超声波在冰中传播特性的实验与仿真研究

刘慧慧,窦银科,常晓敏,陈 燕,刘 磊,周云霄

(太原理工大学 电气与动力工程学院，太原 030024)



超声波在冰中传播特性的实验与仿真研究

刘慧慧,窦银科,常晓敏,陈 燕,刘 磊,周云霄

(太原理工大学 电气与动力工程学院，太原 030024)

利用超声波透射原理,设计了冰超声波传播测试装置,通过实验测量超声波在冰中透射后波的幅值变化,分析冰介质中超声波传播时的衰减变化与温度之间的关系;并对超声波在冰中的传播衰减进行了仿真分析。实验和仿真结果均表明,超声波在冰中传播时随冰温度的变化幅值衰减明显；超声波在淡水冰和海冰中传播时,其信号幅值随温度降低均出现负衰减现象。

超声波;冰;衰减特性;温度

随着超声技术的迅速发展,其应用范围越来越广泛。超声波的散射、衰减、透射、反射等特性,在无损检测(NDE)、结构健康检测(SHM)[1-4]等方面发挥着重要的作用。超声波在固体中的传播特性已广泛应用在复合板材内部结构检测[5]、生物组织探测[6]、金属锻件和焊接缝缺陷检测[7]、固体厚度测量等方面。姚丽等利用超声波检测水泥密度[8];张翔等利用超声波检测复合材料孔隙形貌特征[9];华志恒等深入研究了碳纤维复合材料对超声衰减的频域分析,认为超声衰减系数与孔隙率之间存在着抛物线关系,并提出了孔隙率的时域超声检测模型[10]。1983年,美国学者COX et al[11]根据海冰相图,拟合出利用海冰温度、盐度、密度计算海冰孔隙率的方法,该计算方法适用于温度为-2～-30 ℃的海冰,比以往评价冰力学参数的卤水体积更科学,更能反映低密度海冰情况[12-14]。在此基础上,国内外学者展开了海冰孔隙率与海冰强度关系的研究,试图获得海冰孔隙率同力学性质的试验关系。

海冰是由冰晶体、盐水泡、盐晶体和空气泡组成的多相介质。海冰孔隙率是表征海冰热力学性质的主要因素,它受海冰温度、盐度和密度的影响。因此,从监测海冰孔隙率变化的角度深入研究气候变迁和海洋环境,将超声波检测技术用于海冰孔隙率监测十分必要。笔者主要对冰中的传播情况和衰减情况进行了实验与仿真分析，进而为建立海冰孔隙率与衰减量之间的数学模型提供基础。

1 超声波在冰中透射衰减实验

1.1 实验系统与过程

图1为实验系统原理图。实验系统采用了2个压电陶瓷结构的耐低温水声换能器,一个用作发射信号,另一个用作接收信号。整个实验系统包括超声波发射电路和超声波接收电路。其中,超声波发射电路由脉冲发生部分和放大部分组成。脉冲发生器产生一定频率的脉冲信号驱动水声换能器;水声换能器将电信号转化为声信号,辐射到水或冰介质中。超声波的接收与发射单元是一个电能和机械能相互转化的过程。超声波接收电路由水声换能器、放大器、模拟滤波器与数字示波器组成,该部分的水声换能器将接收到的声信号转化为电信号,再经过放大滤波后在示波器上观察接收到的波形。

图1 试验系统原理图Fig.1 Schematic experimental system

本实验中由单片机ATmega1284P产生频率为50 kHz的脉冲信号,通过超声波发射电路使信号的幅值达到200 V,该信号激发发射探头产生超声波。示波器与超声波接收电路输出端相连接,通过示波器观察接收到波形的幅值变化情况,以幅值表征衰减情况。超声波发射与接收探头为一对50 kHz主频的纵波探头,通过多次测量发现发射探头与接收探头之间的距离为2 cm衰减效果最佳,因此两者之间距离取2 cm.本文进行了淡水和海水(盐度质量分数为33 ‰)2组实验,为了增加实验结果的可靠性,淡水实验重复进行了3次,海水实验重复进行了2次。为了减少各组实验采集的数据的误差,实验在温度值设置为-25 ℃的低温柜中进行,尽量保证结冰速率一致。使用超声波发射接收电路以及低温实验装置进行实验研究。进行温度采集时,不仅要求温度传感器低温特性好,而且对防水要求较高,因而用热缩管对温度探头进行了防水封装。为了提高温度采集的可靠性,本组实验采用2个温度传感器同时采集温度,提高了实验的成功率。

1.2 淡水冰超声波衰减实验结果分析

为保证结果分析的准确性,实验数据曲线幅值间隔均取20 V,温度值间隔为5 ℃.

