[發(fā)明專利]一種斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法

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• 申請日: 2022-04-11
• 公開（公告）號: CN114895065A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發(fā)明（設計）人: 張世瑋;蘇明旭;侯懷書;田昌;俞天陽;馬良;卻依飛
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24;B06B1/06
• 代理公司: 上海德昭知識產(chǎn)權代理有限公司 31204
• 代理人: 盧泓宇

本發(fā)明公開了一種斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟1，首先將壓電陶瓷傾斜α角度固定于換能器外殼中，其次在壓電陶瓷的前端粘接1/4波長厚度的玻璃珠匹配層，組成空耦超聲換能器陣列。步驟2，空耦超聲換能器陣列獲取不同收發(fā)通道的順流、逆流超聲回波信號。步驟3，基于超聲回波信號構建渡越時間矩陣，基于時差法原理計算空耦超聲換能器陣列不同收發(fā)路徑的氣流速度。步驟4，求解測量區(qū)二維平面聲程交點的坐標及速度向量，基于氣流速度利用重建算法得到測量區(qū)的氣流速度場，最終實現(xiàn)狹窄流道氣流速度場的準確測量。

技術領域

本發(fā)明涉及流場測量技術領域，具體涉及一種斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法。

背景技術

各類狹窄流道內(nèi)的氣流速度場測量在動力機械、流體機械等多個領域均受到廣泛關注。葉柵通道內(nèi)的復雜流動對于燃氣輪機的效率、可靠性及使用壽命非常關鍵，只有充分認識了流動規(guī)律后，才有可能主動控制相關流動，實現(xiàn)相應機組的高效安全可靠運行。因此需要一種安全、可靠且無干擾的測量方法和技術滿足狹窄流道氣體流場的測量需求。

超聲波流場測量是一種非接觸測量方法，具有對流場無干擾、成本低、安全和對流體特性適應性寬等特點。同時超聲波還具有測量精度高、方向性好、在介質(zhì)中傳播能力強等特性，可結(jié)合時差法實現(xiàn)對二維流場的非接觸可視化測量。然而，常規(guī)超聲換能器發(fā)射超聲波在空氣中衰減較大；同時針對狹窄流道速度場測量，收發(fā)換能器相距較遠時，由于換能器前端至反射面的距離較小以及超聲換能器有限的擴散角，很難獲得經(jīng)反射后的回波信號。基于此，本發(fā)明提出一種斜口空氣耦合超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法。

本發(fā)明提供了一種斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟1，首先將壓電陶瓷傾斜α角度固定于換能器外殼中，其次在壓電陶瓷的前端粘接1/4波長厚度的玻璃珠匹配層，組成空耦超聲換能器陣列。步驟2，空耦超聲換能器陣列獲取不同收發(fā)通道的順流、逆流超聲回波信號。步驟3，基于超聲回波信號構建渡越時間矩陣，基于時差法原理計算空耦超聲換能器陣列不同收發(fā)路徑的氣流速度。步驟4，求解測量區(qū)二維平面聲程交點的坐標及速度向量，基于氣流速度利用重建算法得到測量區(qū)的氣流速度場，最終實現(xiàn)狹窄流道氣流速度場的準確測量。

在本發(fā)明提供的斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟1中，斜口空耦超聲換能器的傾斜角α的計算過程為：

式中，d為相鄰兩超聲換能器間距，D為超聲換能器直徑，h為換能器陣列距反射面距離，n為空耦超聲換能器個數(shù)，λ為聲波波長，且λ＝c/f，c為超聲波的傳播速度，f為超聲換能器的工作頻率。

在本發(fā)明提供的斜口空耦超聲換能器測量狹窄流道氣流速度場的方法中，還可以具有這樣的特征：其中，步驟2具體包括以下步驟：

步驟2-1，計算機控制超聲發(fā)射板卡產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，通過前置放大器對觸發(fā)脈沖進行功率放大得到超聲激勵脈沖。步驟2-2，由切換開關控制空耦超聲換能器陣列中的某一個待激勵空耦超聲換能器完成一次超聲波發(fā)射。步驟2-3，激勵空耦超聲換能器1發(fā)射超聲波，空耦超聲換能器2～空耦超聲換能器n依次接收反射超聲信號。步驟2-4，將超聲信號進行信號放大，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡送入計算機中，得到探頭1發(fā)射的n-1組超聲回波信號。