بخشی از مقاله
مقدمه:
تخمین دقیق ویژگیهاي لایه مرزي در اکثر تحقیقات و پروژه هاي علوم پایه و مهندسی مسئله اصلی و محافظت محیط ساحلی موضوع حیاتی بسیاري از کشورهاست . براي محافظت ساحل از امواج ، سازه هاي دریائی مثل موج شکنها، دیواره هاي دریائی ، کیسونها و ... استفاده می شوند. خسارت و از بین رفتن سازه هاي دریائی، دو علت اصلی دارد:
-1 ویژگی ساختاري - که نیرو و ضربه موج روي سازه اثر می کند - و-2 بی ثباتی کف مثل آب شستگی در مجاورت سازه.
بنابراین درك بهتر ویژگیهاي مرز کف تقریبا مهمترین مسئله براي مهندسی ساحل که شامل طراحی سازه هاي ساحلی است، می باشد. در تحقیقات قبلی، اغلب از تخمین انرژي و مشخصه هاي دینامیکی امواج براي طراحی سازه ها استفاده می کردند. با توجه به اهمیت لایه مرزي کف که توسط مهندسین ساحل کشف شد، تنها تحقیقات کمی براي بررسی ویژگیهاي لایه مرزي کف انجام شده است.[1] استفاده از امواج صوتی و فراصوتی براي تحقیقات در آب دریا روشی جدید می باشد که در سالهاي اخیر بسیار مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است.
بعلت اینکه امواج صوتی تنها امواجی هستند که در آب با تضعیف و میرائی بسیار کم و سرعتی زیاد منتشر می شوند ، می توان از آنها براي تحقیقات در بسیاري از زمینه ها استفاده نمود.2]و[3 مسئله اصلی این تحقیق درك بهتر و کاملتر مکانیسمها و ویژگیهاي فیزیکی مربوط به میزان پیشروي ، نفوذ ، پراکندگی و اتلاف امواج صوتی بهنگام برخورد آنها با رسوبات بستر و در نتیجه بررسی ویژگیهاي رسوبات از این طریق می باشد. هدف از این آزمایشات درك بهتر فرایندهاي فیزیکی و مکانیکی صوت و بستر شامل تضعیف ، انتشار ، اتلاف و پراکنش در رسوبات بستر توسط مطالعات آزمایشگاهی می باشد.
مزیت استفاده از روشهاي آزمایشگاهی کم هزینه تر بودن این روشها نسبت به روشهاي میدانی می باشد و نیز بخصوص اینکه در آب کم عمق پیچیدگیهاي دینامیکی و شرایط محیطی غیرقابل پیش بینی باعث می شود که اندازه گیري ها بسیار زمان بر و طاقت فرسا و دچار عدم قطعیت فراوان شوند. مهمترین مزیت مطالعات آزمایشگاهی پراکنش از رسوبات این است که می توان مساله را توسط کاهش تعداد پارامترهاي کنترل کننده و بررسی تاثیرات مکانیسم هاي پراکنش مختلف بصورت مجزا ذکر کرد.
به عنوان مثال جهت حذف تاثیر حبابهاي ریز می توان از کلرین و یا جهت حذف زبري در مقیاس بزرگتر از قطر رسوبات می توان از مسطح کردن سطح استفاده کرد. تا کنون جهت مطالعات بستر از فرستنده با پهناي باند باریک استفاده شده ولی در این تحقیق جهت اندازه گیري سایز رسوبات لازم است براي اندازه گیري قدرت backscattering از فرستنده با پهناي باند وسیع استفاده کرد - به علت اینکه بتوان تمام بازه فرکانسی را بصورت پیوسته پوشش داد - .
اندازه گیري هاي پراکنش از بستر در فرکانسهاي کمتر از 300 کیلوهرتز انجام می شود درحالیکه از فرکانسهاي بالاتر - در حدود مگاهرتز - می توان جهت بررسی فرایندهاي دینامیکی بستر در آب کم عمق استفاده کرد. جهت اینکه بتوان از امواج فراصوتی براي بررسی هاي اندرکنش صوت و بستر استفاده کرد لازم است طول موج این امواج قابل مقایسه با قطر دانه هاي رسوب باشد.
