一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法

1.本发明涉及流场测量技术领域，具体涉及一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法。


背景技术：

2.各类狭窄流道内的气流速度场测量在动力机械、流体机械等多个领域均受到广泛关注。叶栅通道内的复杂流动对于燃气轮机的效率、可靠性及使用寿命非常关键，只有充分认识了流动规律后，才有可能主动控制相关流动，实现相应机组的高效安全可靠运行。因此需要一种安全、可靠且无干扰的测量方法和技术满足狭窄流道气体流场的测量需求。
3.超声波流场测量是一种非接触测量方法，具有对流场无干扰、成本低、安全和对流体特性适应性宽等特点。同时超声波还具有测量精度高、方向性好、在介质中传播能力强等特性，可结合时差法实现对二维流场的非接触可视化测量。然而，常规超声换能器发射超声波在空气中衰减较大；同时针对狭窄流道速度场测量，收发换能器相距较远时，由于换能器前端至反射面的距离较小以及超声换能器有限的扩散角，很难获得经反射后的回波信号。基于此，本发明提出一种斜口空气耦合超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法。
5.本发明提供了一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，首先将压电陶瓷倾斜α角度固定于换能器外壳中，其次在压电陶瓷的前端粘接1/4波长厚度的玻璃珠匹配层，组成空耦超声换能器阵列。步骤2，空耦超声换能器阵列获取不同收发通道的顺流、逆流超声回波信号。步骤3，基于超声回波信号构建渡越时间矩阵，基于时差法原理计算空耦超声换能器阵列不同收发路径的气流速度。步骤4，求解测量区二维平面声程交点的坐标及速度向量，基于气流速度利用重建算法得到测量区的气流速度场，最终实现狭窄流道气流速度场的准确测量。
6.在本发明提供的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，斜口空耦超声换能器的倾斜角α的计算过程为：
[0007][0008]
式中，d为相邻两超声换能器间距，d为超声换能器直径，h为换能器阵列距反射面距离，n为空耦超声换能器个数，λ为声波波长，且λ＝c/f，c为超声波的传播速度，f为超声换能器的工作频率。
[0009]
在本发明提供的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2具体包括以下步骤：
[0010]
步骤2-1，计算机控制超声发射板卡产生触发脉冲，通过前置放大器对触发脉冲进
行功率放大得到超声激励脉冲。步骤2-2，由切换开关控制空耦超声换能器阵列中的某一个待激励空耦超声换能器完成一次超声波发射。步骤2-3，激励空耦超声换能器1发射超声波，空耦超声换能器2～空耦超声换能器n依次接收反射超声信号。步骤2-4，将超声信号进行信号放大，经数据采集卡送入计算机中，得到探头1发射的n-1组超声回波信号。
[0011]
在本发明提供的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3具体包括以下步骤：步骤3-1，以扫描的方式，激励空耦超声换能器2～空耦超声换能器n依次发射超声波，其余空耦超声换能器接收超声反射信号，一组循环完成后得到n
×
(n-1)组超声信号数据。步骤3-2，由超声信号数据计算n
×
(n-1)个不同路径渡越时间，形成n
×
n的声时矩阵(主对角线元素为0)。步骤3-3，由声时矩阵得到(n
×
(n-1))/2个顺流、逆流声时差。步骤3-4，根据超声时差法测速原理计算顺流、逆流声时差。步骤3-5，计算空耦超声换能器i-空耦超声换能器j不同收发路径的气流速度。
[0012]
在本发明提供的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3-4中，计算顺流、逆流声时差的计算过程为：
[0013][0014]
式中，i、j为换能器编号，t
ji
为换能器j发射-换能器i接收(逆流)的渡越时间，t
ij
为探头i发射-探头j接收(顺流)的渡越时间。δt
ij
为换能器i、j路径的声时差(i＜j)，u
ij
为换能器i、j路径的绝对速度(i＜j)，l为传播声程，c为超声波在空气中的传播速度。
[0015]
换能器i-换能器j路径的速度大小计算过程为：
[0016][0017]
式中，θ
ij
为换能器i-换能器j超声传播方向与流速方向的夹角。
[0018][0019]
式中，l
×
cosθ
ij
＝d
ij
，d
ij
为探头i、j间的距离。
[0020]
在本发明提供的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3-5中，定义与n/2个换能器外边界的相切直线为y轴，与y轴垂直且与外围换能器外边界相切直线为x轴，x轴与y轴的交点为坐标原点，超声换能器i-换能器j路径的不同方向速度计算过程为：
[0021][0022]
式中，d
ij
