ADV测量细颗粒泥沙浓度的适用性

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ADV 测量细颗粒泥沙浓度的适用性

引言

声学设备对小尺度泥沙过程的测量具有无干扰和高时空分辨率的巨大潜力，在过去的三十年已

经逐渐被泥沙研究者所接受。如 ADV（Acoustic Doppler Velocimeter）通过传感器向水体发射

一定频率的声波，经过传感器下方若干厘米处颗粒的反向散射后再由传感器接收，根据多普勒

频移，反向散射波的频率由于颗粒的移动而发生变化且与颗粒的运动速度成比例，若假设颗粒

运动的速度与水体一致，则 ADV 通过传感器接收反向散射声波频率的变化可测得颗粒运动速

度，即水体的流速。

当波长为 λ 的声波在介质中传播遇到直径为 d 的圆形颗粒时，根据波长和颗粒直径的大小关

系，产生的反向散射波可由 Mie 理论或者简化的 Rayleigh 散射描述，反向散射波的强度主要受

颗粒粒径、颗粒浓度以及颗粒反射特性等的影响，因此，在其他条件相同的情况下，可建立

ADV 反向散射声波与颗粒浓度的关系，即用 ADV 进行颗粒浓度的测量。基于声波散射理论，

很多学者研究了散射强度和泥沙浓度的关系。然而，这些研究主要针对低浓度的较粗泥沙颗

粒，对细颗粒（如黏粒和粉砂粒）的研究较少。朱中凡等的试验表明，细颗粒泥沙在水体中会

发生絮凝，而絮凝对 ADV 测量泥沙浓度的影响尚未清楚。Ha andHsu 等曾利用 ADV 测量了细

颗粒泥沙浓度，认为浓度较低时，ADV 声波散射强度与泥沙浓度呈线性关系。Fugate and

Friedrichs 认为，ADV 散射信号对黏性沙絮团并不敏感，原始颗粒的作用更大。Maa andKwon

认为絮凝情况下的反向散射强度与浓度的关系尚待进一步的试验验证。因此，对于细颗粒泥沙

而言，前述的理论能否适用还不明确，细颗粒泥沙发生絮凝的情况下，是否引起声波散射强度

和浓度关系曲线的变化，声波散射强度是受絮团的大小和形状的控制还是受原始颗粒的特性控

制还不清楚。

总体来看，ADV 具有较高的时空分辨率（0.1s，1cm），对流体的干扰较小，用来测量非黏性

沙浓度比较成熟。对于黏粒或者粉砂粒等细颗粒泥沙，其适用性还需要进一步的研究。本文旨

在通过试验研究不同浓度、不同粒径和不同声波频率对 ADV 反向散射信号的影响，进而分析

ADV 测量细颗粒泥沙浓度的适用性，以期为细颗粒泥沙浓度的测量提供依据。

1 ADV 信号处理

ADV 反向散射声波强度的大小用传感器接收到的信号表示，包括 Amp 和SNR 两个参

数。Amp 是颗粒反向散射声波的原始信号，用来衡量水体中是否含有足够的颗粒来完成测量；

SNR 为信噪比，其值越大，噪声的影响越小，测量精度越高。利用 ADV 测量含沙量时，有的

研究使用了 SNR ，但是 SonTek ADV 技术文档中明确推荐使用 Amp，也被多数研究所采用，

本研究采用 Amp 信号。

1.1 信号的转化

ADV 测得的 Amp 信号以 Count 计，1Count 等于 0.43dB，dB 是一个计数单位，无量纲。将

Amp 转换为反向散射声波强度 BSI（backscatter acoustic intensity）时可采用下式：【1】

式中，a 是为了避免 BSI 过大而不利于分析所采用的一个系数。

用ADV 进行测量时，3 个接收器可获得3 个Amp 值，该浓度下的反向散射声波强度可取3 个

信号分别转化为 BSI 后的平均值，即【2】

本文中以后出现的反向散射声波强度 BSI 都采用此方法计算。

1.2 信号的敏感性及衰减

根据散射理论，颗粒直径 d 和声波波长 λ 满足pd/λ 等于 1 时，反向散射波的强度最大。对于较

细颗粒（pd/λ<1 ），随着颗粒粒径的减小，散射后的声波强度以粒径的 4 次方的幅度减小，而

对于较粗颗粒（pd/λ>1），声波散射信号的强度与 pd/λ 的2 次方成反比，BSI 与颗粒粒径的关

系见图 1。【图 1】

对于特定声波频率的 ADV ，如 16MHz ADV 的波长为 94?m ，则最敏感粒径为

0.029mm。6MHz ADV 声波波长为 250?m ，则最敏感粒径为 0.08mm。可见，声波波长越小，

对细颗粒的敏感性越高。

声波由水体中泥沙颗粒的反向散射被 ADV 接收，颗粒越多则散射越充分，ADV 接收到的信号

也越强，但是泥沙颗粒超过一定浓度后，颗粒间的多次散射又会导致信号的衰减。Ha and Hsu

等用三种ADV（5、10、16MHz）测量粘性沙的浓度，发现对不同频率 ADV 及粒径组成均存

在一个浓度的上限值，达到该值后 ADV 信号达到最大，超过该浓度后 ADV 信号逐渐衰减。

实际上低浓度时也存在声波信号的衰减，但衰减为常数，测量时可以不考虑。因此利用 ADV

测量泥沙浓度时，可能会受限制于一定的浓度范围内。

1.3 温度和盐度对 ADV 信号的影响

声波在水中的波速约为1500m/s 左右，是水体温度和盐度的函数。一定频率的声波穿透不同温

度和盐度的水体时，频率不变而速度变化，导致声波的波长发生变化。根据散射理论，颗粒对

不同波长的声波的敏感性不同，导致散射信号和浓度的关系发生变化。另一方面，ADV 的取

样由声速自动控制，声速的变化会导致测量的误差。因此，实际测量时需要考虑二者的影响。

2 试验设备、材料和方法

2.1 ADV

本文采用两种ADV 进行细颗粒泥沙浓度的测量，一种是实验室用16MHz 的SonTek ADV，一

种是野外用6MHz 的NorTek ADV ，二者的相关参数见表1。【表1】

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摘要：

ADV测量细颗粒泥沙浓度的适用性引言声学设备对小尺度泥沙过程的测量具有无干扰和高时空分辨率的巨大潜力，在过去的三十年已经逐渐被泥沙研究者所接受。如ADV（AcousticDopplerVelocimeter）通过传感器向水体发射一定频率的声波，经过传感器下方若干厘米处颗粒的反向散射后再由传感器接收，根据多普勒频移，反向散射波的频率由于颗粒的移动而发生变化且与颗粒的运动速度成比例，若假设颗粒运动的速度与水体一致，则ADV通过传感器接收反向散射声波频率的变化可测得颗粒运动速度，即水体的流速。当波长为λ的声波在介质中传播遇到直径为d的圆形颗粒时，根据波长和颗粒直径的大小关系，产生的反向散射波可由Mi...

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