شرح آزمایش:
دو نوع رسوب اشباع شده با آب با دانه بندي هاي متفاوت - ماسه هاي درشت و متوسط - جهت مطالعه انتخاب شده اند. ابتدا سایز رسوبات توسط روشهاي غیر آکوستیکی - استفاده از الکهاي آزمایشگاهی و - shaker اندازه گیري شده اند
شکل - 1 تعیین اندازه دانه ها به وسیله روش الکهاي آزمایشگاهی
قبل از انجام آزمایش هر کدام از دو نوع رسوب بصورت مجزا در ظرف حاوي آب و کلرین جهت حذف ارگانیسم هایی که ممکن است حباب تولید کنند ریخته شدند و سپس به داخل ظرف کوچکتري در تانک آزمایشگاهی منتقل شدند.
در این روش فرستنده امواج فراصوتی - Transducer - بعنوان گیرنده نیز عمل می کند و ما از دو فرستنده با فرکانسهاي مرکزي 1 و 4 مگاهرتز استفاده کرده ایم که این دو فرکانس می توانند بازه فرکانسی گسترده 100 تا 6 مگاهرتز را بصورت پیوسته پوشش دهند.
هر فرستنده یا پراب که از جنس کریستالهایی خاص می باشد، - براي کریستال پراب ها از مواد پیزوالکتریک استفاده می شود که وقتی این مواد به جریان متغییر متصل می شوند کریستال آنها منقبض و منبسط می شود و در نتیجه انرژي الکتریکی را به انرژي مکانیکی یا همان صوت و بالعکس تبدیل می کنند که از جمله این مواد می توان به کوارتز، لیتیم سولفات، سرامیکهاي پولاریزه شده و پلاستیک اشاره کرد که در این تحقیق از سرامیکهاي پلاریزه استفاده شده است زیرا این نوع از سرامیکها بهترین تولید کننده انرژي هستند و می توانند تا دماي 550 درجه سانتیگراد گرم شوند ولی از این دما بالاتر غیر پلاریزه می شوند همچنین می توانند با ولتاژ پایین کار کرده و با رطوبت نیز سازگار هستند - در فرکانسی مشخص داراي بیشترین شدت انرژي می باشد که به آن فرکانس مرکزي می گویند که با Fc نشان داده می شود
شدت انرژي
فرکانس
شکل - 2 تغییرات شدت انرژي نسبت به فرکانس مرکزي F1-F2 - .Fc نشان دهنده پهناي باند می باشد -
از یک کریستال امواج صوتی با فرکانسهاي متفاوتی متصاعد می گردد که دلیل این تفاوت فرکانس در کریستال یکسان نبودن میزان ارتعاش در کلیه نواحی است. دو فرکانس F1 و F2 فرکانسهاي بالاتر و پایینتر از فرکانس مرکزي هستند که شدت انرژي که با این فرکانس از پراب متصاعد می شود هفتاد درصد شدت انرژي فرکانس مرکزي است. اختلاف بین این دو فرکانس بازه فرکانس کاري پراب را مشخص می کند و به آن پهناي باند گفته می شود.
تقارن دو سمت و پهناي باند براي پراب هاي مختلف متفاوت می باشد و کم یا زیاد می شود و نیز امکان دارد نمودار تغییرات شدت صوت با فرکانس در دو سمت فرکانس مرکزي متقارن نباشد که در مورد پراب هاي این آزمایش از این نوع پراب استفاده شده است.
فرستنده امواج صوتی این امواج را با فرکانسهاي مشخص تولید میکند که به علت اینکه سرعت موج صوتی در رسوب و آب متفاوت است، پس از برخورد صوت با هرکدام از فصول مشترك، ما پیک متفاوتی را دریافت خواهیم کرد که در آخر که موج صوتی با کف برخورد میکند - backwall - echo موج بر می گردد و دوباره به فرستنده برخورد کرده و دریافت و ثبت می شود.
تانک حاوي نمونه هاي مختلف رسوب - Test Specimen - در داخل تانک اصلی یا خارجی - به علت ایجاد درجه آزادي بیشتر و اینکه باید فرستنده در داخل آب باشد و درصورت نیاز بتوان صوت را زاویه دار تاباند - قرار گرفت و جهت اجتناب از حرکت و تکانهاي احتمالی روي سه نظام Turntableمحکم شد
