[發(fā)明專利]一種深海模擬聲學(xué)實驗臺及其使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310392247.8
• 申請日: 2013-09-02
• 公開（公告）號: CN103454684A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦華偉;胡杭民;袁惠得;韓冀皖;陳鷹;邱文
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01V1/38
• 分類號: G01V1/38
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

1.一種深海模擬聲學(xué)實驗臺，包括水箱系統(tǒng)（01）、調(diào)壓保壓系統(tǒng)（02）、氣泡發(fā)生系統(tǒng)（03）、水箱壓力保護系統(tǒng)（04）和聲學(xué)系統(tǒng)（05），其特征在于：

所述水箱系統(tǒng)（01）包括密閉的水箱外殼(101)、密封圈（102）、鎖緊卡箍（103）、支撐臺架(104)、自動開啟裝置（105）、溫度計（106）、壓力補償器（107）以及若干連接通道，其中水箱外殼（101）由鐵質(zhì)材料制成框架，除底面外的五個面均配有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕的有機玻璃或石英玻璃制成的玻璃窗（110），水箱外殼（101）由水箱蓋（108）和水箱體（109）組成，并由水箱蓋（108）兩側(cè)的鎖緊卡箍（103）將兩者鎖緊固定，結(jié)合處由密封圈（102）確保密封無隙；支撐臺架（104）位于水箱體（109）底部；自動開啟裝置（105）安裝于水箱蓋（108）上部中央；溫度計（106）安裝于水箱蓋（108）左側(cè)上；壓力補償器（107）安裝于水箱體（109）右側(cè)中部；分別位于水箱體（109）左側(cè)的兩個連接通道和右側(cè)、底部的兩個連接通道作為調(diào)壓保壓系統(tǒng)（02）、氣泡發(fā)生系統(tǒng)（03）、水箱壓力保護系統(tǒng)（04）、聲學(xué)系統(tǒng)（05）與水箱系統(tǒng)（01）之間的接口；

所述調(diào)壓保壓系統(tǒng)（02）包括第一氣體壓縮機（201）、前調(diào)壓二通閥（202）、模擬海水箱（203）、調(diào)壓穩(wěn)壓閥（204）、調(diào)壓流量計（205）、液體增壓泵（206）、液體增壓泵二通閥（207）、調(diào)壓壓力表（208）、調(diào)壓三通閥（209）、后調(diào)壓二通閥（210）、保壓三通閥（211）、保壓壓力表（212）、回流二通閥（213）、第一控制器（214）以及泄壓閥（215）；所述第一氣體壓縮機（201）具有兩個出口，其中一個出口與前調(diào)壓二通閥（202）的一端相連，另一個出口與位于水箱（01）頂部的回流二通閥（213）的一端相連，回流二通閥（213）的另一端與水箱（01）相連；所述調(diào)壓前二通閥（202）的另一端與模擬海水箱（203）的一個接口相連，模擬海水箱（203）另外兩個接口中的一個接口由管道連接至調(diào)壓穩(wěn)壓閥（204）的進口，另一個接口由管道連接至泄壓閥（215）的出口，泄壓閥（215）進口與調(diào)壓三通閥（208）、后調(diào)壓二通閥（210）之間的管道相連；所述調(diào)壓穩(wěn)壓閥（204）出口與調(diào)壓流量計（205）的一端相連，調(diào)壓流量計（205）另一端與調(diào)壓三通閥（209）的左側(cè)進口相連；調(diào)壓三通閥（208）的右側(cè)出口與后調(diào)壓二通閥（210）的一端相連，上側(cè)出口與調(diào)壓壓力表相連（208）相連；后調(diào)壓二通閥（210）的另一端與水箱（01）相連；液體增壓泵二通閥（207）的一端與液體增壓泵（206）相連，另一端與與調(diào)壓流量計（205）和調(diào)壓三通閥（209）之間的管道相連；液體增壓泵（206）外接第一控制器（214）；位于水箱頂部的保壓三通閥（211）配有保壓壓力表（212）；

所述氣泡發(fā)生系統(tǒng)（03）包括壓力表（301）、流量計（302）、穩(wěn)壓閥（303）、節(jié)流閥（304）、曝氣裝置（305）以及第二氣體壓縮機（306）；其中曝氣裝置（305）位于水箱（01）右下側(cè)；第二氣體壓縮機（306）出口與節(jié)流閥（304）進口相連；節(jié)流閥（304）的出口與穩(wěn)壓閥（303）的進口相連；穩(wěn)壓閥（303）的出口與流量計（302）的一端相連；流量計（302）的另一端與壓力表（301）的一端相連；壓力表（301）的另一端與曝氣裝置（305）相連；

