[發明專利]水庫滲漏多普勒探測儀用三向水聽器陣列探頭

有效

• 申請號: 201310556307.5
• 申請日: 2013-11-11
• 公開（公告）號: CN103592462A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 李廣超;朱培民
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;G01S15/06;G01S7/521
• 代理公司: 武漢華旭知識產權事務所 42214
• 代理人: 江釗芳

技術領域

本發明涉及一種探測設備的重要部件，具體地說是一種應用在水庫滲漏探測儀上的三向水聽器陣列探頭，是直接探測水庫滲漏源的專用傳感器，主要作用是完成水庫滲漏探測儀發射和接收超聲波的功能，用于獲取庫水流速參數，確定水庫滲漏流場的分布。

背景技術

目前我國已經成為世界上的水利水電大國，建成的大壩有8.7萬多座，但目前全國仍有4萬多座中小型水庫存在病險問題。很多水庫因大壩滲漏已經不敢蓄水，讓水資源白白的流走，在需要水時還要抽取地下水，形成了巨大的浪費。

導致大壩滲漏的原因眾多，這加大了病險水庫改造工作的難度，迫切需求能夠探測滲漏位置的方法技術。水庫的滲漏探測一般情況下是利用一些物探的方法進行探測，常用的自然電位法、充電法、溫度場法等，配合一些其他方法也能解決一些問題。但很多滲漏問題難以利用這些方法進行探測，主要原因：一是因為常規物探方法都是間接測量方法，不能直接獲得滲漏流場數據，二是因為大壩滲漏的原因很多，可能是繞壩滲漏、大壩的基礎滲漏、大壩壩體滲漏等，再加上壩體結構和防滲的多樣性，前述的一些方法可能束手無策；另外，即使滲漏位置找到了，進行了處理，那么處理的效果怎么樣呢？因此需要從源頭上尋找到滲漏位置，并且還能夠連續監控該位置的滲漏處理是否到位。鑒于此，研究開發一種直接測量滲漏流場，且準確、快捷、方便、低成本的探測儀器十分急需，也顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的是針對當前滲漏水庫占病險水庫比例高，滲漏位置探測難度大、成本高、精度差等問題，而提供一種基于多普勒效應原理，利用超聲波在水體流動的影響下，傳播過程中會發生頻率變化的特性，用于獲取庫水流速參數，確定水庫滲漏流場的分布，確定滲漏位置的探測儀器專用的三向水聽器陣列探頭。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案是：提供一種水庫滲漏多普勒探測儀用三向水聽器陣列探頭，包括水聽器，所述的水聽器共有三組組成水聽器陣列；采用互相垂直的六通塑膠管在X、Y、Z三維方向上各連接二段塑膠管，每一組有兩個水聽器分別安裝在同向的二段塑膠管壁上，兩個水聽器的連線與所在塑膠管的軸線相交；每一組的兩個水聽器其中一個用于發射，另一個用于接收；所述的發射水聽器通過水庫滲漏多普勒探測儀的收發電路模塊激發超聲波信號，接收水聽器接收經過水體傳播過來的超聲波信號，通過三向水聽器陣列實現超聲波信號的三維采樣。

本發明所述的三向水聽器陣列探頭設有連接發射、接收、控制電路的接口，每一組的兩個水聽器結構相同，在探測儀總控電路的指令下可進行發射和接收互換，每一個方向的實際測量為該方向上一組水聽器發射接收互換測量的綜合。

本發明所述的水聽器的中心頻率為1MHz。

本發明所述的各向塑膠管直徑d為10～20cm，每向塑膠管連接后總長度為25～50cm，塑膠管由低密度低速材料制成。

本發明三向水聽器陣列探頭的測量原理是：本發明基于水下多普勒滲漏探測技術，利用聲波在傳播過程中的多普勒效應：波在波源移向接收者時接收頻率變高，而在波源遠離接收者時接收頻率變低。當接收者移動、波源不動時也能得到同樣的結論。根據運動的相對性，當波源和接收者固定在相對靜止的地方，而介質在波源和接收者之間移動，波在傳播過程中的頻率也發生相應的變化。水體流動時，三向水聽器陣列中每一組的發射水聽器發出的超聲波，經過水體的傳播由同組中接收水聽器接收到，當水流由發射水聽器流向接收水聽器時，接收到的頻率是變小的，當水流由接收水聽器流向發射水聽器時，接收到的頻率是變大的；通過測試發射水聽器和接收水聽器之間的聲波頻率變化量，就可以確定水流的速度和滲漏情況，考慮到水流方向不可能正好處在收、發水聽器的連線上，因此采用三組相互垂向的水聽器組成陣列，自動逐向測試各個方向的水流場。本發明的探頭在三維方向上獲得超聲波信號經由水庫滲漏多普勒探測儀內置單片計算機的配套軟件對信號進行多普勒效應分析，分別獲得三個方向的水體流速，并最終還原為水體真實流速。

本發明的水庫滲漏多普勒探測儀用三向水聽器陣列探頭具有的效果是：

1、本發明首次提出基于超聲波在流動水體中傳播時產生的多普勒效應原理，用于探測超聲波在流動水體中頻率和時間的變化，測量滲漏流場，確定滲漏位置，對于小流量的滲流也能精確定位。

2、本發明的探頭靈敏度高、操作簡單，是直接探測水庫滲漏源的專用傳感器，適用繞壩滲漏、大壩的基礎滲漏、大壩壩體滲漏等各種情況，從根本上解決除險加固問題中滲漏水庫的探測問題。

3、本發明水庫滲漏多普勒探測儀用三向水聽器陣列探頭使用方便，利于推廣。

附圖說明