管、电池仓，刀头下方设有开口，取样管中空设置，刀头与取样管相通，驱动铅盘设置在取样管顶部，电池仓设置在驱动铅盘内部。
14.进一步的，隔声体由隔声阻尼材料制成，其设置在框架和取样管之间。
15.进一步的，框架包套在取样管的外部，刀头的直径大于框架的直径。
16.进一步的，接收声系模块包括一体化接收条带，发射电路与一体化接收条带之间使用贯通线连接包括多个接收换能器和多个接收电路以及存储单元，多个接收换能器和多个接收电路采用交叉布设，一个接收换能器与一个接收电路形成一个接收通道。
17.进一步的，声学探测装置还包括蓝牙通讯模块，蓝牙通讯模块通过电线与一体化接收条带连接。
18.进一步的，设有实验室处理系统，实验室处理系统通过蓝牙连接的方式与蓝牙通讯模块连接。
19.有益效果：本发明中通过框架将声学探测装置安装在取样管上，整个系统可以在驱动铅盘的重力驱动下以自由落体的方式冲入沉积物中，刀头为开口结构，系统触底后海底沉积物可以被挤入刀头，进入取样管内，完成取样工作。本发明优势在于，声学探测装置安装在框架上，通过框架间接固定在取样管上，因此不需要对取样管的结构改动过多，能快速兼容现有的取样管，有利于后期的安装和维护，不会产生额外受力面积，减少了对沉积物扰动以及不会对取样柱贯入深度产生影响；并且因为声学探测装置与取样管处于同一高度，获得的数据与样品可以保证一致性；并且声学探测装置直径嵌入安装在取样管上，且因为刀头直径大于声学探测装置的外径，可以保证声学探测装置的各个模块不直接受力，降低受损几率。
附图说明
20.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的框架分解结构示意图；图3为本发明的工作状态示意图；图4为本发明的工作流程图；
附图标记说明：重力取样装置1，取样管11，刀头12，驱动铅盘13，声学探测装置2，供电电源接口20，电池仓21，框架22，发射换能器23，发射电路24，隔声槽25，一体化接收条带26，接收换能器261，接收电路262，蓝牙通讯模块27，安装孔30，线缆3，绞车4，沉积物5，实验室处理系统6。
具体实施方式
21.下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
22.海底沉积物重力取样器兼容声纵波测试的系统，包括重力取样装置1、声学探测装置2、框架22。
23.重力取样装置1上方设有驱动铅盘13，下方设有刀头12，中间设有取样管11，内部有电池仓21以用于给整个声学探测装置2供电。
24.声学探测装置2包括：供电模块，用于给整个声学测试系统供电；发射声系模块，包括一个发射电路24和一套发射换能器23，用来激励产生设定工作频率的声波信号；隔声体，用于衰减沿着框架22在发射与接收间传播的直达波的信号；接收声系模块，用于接收处理存储经过海底沉积物5的声波信号。
25.框架22套装在取样管11的外部，框架22上设有若干槽孔，声学探测装置2的各个模块嵌装在对应的槽孔内。
26.本实施例中，优选的框架22由两个180
°
半圆环件相合构成，这种结构更兼容取样管11，框架22选用316l不锈钢材质，在满足结构强度的同时满足高耐腐蚀性以及方便粘接两个特性。框架22上刻有线槽，方便走线。框架22上设有安装孔30，可以使用螺栓将框架22固定在取样管11上。安装孔30沿高度方向设有至少两排。本实施例中，在顶部和底部分别设有一排安装孔30。
27.本发明中，通过框架22将声学探测装置2安装在取样管11上，整个系统可以在驱动铅盘13的重力驱动下以自由落体的方式冲入沉积物5中，刀头12为开口结构，系统触底后海底沉积物5可以被挤入刀头12，进入取样管11内，完成取样工作。本发明优势在于，声学探测装置2安装在框架22上，不需要对取样管11的结构改动过多，有利于后期的安装和维护，并且不会产生额外受力面积，减少了对沉积物5扰动以及不会对取样柱贯入深度产生影响。
28.供电模块包括供电电源接口20、电源线；所述电源接口设置在框架22上，电源线从电池仓21沿着取样管11的外壁或者内部中空管道延伸至电源接口处。
