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4 溫度變化時頻漂現象研究

海底淺層沉積物溫度變化范圍從-2℃～30℃
不等，雖然溫度不高、變化范圍不大，但會引起海
底沉積物結構發生改變，在不同溫度時表現出不同
的聲學性質，因此研究溫度對沉積物聲學特性的影
響具有重要的意義。

沉積物溫度變化時聲學測量實驗的結構見圖
3。絕大多數海底沉積物樣品的聲衰減量都隨溫度
升高而增大，且出現了溫度導致的頻漂現象，即隨
著溫度的變化主頻發生漂移。圖4 為南海海域采集
的原狀樣測量溫度變化過程中主頻變化趨勢，低溫
時主頻是35.156kHz ，隨著溫度的升高，主頻開始


第1 期鄒大鵬等：海底沉積物聲學測量中頻譜分析方法應用研究

衰減，8℃以前衰減緩慢，其后迅速衰減，12℃時

37.109kHz 頻率突出并且變為新的主頻，此主頻也
隨著溫度衰減。海底沉積物是海水和固體顆粒的混
合物，溫度升高引起海水黏度有所減小，吸收損失
降低，但是熱運動引起的散射增強，尤其在某個溫
度(圖示測量樣品是8℃)，散射引起的衰減超過黏度
降低減少的吸收損失，此外，沉積物與換能器接觸
面耦合損失增大，從而出現了衰減下降增快。而對
于頻漂現象，需要從微觀結構運動機理入手，研究
熱運動引起沉積物結構振動的模態變化。
圖3 沉積物溫度變化下聲學測量實驗結構圖
Fig.3 Experimental layout for acoustic measurement of sediments
withtemperature variation
圖4 溫度變化下海底沉積物頻譜圖
Fig.4 Spectrum of seabed sediment at different temperatures

5 沉積物聲學測量異常數據的判斷

沉積物聲學測量過程中，由于環境因素、耦合
狀態等變化時會產生測量數據的較大變化，這種變
化因素作用于被測沉積物內部，無法直觀地檢測
到，頻譜分析方法為此提供了一種科學判斷依據。

聲衰減系數(測試原理見圖3)是沉積物具有的
特有參數，其隨溫度變化而變化[9] ，圖5 為溫度連
續變化過程中沉積物聲衰減系數的變化修正前后
的對比圖，其中虛線星點是測量得到的數據結果，
顯得雜亂無章，無法確定實驗結果的準確性和規律
性。對測量的聲波數據進行頻譜分析，結果如圖6，

圖5 溫度變化下聲衰減系數實測圖
Fig.5 Attenuation coefficients at different temperatures
圖6 聲衰減系數測量頻譜分析圖
Fig.6 Spectrum analysis of attenuation coefficient measurements at
different temperatures

其中35.156kHz 和37.109kHz 為平面換能器的兩個
主頻率，41.016kHz 和42.969kHz 為錐面換能器的
兩個主頻率。從圖6 中可以看出5℃~10℃一段發生
了很大的變化，存在異常數據。經檢查發現5℃、6℃
存在擾動變化，9℃、10℃時儀器的衰減系數發生過
調整，7℃、8℃數據屬于計算錯誤。修正6℃時數據，
改正7℃、8℃、9℃、10℃的數據(見圖5 實線)，可
以得出沉積物在5℃發生了擾動，衰減系數分為兩
段，前一段衰減系數呈下降趨勢，后一段的衰減系
數先下降后上升；兩者的梯度不同，下降梯度變化
較為劇烈，上升梯度緩和。這種擾動情況在海底沉
積物采樣、運輸、測試等過程中都會存在，既是影
響沉積物測量精度的一個重要因素，也是不可避免
的一個隨機因素，頻譜分析可以提供一種檢測手段。

6 沉積物類型的區分

利用聲學手段判別沉積物是海洋聲學兩大問
題中的反演問題[10] ，諸多研究者(如Hamilton[6] 、

多功能聲波檢測儀

DB-4D型

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