一种应用声呐对冲刷坑探测装置

1.本发明涉及海洋冲刷声呐探测领域，特别涉及一种应用声呐对冲刷坑探测装置。


背景技术：

2.单桩基础结构简单，施工方便，成本较低，是目前近海风电机桩基础的首选。据统计，目前世界范围内已建近海风电机基础中75％都使用的是大直径单桩基础。在水深小于30m时，单桩基础仍是海上风电机组基础建设的首选基础型式。大直径单桩基础的直径一般为3～8m,壁厚一般为30～60mm。海上风力发电机大直径单桩基础在海流和波浪作用下，会在桩周局部海域引发强劲的水流或高速旋转的旋涡，这些水流或旋涡具有较高的冲刷携带泥沙能力，从而在局部范围内形成冲刷坑，减弱桩基础承载力，危及桩基础及上部风机安全。
3.为了能够监测风电机基础冲刷坑的深度和规模，如今主要使用的监测传感技术包括浮出装置、磁环、声纳、雷达、倾斜传感器、数字开关传感器、和时域反射仪等。现在的监测传感技术结构复杂成本高，无法快速识别和反馈。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服以上的技术缺陷，提供一种应用声呐对冲刷坑探测装置。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种应用声呐对冲刷坑探测装置，包括风电桩基础、调整机构和声呐探测组件，所述的风电桩基础的上端设有风电桩，所述的风电桩的外侧均匀的设有声波接收器，所述的调整机构包括设置在风电桩表面的连接板，所述的连接板的另一侧为横板，所述的横板上设有防护罩一，所述的防护罩一内设有驱动电机一，所述的驱动电机一的输出端设有转动轴且转动轴延伸至防护罩一的外侧，所述的横板上设有轴承连接的转动轴，所述的转动轴的一端设有涡杆，所述的转动轴的外侧设有配合涡杆使用的涡轮，所述的转动轴的上端设有防护罩二，所述的声呐探测组件包括设置在防护罩二内的驱动电机二和转动连接防护罩二内壁的单波束声呐测深仪，所述的驱动电机二的输出端设有主动链轮，所述的单波束声呐测深仪的两侧设有活动轴，所述的活动轴的外侧设有从动链轮，所述的主动链轮和从动链轮链条连接。
7.进一步，所述的声波接收器为以风电桩为中心阵列安装在风电桩的外侧且设置在不同高度。
8.进一步，所述的调整机构和声呐探测组件为以风电桩外圆心圆形阵列多组设置。
9.进一步，所述的防护罩二的一端设有活动孔，所述的单波束声呐测深仪穿过活动孔。
10.进一步，所述的活动轴通过轴承连接防护罩二的内壁。
11.本发明的有益效果为：
12.本发明通过声波经过水体的传播到达风电桩基础面后反射，根据声波的传播速度和回波时间来计算监测位置处的冲刷深度。单波束声呐测深仪方法具有设备成本低、精度较高、可操作性好、对冲坑变化过程动态监测方便等优点，同时可通过调整机构调节单波束声呐测深仪的x轴和y轴的角度，可实现全方位的探测。
附图说明
13.图1是本发明一种应用声呐对冲刷坑探测装置的主视图。
14.图2是本发明一种应用声呐对冲刷坑探测装置的俯视图。
15.图3是本发明一种应用声呐对冲刷坑探测装置调整机构和声呐探测组件的连接示意图。
16.图4是本发明一种应用声呐对冲刷坑探测装置的探测原理图。
17.图5是本发明一种应用声呐对冲刷坑探测装置的充刷坑的剖视图。
18.如图所示：1、风电桩基础；2、风电桩；3、声波接收器；4、调整机构；4.1、连接板；4.2、横板；4.3、防护罩一；4.4、驱动电机一；4.5、转动轴；4.6、转动轴；4.7、涡杆；4.8、防护罩二；4.9、涡轮；5、声呐探测组件；5.1、驱动电机二；5.2、主动链轮；5.3、单波束声呐测深仪；5.4、活动轴；5.5、从动链轮；6、活动孔。
具体实施方式
19.下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
20.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
21.结合附图1-4，一种应用声呐对冲刷坑探测装置，包括风电桩基础1、调整机构4和声呐探测组件5，所述的风电桩基础1的上端设有风电桩2，所述的风电桩2的外侧均匀的设有声波接收器3，所述的调整机构4包括设置在风电桩2表面的连接板4.1，所述的连接板4.1的另一侧为横板4.2，所述的横板4.2上设有防护罩一4.3，所述的防护罩一4.3内设有驱动电机一4.4，所述的驱动电机一4.4的输出端设有转动轴4.5且转动轴4.5延伸至防护罩一4.3的外侧，所述的横板4.2上设有轴承连接的转动轴4.6，所述的转动轴4.5的一端设有涡杆4.7，所述的转动轴4.6的外侧设有配合涡杆4.7使用的涡轮4.9，所述的转动轴4.6的上端设有防护罩二4.8，所述的声呐探测组件5包括设置在防护罩二4.8内的驱动电机二5.1和转动连接防护罩二4.8内壁的单波束声呐测深仪5.3，所述的驱动电机二5.1的输出端设有主动链轮5.2，所述的单波束声呐测深仪5.3的两侧设有活动轴5.4，所述的活动轴5.4的外侧设有从动链轮5.5，所述的主动链轮5.2和从动链轮5.5链条连接。
