养殖水体中固体悬浮物的声学探测方法的研究

发布时间：2020-10-16 13:09

　　 随着全球经济发展和人口增加,人们对水产品的需求也越来越大。在这一趋势下,中国水产养殖业迅速发展,养殖规模不断提升,工厂化循环水养殖因其高度集约化、养殖环境及废水排放可控性等优点,得到越来越多的应用。循环水养殖带来高产量的同时,养殖废水也破坏水域环境,不利于可持续发展。海水养殖过程中产生的污染物主要有外源污染与内源污染两种来源。外源污染包括对系统的施肥、投饵、投加防病药剂等。内源污染包括生物残骸、养殖动物的排泄物以及附着在底泥的污染物等。水产养殖过程中,饲料成本一般要占总成本的50~80%。养殖过程中,若对养殖生物的投喂不足量,会导致鱼体消瘦、生长缓慢;若投喂过量,则造成饵料的浪费,污染养殖环境。通过监测养殖生物对饵料的摄食,在满足养殖生物生长的同时有效减少饵料浪费,不仅能节约养殖成本,降低饲料系数,而且还能避免因投喂过量产生过多残饵,而对养殖水环境造成污染。近年来,自动投饵机因为投饵精确、均匀,降低人工成本等优点,在水产养殖,尤其是工厂化循环水养殖中得到广泛应用;然而,自动投饵机只能提前设定投饵量,而养殖生物的摄食量会因天气、水温、水质、养殖生物本身状态等因素的影响发生变化,若不能及时调整饵料投喂量,容易饵料的浪费与养殖水质的恶化,因此,亟需研发一种可应用于水产养殖过程中,及时监测投喂过程中残饵剩余量并反馈给自动投饵机,适时调整饵料投喂量的设备。在水下传输中,超声波具有灵敏度高,方向性好,能量大,穿透力强等优点,因此广泛应用于水下通讯中。本研究将超声波传感器(由发射端、换能器、接收端组成)放在养殖池外固液分离器的进水口,固定在水面位置,浸没于水中,通过探测养殖池排放水中残饵的数量,来判断投喂是否过量,利用绳系法分别对单颗饵料以及多颗饵料的目标强度(TS)进行了测量。超得出的主要结论如下:(1)在0V~10V之间改变发射电压来测试系统的线性区域,发现传感器随电压响应符合线性关系;(2)经过实验确定发射源电压为6V、触发间隔为300ms。每个周期发射30个正弦脉冲;(3)接收处小钢球在水中的反射声压满足:用目标强度已知的小钢球标定其中的系数;E~2=P_0~2Me~2G~2(1/R~4)10~(-αR)·TS·D~2(θ)(4)通过实验分别测量单颗饵料、多颗饵料的目标强度值,实验过程中分别采用了直径11mm和9mm的两种饵料,分别测量了饵料反射回波的峰峰电压幅度值max,以及从最大值衰减3d B区间内的的mean值。得出以下结论:测量单颗饵料的目标强度的实验中,结果显示单颗饵料无明显的反射回波,反射回波太小难以测得,也就难以计算出单颗饵料的目标强度。进行多颗饵料进行实验,用多颗饵料的体积散射强度除以颗粒数得到单颗饵料的目标强度。结果显示:11号(直径11mm)饵料单颗目标强度TS(target strength)的max值为-6.979d B、mean值为-5.313d B,9号(直径9mm)饵料单颗TS的max值为-3.642d B、mean值为-2.666d B。将max的平方和mean的平方与颗粒数关系的曲线拟合出来,发现基本符合一次函数线性关系。对于11mm的饵料,x11代表颗粒数,y_1代表max的平方,y_2代表mean的平方,得到表达式max:y_1=21.312x11-31.036和mean:y_2=16.857x11-25.301。对于9mm的饵料x9代表9号饵料颗粒数,y_3代表max的平方,y_4代表mean的平方,得到表达式max:y_3=5.9964x9+5.6346和mean:y_4=4.3854x9+4.2436和mean:y_4=4.3854x9+4.2436。在相同颗粒数的情况下,直径为11mm的饵料反射电压幅度值比直径为9mm大,表明在其他条件等同的情况下,被测物体体积越大,目标强度越大。比较y_1和y_3中的斜率,分别为21.312和5.9964,可以得出11号饵料峰峰值电压随颗粒数增加的速度比9号饵料快。比较y_2和y_4的斜率,两者分别为16.857和4.2854,可以得出11号饵料最大值衰减3d B部分电压平均值mean随颗粒数增加的速度比9号饵料快。本论文致力于通过测定残饵目标强度来表征养殖水体中残饵的含量,并通过实验确定了探测系统的相关参数,测量出来饵料的目标强度,为利用超声波技术测定养殖水体中颗粒物含量提供了理论基础,为工厂化循环水养殖过程中的精确投喂,优化养殖水体环境,减少污染物的排放提供了技术支撑。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S969
【部分图文】：

称为发射信号。由声学理论可知，声音在传输过表面激发起次级声源，它们向周围辐射次级声波，，返回声源方向的那散射波，称为目标回波。回波产生的，回波上会留有相关目标的信息。回波信号传为电信号，经过分析处理之后，人们将获得自己需得的研究进展探测残饵的技术，早在1993年，挪威渔技研究所的干饲料与其回声能量之间的线性关系的研究，对果表明回声能量与颗粒大小成正比例，从而与批VA 公司在网箱内鱼的主要进食区安装传感器，通测剩余饲料。2012 年，国内学者王顺杰等人给出方案示意图[58]，如图

图 2-1 已知目标强度的小钢球 the small steel ball with known target stren收处小钢球在水中的反射声压满足()22 TSDr 反射声压；P0为基准声压值；r 为取值 54.8dB/km[60]；TS 为小钢球下方时，值为 1。能量方程为22G1为接收处的反射声压；Me2G2为灵2.12）可得：10()12242 TSDGr

图 2-2 发射信号和接收信号同框Fig2-2 transmit and receive signals in the same picture.2.2 超声波换能器超声换能器又称超声传感器、超声转换器、超声探头（或者简称探头），是声工程技术中的一个非常重要的部分，是声学换能器中发展最迅速的一个分支域。通常，换能器是以一种能量形式转化为另一种能量形式的仪器或装置。超换能器是将超声波能量和电能或其他形式的能量进行转换的装置。具体地，使不同材质不同特性的转换介质将诸如机械能，电磁能，光能等其他形式的能量换成振动能量从而产生超声波，并将它们传输到各种介质，然后使用超声波接器（包括具有可逆效应的上述装置）将超声场中的各种声信号转换为用于处理电信号或光信号，并且最终通过各种显示终端将电信号或其他信号变为可视显信息。
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本文编号：2843299