一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置

本发明涉及极地声学、极地海洋科学和超声学，是一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置。

背景技术：

1、在极地等极寒地区，对海洋冰层的观测是了解极地海洋环境的必要过程。近年来，利用高频段超声对冰层进行勘探逐渐兴起。而在基于超声的海冰勘探手段中，海冰冰层厚度和冰中声速存在密切关系，彼此相互依存。测量海冰冰中声速时，需要提前测量海冰厚度；同时在利用超声技术测量海冰厚度时，需要提前预估冰中声速。因此，针对海洋冰层的超声观测，需要同时测量海冰厚度和冰中声速。极地海洋环境中海冰厚度是极地海洋科学研究的重要观测对象，同时海冰声速本身也是极地环境中声学应用的最核心参数。

2、现有一种基于超声换能器密集线阵的冰厚和声速联合测量手段，该方法已能实现在实验室环境中的冰层厚度和冰中声速联合测量。如图1所示，在此方法中，多个接收换能器同时接收冰水界面的回波，并根据超声波传播路径实现冰层厚度(表示为d)和冰中声速(表示为v)的同步测量。测量过程中，超声换能器的间距r以及换能器是否处于同一平面会影响超声波传播路径的判断，从而影响测量结果的准确性。此基础上，由于不同频段超声波衰减不同，因此不同主频超声换能器需要设置不同的间距，以确保接收效果最佳。因此，在布放、耦合超声换能器过程中需要控制超声换能器间距以及确保所有换能器是否处于同一平面。为实现对换能器间距的有效控制，需要在测量过程中清除冰层表面的雪层和不规则起伏。此外，直接将换能器耦合到冰层上可能会导致发射超声换能器与接收超声换能器之间的直达波干扰，影响冰水界面反射波的判断。

3、在极地环境中，由于恶劣天气和操作人员穿着防寒服的影响，通常很难准确控制超声换能器的间距，也无法确保所有换能器都位于同一平面上。在一般情况下，超声波检测需要选择透声性、润湿性和粘度等要求的专用耦合剂。然而，在极地外场环境中，随着环境温度的急剧下降和耦合对象的变化，常规耦合剂的性能可能会发生变化，从而影响超声波对冰层的测量效果。由于操作和耦合剂性能的变化，冰层超声观测结果的精度可能会有较大波动。

4、针对超声波冰厚和声速联合测量在外场低温环境中操作过程面临的换能器布放操作繁琐、间距不易精确控制、传感器在同一水平面布放难度大的现实困难，本发明提出一种适用于冰层的优化联合超声探头快速耦合装置，旨在提高超声冰层测量操作的灵活性和改善在外场低温作业环境精度下降难题，同时保障测量效果及工作稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明为了解决在外场低温环境中超声冰层测量操作过程中多个超声换能器间距不易精确控制，和冰层耦合操作繁琐的问题，本发明提供一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置。

2、本发明提供了一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置，本发明提供了以下技术方案：

3、一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置，其特征是：所述装置包括：加热板、加热控制手柄、连杆、换能器压紧部件和超声换能器；

4、换能器压紧部件将超声换能器固定在加热板上，换能器压紧部件连接连杆，所述连杆连接加热控制手柄。

5、优选地，加热板为一端有开槽的长方形金属板，金属板内夹放电热丝，金属板正面为等间隔超声换能器固定位，底面为平面。

6、优选地，超声换能器的固定位以等间距r设计，用于固定超声换能器。

7、优选地，换能器压紧部件为圆柱体橡胶材质，安装于连杆下方，设计为可更换结构，用于适配不同高度超声换能器，用于压紧超声换能器，并辅助超声换能器与加热板的耦合。

8、优选地，加热控制手柄上设置有控制开关，用于控制加热底座工作与否。

9、优选地，连杆为空心杆，加热控制手柄与连杆一段固定，控制线从连杆内部穿过，与加热板连接。

10、优选地，超声换能器顺序为1个发射超声波换能器位于底座开槽左侧和多个接收超声波换能器位于开槽右侧。

11、一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置的操作方法，所述方法包括以下步骤：

12、步骤1：抬起连杆，将超声换能器放置在底座的超声换能器固定位，超声换能器与底座间隙需用超声耦合剂填充，随后放下连杆，压实超声换能器，等待超声耦合剂固化；

13、步骤2：超声耦合剂固化后，将装置整体放置在待测冰层上方，按下控制手柄处加热控制按钮，观察待测冰面上积雪与不规则起伏是否完全被清除，即装置下方表面平坦否；待平坦后停止加热，装置即置于原处。

14、步骤3：待冰层融水自然冻结并将加热铁片与冰层完全耦合后，开始对冰层厚度与冰中声速测量。

15、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，以用于实现一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置的操作方法。

16、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置的操作方法。

17、本发明具有以下有益效果：

18、本发明与现有技术相比：

19、本发明的装置为一体式结构，使得布放和耦合超声换能器更为简便；本发明的超声换能器间距可调整，适用于不同频段的超声换能器，提高了装置的灵活性和适用性；底板采用挖孔结构，减少了直达波对冰层测量的干扰。

20、本发明的装置设计使得超声换能器无需直接接触冰水，有效保护了换能器和线缆，延长了设备的使用寿命；所有用于测量的超声换能器均良好地固定在同一平面上，确保了测量的精确性和一致性；加热板的设计使得各传感器位置与冰面的耦合效果具有较高的一致性，提高了测量结果的可靠性和稳定性。

21、本发明提供的装置适用于在寒冷环境中冰面上进行快速检测和勘察，可广泛应用于极地科学研究，冰川检测等领域。

技术特征：

1.一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置，其特征是：所述装置包括：加热板、加热控制手柄、连杆、换能器压紧部件和超声换能器；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是：

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是：

7.根据权利要求3所述的装置，其特征是：

8.一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置的操作方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行，以用于实现如权利要求8的方法。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征是：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8的方法。

技术总结本发明是一种适用于冰层测量的超声换能器快速布放和耦合装置。本发明涉及极地声学、极地海洋科学和超声学技术领域，本发明装置包括：加热板、加热控制手柄、连杆、换能器压紧部件和超声换能器；换能器压紧部件将超声换能器固定在加热板上，换能器压紧部件连接连杆，所述连杆连接加热控制手柄。本发明的装置为一体式结构，使得布放和耦合超声换能器更为简便；本发明的超声换能器间距可调整，适用于不同频段的超声换能器，提高了装置的灵活性和适用性；底板采用挖孔结构，减少了直达波对冰层测量的干扰。技术研发人员：张宇翔,韦彤睿,徐坤杰,马嗣宇受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2