为换能器i和j之间的距离，dx
ij
为换能器i和j所在位置的水平(x轴)距离，dy
ij
为换能器i和j所在位置的垂直(y轴)距离，ux
ij
为换能器i和j路径的x方向速度，uy
ij
为换能器i和j路径的y方向速度。
[0023]
在本发明提供的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中具体包括以下子步骤：步骤4-1，由n个换能器的中心坐标，计算测量区二维平面所有声程交点。步骤4-2，计算换能器阵列声程交点处x和y方向速度，
计算过程为：
[0024][0025]
式中，sx(i,j,m,n)为换能器i、j和换能器m、n路径声程交点x方向速度，sy(i,j,m,n)为换能器i、j和换能器m、n路径声程交点y方向速度。步骤4-3，剔除无效的、边界上的以及重复的声程交点，得到有效交叉点的位置向量c
x
(k)、cy(k)和速度向量v
x
(k)、vy(k)，根据声程交点处的速度向量及重建算法，得到测量区的速度场分布。
[0026]
发明的作用与效果
[0027]
根据本发明所涉及的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，因为具体步骤为：步骤1，首先将压电陶瓷倾斜α角度固定于换能器外壳中，其次在压电陶瓷的前端粘接1/4波长厚度的玻璃珠匹配层，组成空耦超声换能器阵列。步骤2，空耦超声换能器阵列获取不同收发通道的顺流、逆流超声回波信号。步骤3，基于超声回波信号构建渡越时间矩阵，基于时差法原理计算空耦超声换能器阵列不同收发路径的气流速度。步骤4，求解测量区二维平面声程交点的坐标及速度向量，基于气流速度利用重建算法得到测量区的气流速度场，最终实现狭窄流道气流速度场的准确测量。
[0028]
因此，本发明中的斜口空气耦合超声换能器阵列测量狭窄流道气流速度场方法相对于常规超声换能器，可有效改善超声阵列接收信号幅值小、信噪比低的问题，实现狭窄流道气流速度场的准确测量。
附图说明
[0029]
图1是本发明的实施例中超声换能器阵列的示意图；
[0030]
图2是本发明的实施例中斜口空气耦合超声换能器示意图；
[0031]
图3是本发明的实施例中狭窄流道气流速度场超声测量系统示意图；
[0032]
图4是本发明的实施例中入口速度20m/s时8发射-1接收回波信号对比图；
[0033]
图5是本发明的实施例中测量区不同路径声程交叉点位置示意图；
[0034]
图6是本发明的实施例中入口速度5m/s时声程交点速度及速度场重建结果图。
具体实施方式
[0035]
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法作具体阐述。
[0036]
在本实施例中，提供了一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法。
[0037]
图1是本发明的实施例中超声换能器阵列的示意图。
[0038]
图2是本发明的实施例中斜口空气耦合超声换能器示意图。
[0039]
如图1所示，图中1、2、7、8为斜口空耦超声换能器100，3、4、5、6为平口空耦超声换能器200。
[0040]
如图2所示，本实施例中的斜口空耦超声换能器100包括压电陶瓷10、外壳20、匹配层30、芯线40以及屏蔽线50。
[0041]
本实施例所涉及的斜口空耦超声换能器100测量狭窄流道气流速度场的方法包括以下步骤：
[0042]
步骤s1，首先将压电陶瓷10倾斜α角度固定于换能器外壳20中，其次在压电陶瓷10的前端粘接1/4波长厚度的玻璃珠匹配层30，用于压电陶瓷与空气之间的阻抗匹配。斜口超声换能器相比常规换能器有更大的声束扩散角，能够有效提高回波信号幅值和信噪比。
[0043]
空耦超声换能器在空气中传播时扩散角θ的计算过程为：
[0044]
θ＝arcsin1.22λ/d≈70λ/d
[0045]
式中，d为超声换能器直径，λ为声波波长，且λ＝c/f，c为超声波在空气中的传播速度，f为超声换能器的工作频率。
[0046]
图3是本发明的实施例中狭窄流道气流速度场超声测量系统示意图。
[0047]
如图3所示，为确保相距最远的超声收-发换能器(换能器1-换能器8、换能器2-换能器7)能有效接收到经反射板反射后的回波信号，斜口空耦超声换能器的倾斜角α的计算过程为：
[0048][0049]
式中，d为相邻两超声换能器间距，d为超声换能器直径，h为换能器阵列距反射面距离，n为空耦超声换能器个数，λ为声波波长，且λ＝c/f，c为超声波的传播速度，f为超声换能器的工作频率。
[0050]
步骤s2，如图3所示，空耦超声换能器阵列获取不同收发通道的顺流、逆流超声回波信号，具体包括以下步骤：
[0051]
步骤s2-1，计算机控制超声发射板卡产生触发脉冲，通过前置放大器对触发脉冲进行功率放大得到超声激励脉冲；
[0052]
步骤s2-2，由切换开关控制空耦超声换能器阵列中的某一个待激励空耦超声换能器完成一次超声波发射；
[0053]
步骤s2-3，激励空耦超声换能器1发射超声波，空耦超声换能器2～空耦超声换能器n依次接收反射超声信号；