图2是淡水冻结为冰过程中超声波衰减实验结果图,第一次淡水实验幅值曲线如图2-a所示。在进行第一次淡水实验时,未进行温度采集,但可以看到幅值随着温度降低过程中的变化趋势。随着温度的下降,水的状态变化对传播过程中超声波的幅值变化有较大的影响。水的状态变化,液态→固液混合态→固态,超声波传播过程的幅值先减小(100 V降为3.6 V)之后逐渐恢复至90 V左右。第二次淡水实验幅值温度关系曲线如图2-b所示。与第一次实验相比,本次实验进行了温度采集,可以清晰地反映出温度与幅值的关系。水的温度在0 ℃,-1 ℃时,水开始由液态逐渐向固液混合态转变,此时超声波的幅值开始减小(由最初的104 V降为14 V),衰减量为90 V，当温度降为-0.2 ℃时,水初步变为固态冰(临界固态),此时,随着温度的下降,温度由-0.2 ℃下降到-22.6 ℃，幅值由14.4 V增长到93 V,增长量为78.6 V.本次实验幅值变化趋势与第一次实验结果基本一致。表1反映了该次淡水冰实验水冰冻过程幅值衰减量与温度关系。

表1 第二次淡水冰实验水冰冻过程幅值衰减量与温度关系

图2 淡水冻结为冰过程超声衰减曲线Fig.2 Ultrasonic attenuation curve during freshwater frozen ice process

为了充分验证实验的结论,在同样的实验条件下进行了第三次实验,第三次淡水冰实验幅值温度关系曲线如图2-c所示。水的温度在0 ℃,-1 ℃时,超声波的幅值在水由液态变为固液混合态过程中开始减小(由最初的104 V降为30.8 V),衰减量为73.2 V；当温度降为-0.2 ℃时,水的状态初步变为临界固态；温度由-0.2 ℃继续下降到-23.3 ℃时,超声波的幅值由30.8 V增长到91.5 V,增长量为60.7 V.本次实验幅值变化趋势与第一、二次实验结果基本吻合;幅值随着温度下降的变化趋势与第二次实验结果基本一致。表2反映了第三次淡水冰实验水冰冻过程幅值衰减量与温度关系。

表2 第三次淡水冰实验水冰冻过程幅值衰减量与温度关系

3次淡水冰实验幅值温度关系曲线对比图如图2-d所示,综合3次淡水冻冰实验得出以下结论:温度下降到0 ℃，-0.1 ℃时,水开始出现结晶,水由液态转化为固液混合状态,超声波在固液混合状态下衰减较大,因而幅值逐渐减小,衰减量为81.6 V;温度由-0.1 ℃向-0.2 ℃跳变时,固液混合态恰好变为固态,此时幅值衰减到最小值;温度继续降低(低于-0.2℃),冰不断冻实过程中,冰密度逐渐增大,临界固态转为固态,结构趋于稳定,最终形成稳定的固态冰,超声波信号幅值开始增大,最终大体稳定在90V,此状态过程中,增长量为69.65V.图3反映了淡水冰(图3-a)、淡水(图3-b)的密度与温度的关系曲线,在一个标准大气压下,0 ℃以下,随着温度降低,淡水冰密度增大。

图3 淡水冰、淡水的密度与温度关系曲线Fig.3 Density and temperature curve of fresh water ice, fresh water

1.3 海冰超声波衰减实验结果分析

地球上各大洋海水平均盐度为34.48 ‰,海水的冰点在-1.9 ℃左右。本组海水实验盐度为33 ‰.该组实验进行了2次。海水冻结为海冰过程低温实验装置与淡水冰的相同。每次海水完全冻结为海冰后,让其缓慢自然融化,获取该过程中温度与超声波幅值衰减的数据,经过连续7 d以上的低温冻结实验,获取了温度与超声波幅度衰减的变化曲线如图4所示。为保证结果分析的准确性,实验数据曲线幅值间隔均取为20 V,温度值间隔为5 ℃.