所述水箱壓力保護系統(tǒng)（04）包括第二控制器（401）、電磁閥（402）、氣動閥（403）、防爆閥（404）、盛水器（405）以及第三氣體壓縮機（406）；其中電磁閥（402）進口與水箱（01）相連，出口與氣動閥（403）的進口相連，同時外接第二控制器（401）、第三空氣壓縮機（406）；氣動閥（403）的出口與盛水器（405）相連；其中防爆閥（404）的進口連接于水箱（01）與電磁閥（402）之間的管道，出口連接于盛水器（405）；第二控制器（401）配有壓力傳感器；?

所述聲學(xué)系統(tǒng)（05）包括信號發(fā)生器（503）、功率放大器（502）、超聲波探頭（501）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（504），其中超聲波探頭（501）集超聲波發(fā)生和接收于一體，布放于水箱（01）的左側(cè)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（504）包括數(shù)據(jù)采集卡和計算機，與超聲波探頭（501）的信號輸出端相連；功率放大器（502）的輸出端與超聲波探頭（501）的信號輸入端相連，?功率放大器（502）的輸入端與信號發(fā)生器（503）的信號輸出端相連。

2.使用如權(quán)利1所述的深海模擬聲學(xué)實驗臺的方法，其特征在于該方法包括水箱裝配、調(diào)壓保壓、氣泡發(fā)生、聲學(xué)探測四個部分，具體步驟如下：

A、水箱裝配過程：

A-1開始裝配前，按照實驗要求，在水箱內(nèi)部布置好相關(guān)實驗設(shè)備；再將氣泡發(fā)生系統(tǒng)（02）中的曝氣裝置（205）以及聲學(xué)系統(tǒng)（05）安裝完畢，同時將調(diào)壓保壓系統(tǒng)（03）、水箱壓力保護系統(tǒng)（04）與水箱系統(tǒng)（01）之間的接口安裝完畢；然后由自動開啟裝置（105）將水箱蓋（108）合上，水箱蓋（108）和水箱體（109）之間由密封圈（102）確保密封無隙，并由鎖緊卡箍（103）將兩者箍緊，保證在水箱（01）高壓狀態(tài)下始終處于密封狀態(tài)；其中溫度計（106）作為水箱蓋（108）的內(nèi)嵌部件，壓力補償器（107）作為水箱體（109）的內(nèi)嵌部件，兩者在水箱蓋（108）合上時，即開始工作；整個裝配過程在支撐臺架（104）上完成；?

A-2當(dāng)實驗操作完畢后，水箱（01）內(nèi)降為常壓后，可由自動開啟裝置（105）自動開啟水箱（01）；

B、調(diào)壓保壓過程：

B-1調(diào)壓前，水箱系統(tǒng)（01）中充滿著空氣，壓強為大氣壓，保壓三通閥（211）的閥門處于打開狀態(tài)，其他所有閥門均處于閉合狀態(tài)；

B-2加壓時，打開前調(diào)壓二通閥（202）、調(diào)壓穩(wěn)壓閥（204）、后調(diào)壓二通閥（210）以及調(diào)壓三通閥（209）左側(cè)進口和右側(cè)出口之間的閥芯（使左側(cè)進口和右側(cè)出口打開，上側(cè)出口關(guān)閉），由第一氣體壓縮機（201）產(chǎn)生氣源，將模擬海水箱（203）中的液體擠入水箱系統(tǒng)（01）中，待保壓三通閥（211）初有連續(xù)水流流出時，關(guān)閉前調(diào)壓二通閥（202），同時第一氣體壓縮機（201）停止工作；調(diào)壓保壓系統(tǒng)（02）中的所有閥門均關(guān)閉；此時，保持調(diào)壓三通閥（209）左側(cè)進口和右側(cè)出口打開，上側(cè)出口依然關(guān)閉，根據(jù)實驗要求在調(diào)壓壓力表（208）處設(shè)定水箱（01）所要達到的壓強值，并打開液體增壓泵二通閥（207）和后調(diào)壓二通閥（210），由第一控制器（214）控制液體增壓泵（206）開始工作，不斷地給水箱（01）增壓，當(dāng)達到實驗要求壓強時，調(diào)壓三通閥（209）的左側(cè)進口立即關(guān)閉，上側(cè)出口打開，同時第一控制器（214）發(fā)出命令，液體增壓泵（206）停止工作，此時調(diào)壓壓力表（208）處實時監(jiān)測并顯示水箱（01）的壓強，若有變化，調(diào)壓三通閥（209）的上側(cè)出口立即關(guān)閉，左側(cè)進口打開，第一控制器（214）立即啟動液體增壓泵（206）給水箱（01）增壓，當(dāng)水箱達到指定值時候，停止工作，調(diào)壓三通閥（209）也恢復(fù)左側(cè)進口關(guān)閉，右側(cè)和上側(cè)出口打開的狀態(tài)，如此周而復(fù)始，從而達到保壓的功能；保壓壓力表（212）處顯示的數(shù)據(jù)是水箱（01）頂部的壓強，作為實驗的備用參數(shù)；

