对天然河流中泥沙运动状态的研究,不仅关乎挟沙水流运动特性,同时对于天然河道中的水沙输移、河道演变、岸堤治理、河口和河道的生态防护,水土保持、以及防止和治理泥石流方面都有着重要的意义。天然河流中的泥沙运动十分复杂,一方面,在水流的作用下,泥沙运动使得床面可动,水体中的泥沙浓度在垂线上按一定规律分布;另一方面,水流和泥沙之间相互作用,泥沙运动反过来会影响水流结构。能够精确地测量河流以及河口中的泥沙浓度和粒径是至关重要的,这对水利量测科学领域提出的新的要求。因为目前还没有能够进行线上实时准确测量泥沙参数的设备,故现有含沙水流检测技术仍存在许多局限性。本文结合超声检测技术,基于一种自主研发的超声探头,对泥沙声学特性进行研究,同时对该探头的适用性和测量性能进行初步研究。技术手段包括:(1)超声探头采用新型压电复合材料制成的晶片和由美国GE公司研发的材料制成的整流块,实现探头结构优化,降低信噪比,减小声波在介质中传播的声损失;(2)采用高频(5MHz)超声发射技术,不仅能对极细颗粒进行测量,还能实现对高浓度下的声信号损失进行有效补偿,使其具有更好的测量能力,适用于高含沙量河流;(3)通过千兆以太网接口实现各探头的参数设置和运行控制,确保对来自千兆以太网接口的高速传输海量数据的正确接收和解析,达到实时测量的目的。选择三组级配不同的天然沙以及一组模型沙进行实验,配制成不同已知浓度的水沙混合液样本,浓度从0.02kg/m3增大到12kg/m3,利用电磁搅拌器提供稳定的浓度场,对各组样本的声散射信号进行采集。自主编写MATLAB GUI用户界面对回波信号进行处理,并且研究散射声强和浓度之间的关系;通过数据分析,研究探头的测量能力和稳定性。本文通过实验发现,泥沙的浓度和级配测量之间存在密切联系,得出如下结论:(1)通过和普通压电材料制作的晶片进行对比,本探头具有更好的声学测量性能,目前5MHz高频超声可以对浓度高达12kg/m3的含沙水体进行很好的测量,波形图和频谱图都没有出现明显的幅值降低情况;(2)随浓度增大,声强也增大,含沙浓度和散射信号之间呈现幂指函数关系,并且通过函数拟合建立了适应于本探头的声学模型;(3)泥沙级配对浓度测量影响很大,泥沙颗粒整体越粗,散射声强越大,相反,泥沙颗粒整体越细,散射声强越小;(4)颗粒频谱图显示,泥沙颗粒的组成越细,频谱图形状越平缓,颗粒组成越粗,频谱图形状越陡;(5)模型沙声学特性和天然沙之间存在差异,体现在幂函数指数项的不同;(6)探头的测量结果不受采样时间长短的影响,并且测量结果具有很好的稳定性,各组的标准差均小于5%,满足规定要求。