图4 2015年5月6日—30日海水实验Fig.4 Sea experiments

第一次海冰实验幅值温度关系曲线如图4-a所示。结冰过程中,温度由14.6 ℃降到-1.8 ℃时,海水处于液态并且开始结冰,幅值小幅度增长,增长量为18 V；温度从-1.8 ℃降至-6.7 ℃时,海水由固液混合态逐渐变为固态,幅值小幅度衰减,衰减量为19.5 V；温度继续下降至-16 ℃过程中,固态海冰结构逐渐趋于稳定,超声波信号幅值大幅度衰减,衰减量为81.56 V；温度由-16 ℃降为-22.3 ℃的过程中,超声波信号幅值基本稳定不变,说明伴随海水冰冻结过程出现的气泡,盐泡结构已达到稳定状态；温度由-22.3 ℃继续下降至-22.8 ℃,此时处于负低温状态下,此过程中固态海冰结构稳定,超声波的幅值开始回升,增长量为92.545 V.在自然消融过程中,温度从-22.8℃开始上升至-5.8 ℃过程中,幅值逐渐减小,衰减量为92.22 V;当温度继续回升至0.2 ℃时,此过程处于液态,超声波的衰减特性逐渐减弱,幅值开始增大,增长量为89.72 V.表3反映了海水冰冻过程幅值衰减量与温度关系,表4反映了海冰自然消融过程幅值衰减量与温度关系。

第二次海冰实验幅值温度关系曲线如图4-b所示。本次海冰实验冰冻和消融过程超声波幅值随温度的变化趋势与第一次实验结果基本吻合。表5反映了海水冰冻过程幅值衰减量与温度关系,表6反映了海冰自然消融过程幅值衰减量与温度关系。

图4-c是2次海冰实验幅值温度关系曲线对比图。结合2次海水冻结、消融实验可以得出如下结论:本实验自制海水的盐度为33‰,冰点在-1.8 ℃左右。海冰生成、发展和消融是一个复杂的物理和化学过程,海水结冰其实是其中的水冻结并将其中的盐分挤出来,部分来不及流走的盐分以卤汁的形式被包围在冰晶之间的空隙里形成“盐泡”。此外,海水结冰时,还将来不及逸出的气体包围在冰晶之间,形成“气泡”。因此,海冰实际上是淡水冰晶、卤汁和气泡的混合物。由于其特殊性,海水实验与淡水实验有所不同。在结冰过程中,海水在液态时,在海水中传播的超声波幅值略有增长,增长量为16.5 V;当温度降至-1.9 ℃附近时,海水由液态变为固液混合态,幅值小幅度下降,衰减量为17.5 V;当温度由-6.4 ℃降至-16 ℃过程中,海水冻结为固态,由于盐泡、气泡的出现,结构比较松散,此时幅值开始大幅度下降,衰减量为80.11 V;在温度区间为-16 ℃至-22.2 ℃时,盐泡、气泡结构基本稳定不变,已形成稳定结构的海冰,超声波信号幅值基本稳定不变。在温度低于-22.2 ℃一段时间的负低温状态下,此时固态海冰结构稳定,超声波的幅值开始回升,增长量为62.298 V.在自然消融过程中,温度从-22.8 ℃附近开始上升过程中,幅值逐渐减小,衰减量为61.585 V,说明海冰由固态向固液混合态转变时,超声波幅值衰减最为明显;当温度上升至-4.6℃时,融为液态,超声波的衰减特性逐渐减弱,幅值大幅度上升最终恢复至90 V左右,增长量为88.01 V.

