本课题是在“南北极环境综合考察与评估”(编号:CHINAER 2015-02-02)专项项目与国家科学自然基金项目“基于电容感应技术的海冰厚度监测方法的研究(编号:41176080)”的资助下进行超声波冰密度检测方法的机理研究。冰的力学参数与其生长过程中的温度、密度及盐度关系紧密,目前,测量冰密度的方法主要有排液法和重量-体积法。排液法历史上使用舒列金量筒测量,目前采用水或煤油等作为参考液体,因此冰的密度还无法实现在线实时自动化监测。本课题根据超声波透射原理,对超声波在淡水冰中的传播特性进行COMSOL仿真分析,设计了超声波冰密度检测实验系统,超声波冰密度检测实验系统包括两大部分:超声波检测装置部分与冰密度测量部分,其中,超声波检测装置包括超声波发射与接收单元电路,密度测量部分提出两种测量方法并对相应的测量装置进行了设计,一种是排防冻液法,另一种是在不同温度下分别取冰样利用重量-体积法进行测量。通过大量实验测量穿透冰层后超声波信号的峰峰值,分析超声波在冰介质(淡水冰和海冰)中传播时的衰减变化与温度之间的关系以及冰密度、温度与信号峰峰值之间的关系。最后,得出以下两点结论:(1)冰中超声波传播特性:当淡水温度下降到0℃时,水开始出现结晶,峰峰值逐渐减小,说明超声波在固液混合状态下衰减较大;温度由-0.1℃向-0.2℃跳变时,固液混合态恰好变为固态,此时峰峰值衰减到最小值;温度继续降低(低于-0.2℃),临界固态转为固态,结构趋于稳定,冰密度逐渐增大,超声波信号峰峰值增大。实验同时表明:超声波检测冰密度变化时,超声波接收信号峰峰值与冰密度成相关性。50kHz频率适合监测温度在0℃至-5℃之间的冰密度变化情况,而150kHz频率适合监测温度在-5℃至-15℃之间的冰密度变化情况。(2)海冰中超声波传播特性:海水温度维持在冰点-0.3℃时处于冰水混合物状态,超声波信号的峰峰值衰减较大;当海冰温度在-0.3℃~-10℃区间时,穿透冰层后所接收到的超声波信号的峰峰值在下降;低于-10℃时,超声波信号峰峰值开始逐渐增大。同时得出:对于实验条件下盐度为11‰的海冰(冰点在-0.3℃左右)密度进行检测时,50kHz频率适合检测温度在-0.3℃至-15℃之间的情况,而150kHz频率可以对海冰温度在-0.3℃~-25℃的冰密度进行检测,并且在检测温度区间内超声波接收信号峰峰值与冰密度成相关性。以上研究表明,利用超声波检测冰密度的方法在机理上是可行的,为进一步设计超声波冰密度检测传感器提供了理论依据,同时也为实现冰密度的自动化检测提供了一种新方法。