基于聲學法測溫的聲波飛渡時間研究

趙儉，常蕾

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

聲學法測溫是利用聲波在待測溫場傳播距離內的延時，計算出該待測介質中聲波的傳播速度，從而重建出待測溫區的溫度場。聲學法測溫在鍋爐爐溫、高溫惰性氣體、汽缸燃燒氣體等特殊工況下高溫溫度場的測量方面應用廣泛[1－3]。

聲波信號在測量路徑中飛渡時間的測量精確度是影響氣流溫度場測量準確性的重要因素。待測環境不同，聲波的傳播速度及路徑也不同，聲波飛渡時間的測量受到聲波信號源的選取、聲波在傳播過程中的衰減、背景噪聲等因素的影響較大[4]。因此，在不同工況下聲波探測器聲源信號的選取及聲波飛行時間的計算方法是聲波飛行時間研究的難點。本文從單一頻率聲波信號及寬帶頻率聲波信號聲波飛渡時間的仿真計算及超聲波信號衰減對聲波飛渡時間計算的影響兩方面對聲波飛渡時間進行研究。

1 聲波飛渡時間測量

依據聲波信號傳輸距離的遠近計算其時延時間的方法很多，而互相關分析法由于仿真計算簡單、信號采集處理方便，同時具有較強的抑躁能力，在工程實踐中得到較好的應用[5]。

互相關分析計算超聲波飛渡時間是基于互相關函數尋峰原則，聲波飛渡時間測量示意圖如圖1所示。為重建某條聲波飛行路徑上的平均溫度，在待測氣流溫場兩端安裝一對麥克風，兩個麥克風之間的距離為d。理想狀態下，待測溫場不存在噪聲干擾，麥克風1發射聲波信號f(t)，麥克風2接收聲波信號f(t－Δt)，Δt為聲波信號由麥克風1處傳播到麥克風2處所用時間[6]。

圖1 聲波飛渡時間測量示意圖

麥克風1的輸出電信號為x(t)，忽略噪聲影響，則x(t)=k1f(t)，k1為系數。

麥克風2的輸出電信號為y(t)，忽略噪聲影響，則y(t)=k2f(t－Δt)，k2為系數。

將麥克風1、麥克風2輸出的電信號x(t)和y(t)進行互相關分析計算，x(t)和y(t)的互相關函數為:

當τ=τm=Δt時，x(t)與y(t)的相關性最強，互相關函數值取最大值。互相關函數峰值處所對應的時間τm即為超聲波從麥克風1傳輸到麥克風2所用的時間Δt。找出互相關函數的峰值點所對應的時間Δt即為聲波的飛渡時間。

2 聲波飛渡時間仿真試驗

聲波飛渡時間仿真研究，首先對聲波探測器進行聲源的選擇，目前主要采用單一頻率信號及寬帶頻率信號作為聲波的發射及接受信號。對于單一頻率信號，聲波飛渡時間受到信號頻率的限制，聲波在飛行距離之間的飛渡時間不能超過聲波信號的一個周期，因此在仿真試驗中應用較多;對于寬帶頻率信號，其具有較強的抗噪聲能力，同時其測量聲波飛渡時間不受信號頻率的限制在工程實踐中廣泛使用。

2.1 單一頻率信號聲波飛渡時間仿真試驗

采用簡單正弦信號作為單一頻率信號的聲源，利用互相關分析法計算聲波的飛渡時間。圖2為正弦連續聲波信號延時1/8，1/4，3/4，9/8個周期后，聲波飛渡時間計算結果。

仿真結果表明:對于正弦信號，聲波的飛渡時間在一個周期內計算出的飛渡時間準確。聲波飛渡時間超過一個周期時，受到信號采集的限制，無法通過互相關分析法判斷聲波信號經過了幾個周期的延時，因此計算出的聲波飛渡時間不準確。

圖2 正弦連續信號聲波飛渡時間

對于連續的聲波信號，需要對互相關分析法計算出的結果進行尋峰處理才能得到準確的飛渡時間，尋峰處理要經過多次迭加，計算過程較為繁瑣。因此，在聲波飛渡時間計算時，一般先將連續信號離散化再進行互相關計算，圖3為正弦離散信號聲波飛渡時間計算結果。

圖3 正弦離散信號聲波飛渡時間

仿真結果表明:對離散信號進行互相關分析，能直接得到聲波飛渡時間，不需要對計算結果進行尋峰處理。離散信號還便于進行差值計算，提高聲波飛渡時間的計算精度。

2.2 寬帶頻率信號聲波飛渡時間仿真試驗

寬帶頻率信號主要包括噪聲信號及掃頻信號兩種。在實際工程測量中，由于現場條件惡劣，噪聲環境復雜，為避開噪聲對聲波信號的影響，一般采用掃頻信號對聲波飛渡時間進行計算。圖4為掃頻信號延時0.05，0.1，0.3，0.5 ms后聲波飛渡時間的計算結果。

仿真結果表明:采用掃頻信號計算聲波飛渡時間，計算結果不受聲波信號延時、聲波信號周期等因素的限制，計算結果準確。但掃頻信號頻率不固定，在某一測溫時刻有可能與待測溫場的某些噪聲信號形成共振，對測量結果產生影響。

圖4 掃頻信號聲波飛渡時間

3 聲波飛渡時間試驗研究

聲波飛渡時間的測量受到聲波信號的衰減、聲波信號頻率的選擇、聲波的有效傳播距離等因素的影響，其中聲波信號的衰減是影響飛渡時間計算的主要因素。因此針對聲波信號由于衰減過快而接收不到的問題，我們在試驗室采用一對40 kHz正弦超聲波探測器進行了相關試驗。

圖5為超聲波探測器測量聲波飛渡時間實物圖。圖6為40 kHz正弦超聲波收發探測器在相距5 mm及10 mm時，超聲波發射器及接受器通過示波器采集到的聲波原始信號圖，圖7為通過互相關分析法計算的超聲波飛渡時間。

圖5 超聲波探測器實物圖

圖6 超聲波探測器原始信號

由圖6中可以看出，超聲信號的振幅衰減較嚴重，兩探測器間距離160 mm時超聲波接受器已采集不到超聲信號，無法進行聲波飛渡時間的計算，即頻率為40 kHz的超聲波信號不經過放大處理僅能測得距離為160 mm的溫場。

4 總結

聲學法溫度場重建技術中，聲波飛行時間的精確測量是工程應用中的難點，通過上述聲波飛渡時間仿真計算及試驗研究可以得到，采用寬頻信號作為聲波信號分析聲波的飛渡時間可以避免周期間隔造成計算誤差，對提高聲學法溫度場測量精度具有實際意義。

圖7 超聲波飛渡時間

[1]Shih J L，Kobayashi K.Flexible Metallic Ultrasonic Transducers for Structural Health Monitoring of Pipes at High Temperatures [J].Ultrasonics Ferroelectrics and Frequency control，2009，57(9):681－684.

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[3]宋志強，李鐵華，李海濤.聲學法鍋爐溫度場檢測技術的應用 [J].廣東電力，2004，17(6):10－14.

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[6]顏華，彭珍.基于互相關和插值運算的聲波飛行時間測量[J].沈陽工業大學學報，2008，30(6):663－666.