29.发射声系模块的发射换能器23是压电陶瓷材料。发射电路24产生高压，激励发射换能器23将电能转换为机械能，产生声波。声波可以通过海底沉积物5、框架22、取样管11传播，其中通过框架22和取样管11的直达波为干扰噪声信号。框架22上设有7个等距隔声槽25可以衰减通过框架22的直达波信号。框架22和取样管11之间加垫有一层隔声阻尼材料以形成上述隔声体，可以减小声波信号耦合传播到取样管11的外壳上来衰减通过取样管11的直
达波信号。保证两种直达波信号不影响海底沉积物5中声波信号的处理。
30.因为发生换能器采用压电陶瓷材料，所以为了避免插入沉积物5的过程中受到损坏，刀头12的外径的直径大于声学探测装置2的外径，以此保证声学探测装置2的各个模块不直接受力。发射换能器23的外部可设置金属保护套，减少插入过程中的磕碰等损伤。
31.接收声系模块包括一体化接收条带26，发射电路24与一体化接收条带26之间使用贯通线连接，在发射电路24启动的时候一体化接收条带26同时启动。所述一体化接收条带26为接收换能器261与接收电路262的一体化构造，采用一体化构造，极大提高接收灵敏度，适于疏松的沉积物声学测量。本实施案例采用一发四收的工作模式，即一体化接收条带26包含多个接收换能器261和多个接收电路262以及存储单元。多个接收换能器261和多个接收电路262采用交叉布设，一个接收换能器261与一个接收电路262形成一个接收通道，用来采集、处理和存储接收到的信息。根据取样管11的不同规格，也可选用不同规格的一体化接收条带26。
32.声学探测装置2还包括蓝牙通讯模块27，通过电线与一体化接收条带26连接，用于工作前的通讯调试以及工作结束后的数据导出。
33.本实施案例中，使用时间驱动的启动方式：在下海前估算重力取样装置1到达海底的所需时间，设置声学探测装置2的启动时间和工作时间，在近海底100m处开始工作，此时发射电路24启动，控制发射换能器23将电能转换为机械能，激励产生设定工作频率的声波信号，声学探测装置2持续工作预设时间后停止工作，在不同的场景下，亦或可使用重力驱动的方式，在刀头12处安装压力传感器，重力取样装置1贯入沉积物5中时，压力传感器触发，声学探测装置2启动，按照预先设定好的工作时长工作一段时间后，声学探测装置2中断工作，完成取样作业。
34.本发明实施例中，还具有实验室处理系统6，其主要负责通过蓝牙连接的方式，读取、处理、显示、保存接收声系模块存储单元中的数据。还具有线缆3和绞车4，线缆3一端连接重力取样装置1，另一端连接绞车4，可用于控制重力取样装置1在海底下沉时的姿态，以及重力取样装置1整体的下放和上提。
35.本发明的工作原理，在重力取样柱贯入沉积物5中后，声波w0从声学探测装置2的下部区域产生，并径向向沉积物5中传播，经沉积物5反射后形成反射波wr，被位于声学探测装置2的上部区域的一体化接收条带26接收并储存原始信号，作业结束后在甲板上提取取样管11中的海底沉积物5，通过蓝牙通讯读取一体化接收条带26中的原始数据，并在实验室处理系统6中对原始数据做进一步处理。这种快速的数据通讯方式，在导出数据方面，可快速的现场处理，在船上快速处理成图。
36.本发明的工作流程如图4所示，包括下列步骤：步骤1：系统安装1 .1检查确认所述的各个部件正常；1 .2分别装配实验室处理系统6与水下探测系统；步骤2：系统准备2 .1按照具体作业要求，进行供电与通信测试；2 .2 在甲板根据下放速度以及海水深度通过蓝牙通讯设置声学探测装置2的启动时间和持续工作时间；
步骤3：系统布放3 .1使用船舶的门型a架与绞车，起吊水下探测设备，布放入水；3 .2沉积物5中测量，在水下探测单元距离海底约100米时，高速下放设备的同时声学探测装置2启动，使得水下探测设备自由下落，重力取样柱插入海底沉积物5中，执行沉积物5中测量，采集数据；步骤4：系统回收4 .1作业完成后，回收水下探测设备至甲板；4 .2使用蓝牙连接实验室处理系统6和声学探测系统，读取、处理、显示和保存数据；4 .3拆卸水下探测设备，淡水冲洗后存放至阴凉干燥处。
37.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
38.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。