表3 第一次海水实验海水冰冻过程幅值衰减量与温度关系

2 超声波在冰介质中传播特性及仿真分析

2.1 超声波在冰介质中传播控制方程

设总压力为pt,声速为c,介质的密度为ρ,常压热容为Cp,比热率为γ,导热系数为k,背景压力为pb,压力为p,偶极源为Qm,单极源为qd,则超声波在冰介质中的传播方程为:

表4 第一次海水实验海冰消融过程幅值衰减量与温度关系

表5 第二次海水实验海水冰冻过程幅值衰减量与温度关系

表6 第二次海水实验海冰消融过程幅值衰减与温度关系

(1)

介质边界处采用硬声场作为全反射边界条件,控制方程为:

(2)

式中,n为边界方向矢量。

介质边界处采用平面波辐射作为无反射边界条件,控制方程为:

(3)

热绝缘方程为:

(4)

式中,k为传热系数。

温度边界的控制方程:

(5)

式中,T0为设定值。

本文采用正弦波作为入射波进行仿真。表达式为:

(6)

2.2 仿真分析

在进行COMSOL软件仿真时[15-16],采用压力声学瞬态和固体传热模块,结合淡水结冰实验过程进行仿真,主要研究形成淡水冰后超声波衰减与温度变化的关系。仿真模型为边长240 mm的正方形,模型下表面设置为温度边界,其余3边设置为热绝缘边界。模型左右两端采用平面波辐射作为无反射边界,上表面采用硬声场作为全反射边界。在模型下表面点8(110,0)与点9(120,0)之间施加幅值为200 Pa,频率为50 kHz的正弦压力波,作为输入量,模拟超声波发射传感器,取点7(90，0)作为波形接收点，模拟超声波接收传感器，将该点处接收到的波形声压幅值作为输出量。仿真结果得出：该处在温度T=272.95 K，即-0.2 ℃时接收的波形幅值为24.1 Pa；-4.2 ℃时接收到的波形幅值为64 Pa；-15.6 ℃时接收到的波形，幅值为80.5 Pa；-22 ℃时接收到的波形，幅值为87.5 Pa.仿真结果显示，温度从-0.2 ℃到-22 ℃变化过程中，冰从临界固态转变为稳定固态，声压幅值增长量为63.4 Pa，这与淡水冰的实验结果基本一致。

3 结论

第二次海冰实验在5月17日至5月29日进行,受室温的影响,实验冰柜制冷效果不佳,海水结冰周期较长,且海水结冰过程中超声波衰减受到影响(在形成稳定固态冰之后幅值仅恢复至30 V左右)。今后在进行实验研究时充分考虑外界因素的影响,使外界干扰降到最低,进而保证实验结果的准确性。由于该课题处于初步研究阶段,大量工程试验表明,冰的冻结和消融速率的快慢对冰的结构、内部物理参数值的影响是不同的,因而目前的实验数据在应用上具有局限性,在今后研究中应充分考虑这一点。

3.1 淡水冰超声波传播特性结论

图5中实验数据取后两次淡水冰实验接收到的电压信号幅值的平均值。图5反映了淡水冰实验中电压信号幅值、仿真中声压信号幅值与温度的关系。温度从-0.2 ℃降到-22 ℃过程中,淡水冰从临界固态转变为稳定固态,冰密度增大,实验过程中接收到的超声波电压信号幅值从23.1 V到88 V,增长量为64.9 V;仿真结果中声压幅值增长量为63.4 Pa.

图5 淡水实验与仿真结果幅值与温度关系曲线Fig.5 Curve of amplitude and temperature freshwater experiments and simulation results

3.2 海冰超声波传播特性结论

海冰实验中,当温度由-6.4 ℃降至-16 ℃过程中,海水冻结为固态,由于盐泡、气泡的出现,结构比较松散,此时超声波电压信号幅值衰减较大;在温度区间-16 ℃至-22.2 ℃时,盐泡、气泡结构基本稳定不变,超声波信号幅值基本稳定不变。在温度低于-22.2 ℃一段时间的负低温状态下,超声波电压信号幅值开始回升,增长量为62.298 V.由于海水结冰过程中会伴随着气泡、盐泡的出现,而且温度不断下降时它们的结构也在不断变化,与此同时,海冰是淡水冰晶、卤汁和气泡的混合物,和淡水结冰过程以及淡水冰相比,海水结冰过程以及海冰结构较复杂,在COMSOL软件仿真过程中不易对其物理变化过程进行建模,因而,在海冰超声波传播特性这部分仅进行了实验。在今后的研究中,积极探索,找到适合对海水结冰过程进行仿真分析的软件并进行研究,进一步验证海冰实验结论的正确性。

[1] SURESH B,CHEE KIONG SOH.Electro-mechanical impedance modeling for adhesively bonded piezo-transducers[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2004,15(12):955-972.