22.所述的声波接收器3为以风电桩2为中心阵列安装在风电桩的外侧且设置在不同高度。
23.所述的调整机构4和声呐探测组件5为以风电桩2外圆心圆形阵列多组设置，可设置4组调整机构4和声呐探测组件5装置。
24.所述的防护罩二4.8的一端设有活动孔6，所述的单波束声呐测深仪5.3穿过活动
孔6。
25.所述的活动轴5.4通过轴承连接防护罩二4.8的内壁。
26.本发明的在具体实施时：声呐探测组件还包括换能器，声波接收器二和接收器二，以及远程控制端和数据收集装置(现有技术)，风电桩基础1的上端设有冲槽，换能器可安装在冲槽内，声波接收器二和接收器二可设置在单波束声呐测深仪的侧面，涡轮4.9和蜗杆4.7的连接处设有防护罩三，防护罩三上设有配合涡轮4.9、蜗杆4.7和转动轴4.6转动的通孔。
27.远程控制端控制设备开启，驱动电机一工作，水平方向上转动，带动转动轴旋转，通过涡轮、蜗杆工作，把水平方向的转动力转换成竖直方向，从水平0
°
向360
°
方向单向旋转，同时驱动电机二工作，通过主动链轮5.2和从动链轮5.5带动单波束声呐测深仪垂直向下方向逐步向上转动，最大转动到60
°
，
28.当探测设备开始工作时，转动轴末端指向水平0
°
方向，悬臂自由端垂直向下，声波接收器发射声波，声波遇到障碍后发生反射，部分反射波沿着入射方向返回，接收器回收到反射波，完成一个测量点的探测。单波束声呐测深仪开始向上转动一个小角度(建议1
°
)，继续进行测量点的探测(其中，如果发射器发射声波后，接收器在两秒内没有接收到反射波，则判定该点为无效点，单波束声呐测深仪继续工作)。
29.直到单波束声呐测深仪转动到与竖直方向呈60
°
时，单波束声呐测深仪回到到竖直向下方向。接着转动轴开始在水平方向上朝着360
°
方向转动一个小角度(约1
°
)，发射器发射声波，接收器接收到反射波声波，完成测量后，悬臂往竖直向上转动一个小角度，继续探测。如此往复，直到转轴转动到与风电桩相切方向，探测结束。
30.由于海上风电机的风电桩直径较大，可在风电桩表面按等距安装四组调整机构和声呐探测组件，减少盲区。
31.数据处理：单波束声呐工作原理。单波束声呐在整个探测中通过换能器兼具发射声波和回收反射波的作用。假设声呐发出声波和接收到声波的时间间隔为则由此可以得出发射器至海岸线的距离l,计算公式为
32.声波接收器发射出声波和各个声波接收器回收到声波的时间差声波接收器的主要作用体现在：1、提高探测效率。当声呐未接收到反射波时，而声波接收器数量多，分布广，可能接收到反射波，提高了数据采集效率。2、减小探测误差。传统的单波束声呐通过单点发射和回收声波，无法进行误差校核，并且不能判别出反射波在冲刷坑(如图5所示)内是否经过了二次反射。增加声波接收器后，能够实现反射波被多点接收，以上误差问题就得以解决，可以计算出发射器至海岸线和海岸线至接收器之间的距离总和s,计算公式为：
[0033][0034]
式中：c为声波在水中的平均速度。
[0035]
如图4所示，声波接收器的空间坐标位置为(x0，y0,z0),声波接收器1的空间坐标位置为(x1,y1,z1),声波接收器2的空间坐标位置为(x2,y2,z2)，某一时刻从声波接收器发出的特定频率的超声波在一段时间后被分别被两个接收器接收到。探测点的空间位置(x,y,z)可以由以下计算过程确定：
[0036]
根据声波在水中的传播速度和时间可以计算出传播的路程：
[0037]
[0038]
声波的传播路程可分为入射波传播距离l和反射波传播距离p1:
[0039]
s1＝l p1
[0040]
式中：l为发射器至海岸线的距离，p1为探测点至接收器1之间的距离。
[0041]
探测点的空间位置(x,y,z)可以表示为：
[0042][0043]
p1可以表示为：
[0044][0045]
由此可知，只有入射波传播距离l为未知量，可以通过以上计算得出。可以用二分法求解，得出的入射波传播距离用l1表示。
[0046]
同理可以通过声波接收器2的接收到声波的时间差以及空间位置，求得入射波传播距离用l2表示。对比l1和l2，由此确定l的值。
[0047]
以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。