[发明专利]高压三轴声学测试系统

说明书

技术领域

本发明属于海底声学技术领域，具体涉及高压三轴声学测试系统。

技术背景

海底沉积物赋存于不同水深与埋深环境中，其地声属性受海底沉积环境(应力、温度、化学等)与沉积物物理力学性质(颗粒排列方式、骨架结构、孔隙度等)共同影响。其中，应力环境对海底沉积物地声属性的影响是海底声学研究中需要解决的一个重要科学问题。海底沉积物所处应力环境由两部分组成：一是由水深决定的作用于海底的静水压应力环境(水深应力环境)；二是由埋深决定的上覆沉积物自重产生的地应力环境(埋深应力环境)。水深与埋深对海底沉积物地声属性的应力效应不清楚，限制了原位应力环境下海底沉积物地声属性参数的精确获取与海底声场结构的准确认知。

对于应力环境下海底沉积物地声属性响应过程与机理的实验室研究方法目前可划分为静力、动力和波动等三类方法。静力方法以高精度的三轴试验和循环扭剪试验为代表，它通过高精度的力和位移传感器直接测定土体在小应变情况下的应力–应变关系，然后计算小应变剪切模量。动力方法以共振柱为代表，它通过改变对土样施加激振的频率来确定土体的固有(共振)频率，然后基于动力学理论确定土体的剪切模量。目前共振柱方法是公认的测定小应变剪切模量最可靠的方法。波动方法以弯曲元为代表，直接测定土体的剪切波速，然后根据波动理论计算土体小应变剪切模量。弯曲元测试具有原理简单、操作方便、成本低、无损检测和易于移植等特点，近年来已被广泛安装在三轴仪和固结仪等常规土工试验设备中用来测定土体的小应变剪切模量。

但是目前已有应力环境下沉积物声学性质的测量普遍是针对剪切模量与剪切波速，对于海洋地质学家普遍关注的压缩波速应力环境下的测量系统很少。

发明内容

针对上述技术问题，本发明基于三轴测量系统基本测量原理，提供一种高压三轴压应力环境声学测量系统，应用于应力环境下分别开展不同类型海底沉积物地声属性响应过程与机理的研究。具体的技术方案为：

高压三轴声学测试系统，包括压力室、围压加载系统、反压加载系统、轴压加载系统；

所述的压力室为竖直的舱体，舱体上下端分别有上端盖和下端盖；所述的上端盖通过两个连接杆与下端盖连接；上端盖安装有轮辐式压力变送器、排气孔；下端盖上设有注水/放水孔、围压加载孔、反压加载孔、孔压检测孔、水密缆连接孔；

孔压检测孔连接第四高精度压力变送器；

舱体内设置有样品测试体，所述的样品测试体包括安装外壳，安装外壳内有用于放置样品的橡胶模，安装外壳两端分别设置有环形透水石，上端的环形透水石与孔压检测孔连通，下端的环形透水石与围压加载孔、反压加载孔连通；安装外壳上端和下端分别还分别安装发射声学换能器和接收声学换能器；

所述的注水/放水孔分别连接第四高压球阀和第五高压球阀，用于压力室注水/放水；

压力室与升降装置连接；

压力室的围压加载孔与围压加载系统连接，所述的围压加载系统包括第一加压计量缸和第一伺服电机，第一伺服电机依次通过第一同步带传送装置、第一滚珠丝杠与第一加压计量缸连接；第一加压计量缸通过第一补水高压电磁水阀连接第一水箱；第一加压计量缸还通过围压管路与压力室的围压加载孔连接，所述的围压管路依次设置有第一高精度压力表、第一高压电磁水阀、第一高压球阀、第一高精度压力变送器；所述的第一高精度压力表通过第一测压软管连接在所述的围压管路上；所述的第一高精度压力变送器与第一伺服电机连接，通过第一高精度压力变送器实时反馈压力信号给第一伺服电机；

压力室的反压加载孔与反压加载系统连接，所述的反压加载系统包括第二加压计量缸和第二伺服电机，第二伺服电机依次通过第二同步带传送装置、第二滚珠丝杠与第二加压计量缸连接；第二加压计量缸通过第二补水高压电磁水阀连接第二水箱；第二加压计量缸还通过反压管路与压力室的反压加载孔连接，所述的反压管路依次设置有第二高精度压力表、第二高压电磁水阀、第二高压球阀、第二高精度压力变送器；所述的第二高精度压力表通过第二测压软管连接在所述的反压管路上；所述的第二高精度压力变送器与第二伺服电机连接，通过第二高精度压力变送器实时反馈压力信号给第二伺服电机；