[2] HUANG Haiying,DANIEL P.Broadband electrical impedance matching for piezoelectric ultrasound transducers[J].IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2011,58(12):2699-2707.

[3] 蒋锟林.压电换能器匹配电路的设计[J].电声技术,2012,36(9):26-29.

[4] ANNAMDAS V G,CHEE KIONG SOH.An electromechanical impedance model of a piezoceramictransducer-structure in the presence of thick adhesive bonding[J].Smart Materials and Structures,2007,16(3):673-686.

[5] 王浩全,韩焱,曾光宇.非金属复合材料超声波衰减系数测定研究[J].测试技术学报,2002,16(4):249-251.

[6] 马浪,郭建中,刘波.软组织超声散射子频率特性的研究[J].压电与声光，2011,33(5):761-766.

[7] 李军文,桃野正,等.超声波功率对铸锭内的气孔及组织细化的影响[J].铸造,2007,56(2):152-157.

[8] 姚丽,胡宇,赵海峰.超声波泥水密度检测影响因素的研究[J].计算机仿真,2014,31(10):259-263.

[9] 张翔,陈军,林莉,等.复合材料孔隙形貌特征对超声波散射衰减影响的分析[J].中国机械工程,2012,21(14):1735-1745.

[10] 华志恒,周晓军,李凌.碳纤维复合材料对超声衰减的频域分析[J].复合材料学报,2006,23(2):123-128.

[11] COX.G F N,WEEKS W F.Equations for determining the gas and brine volumes in sea-ice Samples[J].Glaciology,1983,29(102):306-316.[12] LI Zhijun,PENG Wanwei,ZHANG Tao.Effect of porosity on the uniaxial compressive strength of ice in Liaodong Gulf[C]∥Hokkaido Okhotsk Sea and Cold Ocean Research Association.Hokkaido:Abstracts of 10th International Symposium on Okhotsk Sea, Sea Ice and People,1995:358-363.

[13] COLE D M.On the relationship between the physical and mechanical properties of sea ice[C]∥Proceedings of the 13th International Symposium Ice.Beijing: Chinese Hydraulic Engineering Society,1996,3:913-930.

[14] 李志军,DEVINDER S S,卢鹏.渤海海冰工程设计参数分布[J].工程力学,2006,23(6):167-172.

[15] 卢旭,陈智军,黄鑫，等.基于COMSOL的声表面波标签仿真[J].压电与声光，2012,34(4):494-497.

[16] HAN Gang,ZHANG Jinying,LI Baoliang,et al.A novel FEM method of modeling and visualization[J].2012 Second International Conference on Instrumentation & Measurement,Computer,Communication and Control，2012,7(1):1476-1479.

(编辑：刘笑达)

Experimental and Simulation Research on the Propagation Characteristics of Ultrasonic Wave in Ice

LIU Huihui,DOU Yinke,CHANG Xiaomin,CHEN Yan,LIU Lei,ZHOU Yunxiao

(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

We designed ultrasonic propagation test equipment of ice by ultrasonic transmission principle,analyzed the relationship between attenuation and temperature when the ultrasonic wave propagated in ice by measuring wave amplitude changes through ice in the experiment,and made simulation analysis for attenuation of ultrasonic propagation in ice.The simulation and experimental results show that magnitude decayed significantly with ice temperature when ultrasonic wave propagated in ice,and that its signal amplitude had negative attenuation with decreasing temperature while ultrasonic wave propagated in freshwater ice and sea ice in the experiment.

ultrasonic wave;ice;attenuation characteristic;temperature

1007-9432(2016)03-0373-06

2015-09-26

国家自然科学基金资助项目：基于电容感应技术的海冰厚度监测方法的研究(41176080)

刘慧慧(1990-)，女，山西长治人，硕士研究生，主要从事新型传感器技术及其超声波检测技术研究,(E-mail)503942887@qq.com;

窦银科，博士生导师，教授，主要从事自动化装置、智能监测诊断及控制、新型传感器技术等研究，(E-mail)365033480@qq.com

TB553

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.03.018