[0054]
步骤s2-4，将超声信号进行信号放大，经数据采集卡送入计算机中，得到探头1发射的n-1组超声回波信号。
[0055]
步骤s3，基于超声回波信号构建渡越时间矩阵，基于时差法原理计算空耦超声换能器阵列不同收发路径的气流速度，具体包括以下步骤：
[0056]
步骤s3-1，以扫描的方式，激励空耦超声换能器2～空耦超声换能器n依次发射超声波，其余空耦超声换能器接收超声反射信号，一组循环完成后得到n
×
(n-1)组超声信号数据。
[0057]
图4是本发明的实施例中入口速度20m/s时8发射-1接收回波信号对比图。
[0058]
如图4所示，被测狭窄流道入口速度20m/s时，使用斜口空耦超声换能器得到的回波信号幅值明显大于常规换能器，且信噪比更高。因此使用斜口空耦超声换能器能有效解决换能器接收信号弱、信噪比低的问题。
[0059]
步骤s3-2，由超声信号数据计算n
×
(n-1)个不同路径渡越时间，形成n
×
n的声时
矩阵(主对角线元素为0)。
[0060]
步骤s3-3，由声时矩阵得到(n
×
(n-1))/2个顺流、逆流声时差。
[0061]
步骤s3-4，根据超声时差法测速原理计算顺流、逆流声时差。
[0062]
其中，计算顺流、逆流声时差的计算过程为：
[0063][0064]
式中，i、j为换能器编号，t
ji
为换能器j发射-换能器i接收(逆流)的渡越时间，t
ij
为探头i发射-探头j接收(顺流)的渡越时间；δt
ij
为换能器i、j路径的声时差(i＜j)，u
ij
为换能器i、j路径的绝对速度(i＜j)，l为传播声程，c为超声波在空气中的传播速度。
[0065]
换能器i-换能器j路径的速度大小计算过程为：
[0066][0067]
式中，θ
ij
为换能器i-换能器j超声传播方向与流速方向的夹角。
[0068][0069]
式中，l
×
cosθ
ij
＝d
ij
，d
ij
为探头i、j间的距离。
[0070]
步骤s3-5，计算空耦超声换能器i-空耦超声换能器j不同收发路径的气流速度。
[0071]
图5是本发明的实施例中测量区不同路径声程交叉点位置示意图。
[0072]
如图5所示，定义与n/2个换能器外边界的相切直线为y轴，与y轴垂直且与外围换能器外边界相切直线为x轴，x轴与y轴的交点为坐标原点，超声换能器i-换能器j路径的不同方向速度计算过程为：
[0073][0074]
式中，d
ij
为换能器i和j之间的距离，dx
ij
为换能器i和j所在位置的水平(x轴)距离，dy
ij
为换能器i和j所在位置的垂直(y轴)距离，ux
ij
为换能器i和j路径的x方向速度，uy
ij
为换能器i和j路径的y方向速度。
[0075]
步骤s4，求解测量区二维平面声程交点的坐标及速度向量，基于气流速度利用重建算法得到测量区的气流速度场，最终实现狭窄流道气流速度场的准确测量。
[0076]
其中，步骤s4具体包括以下步骤：
[0077]
步骤s4-1，由n个换能器的中心坐标，计算测量区二维平面所有声程交点。
[0078]
步骤s4-2，计算换能器阵列声程交点处x和y方向速度，计算过程为：
[0079][0080]
式中，sx(i,j,m,n)为换能器i、j和换能器m、n路径声程交点x方向速度，sy(i,j,m,n)为换能器i、j和换能器m、n路径声程交点y方向速度。
[0081]
步骤s4-3，如图5所示，剔除无效的、边界上的以及重复的声程交点，得到有效交叉点的位置向量c
x
(k)、cy(k)和速度向量v
x
(k)、vy(k)。以2
×
4空耦超声换能器阵列为例，共计
得到27个有效声程交叉点，即k＝1,2,3
…
27。
[0082]
图6是本发明的实施例中入口速度5m/s时声程交点速度及速度场重建结果图。
[0083]
如图6所示，根据二维平面声程交点处的速度向量及重建算法，得到测量区的速度场分布，且声程交点处的速度场结果如表1所示。
[0084]
表1为本发明的实施例中入口速度5m/s时声程交点处速度场结果。
[0085]
表1
[0086][0087]
实施例的作用与效果
[0088]
根据本实施例所涉及的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，因为具体步骤为：步骤1，首先将压电陶瓷倾斜α角度固定于换能器外壳中，其次在压电陶瓷的前端粘接1/4波长厚度的玻璃珠匹配层，组成空耦超声换能器阵列。步骤2，空耦超声换能器阵列获取不同收发通道的顺流、逆流超声回波信号。步骤3，基于超声回波信号构建渡越时间矩阵，基于时差法原理计算空耦超声换能器阵列不同收发路径的气流速度。步骤4，求解测量区二维平面声程交点的坐标及速度向量，基于气流速度利用重建算法得到测量区的气流速度场，最终实现狭窄流道气流速度场的准确测量。
[0089]
因此，本实施例中的斜口空气耦合超声换能器阵列测量狭窄流道气流速度场方法相对于常规超声换能器，可有效改善超声阵列接收信号幅值小、信噪比低的问题，实现狭窄流道气流速度场的准确测量。
[0090]
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。