B-3泄壓時，當(dāng)處于某壓強的實驗環(huán)節(jié)結(jié)束時，需要泄壓，此時使液體增壓泵（206）和第一控制器（214）停止工作?，關(guān)閉所有閥門，只將后調(diào)壓二通閥（210）和泄壓閥（215）打開，水箱（01）中的液體排入模擬海水箱（203），水箱（01）中恢復(fù)常壓；然后再打開回流二通閥（213），由第一氣體壓縮機（201）產(chǎn)生氣源，將水箱（01）中剩余的液體全部排入模擬海水箱（203）中；

B-4調(diào)壓時，B-2步驟中加壓完畢后，若要實現(xiàn)水箱（01）中的壓強比現(xiàn)有壓強大，則由第一控制器（214）和液體增壓泵（206）在B-2步驟的基礎(chǔ)上繼續(xù)增壓到指定壓強即可；若要實現(xiàn)水箱（01）中的壓強比現(xiàn)有壓強小，則參照B-3步驟，各個閥均設(shè)置在B-3步驟的狀態(tài)，并在泄壓閥（215）設(shè)定一個指定壓強值，開始泄壓；當(dāng)水箱（01）中達到指定壓強時，各個閥恢復(fù)到B-2步驟的狀態(tài)，并由第一控制器（214）和液體增壓泵（206）共同作用，實現(xiàn)保壓；

B-5實驗過程中，水箱（01）中壓強非常大，存在著一定的危險性，為保證實驗安全，水箱壓力保護系統(tǒng)（04）起到非常重要的作用；當(dāng)水箱（01）中壓強超過一定安全值時，第二控制器（401）發(fā)出命令，在第三氣體壓縮機（406）的氣源作用下，氣動閥（403）打開，為水箱（01）泄壓，從而達到保護的作用；同時，防爆閥（404）水箱（01）達到極限壓強時，自動打開，為水箱（01）泄壓；

C、氣泡發(fā)生過程：

在上述步驟均完畢后，水箱（01）已處于模擬深海狀態(tài)，由第二氣體壓縮機（306）壓入氣體，并在節(jié)流閥（304）、穩(wěn)壓閥（303）、流量計（302）、壓力表（301）以及曝氣裝置（305）的共同作用下，產(chǎn)生物理、化學(xué)可設(shè)置的氣泡；其中通過第二氣體壓縮機（306）壓入氣體的化學(xué)成分不同，可以控制所產(chǎn)生氣泡的化學(xué)成分；通過調(diào)整曝氣裝置中曝氣板小孔孔徑的尺寸，可以控制氣泡的尺寸大小；通過調(diào)整曝氣裝置中曝氣板小孔的數(shù)量以及氣體的流量，可以控制氣泡產(chǎn)生的數(shù)量和速度；

D、聲學(xué)探測過程：

待產(chǎn)生的氣泡處于實驗要求狀態(tài)后，由信號發(fā)生器（503）發(fā)出實驗預(yù)設(shè)頻率的信號，通過功率放大器（502）調(diào)整后，將信號輸入超聲波探頭（501），發(fā)出超聲波；超聲波遇到氣泡等目標物后，聲波將被反射，以一定的路徑返回，由超聲波探頭（501）接收，最后由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（504）進行數(shù)據(jù)分析處理，得出聲學(xué)探測深海礦藏的機理。