基于声学法测温的声波飞渡时间研究

赵俭，常蕾

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引言

声学法测温是利用声波在待测温场传播距离内的延时，计算出该待测介质中声波的传播速度，从而重建出待测温区的温度场。声学法测温在锅炉炉温、高温惰性气体、汽缸燃烧气体等特殊工况下高温温度场的测量方面应用广泛[1－3]。

声波信号在测量路径中飞渡时间的测量精确度是影响气流温度场测量准确性的重要因素。待测环境不同，声波的传播速度及路径也不同，声波飞渡时间的测量受到声波信号源的选取、声波在传播过程中的衰减、背景噪声等因素的影响较大[4]。因此，在不同工况下声波探测器声源信号的选取及声波飞行时间的计算方法是声波飞行时间研究的难点。本文从单一频率声波信号及宽带频率声波信号声波飞渡时间的仿真计算及超声波信号衰减对声波飞渡时间计算的影响两方面对声波飞渡时间进行研究。

1 声波飞渡时间测量

依据声波信号传输距离的远近计算其时延时间的方法很多，而互相关分析法由于仿真计算简单、信号采集处理方便，同时具有较强的抑躁能力，在工程实践中得到较好的应用[5]。

互相关分析计算超声波飞渡时间是基于互相关函数寻峰原则，声波飞渡时间测量示意图如图1所示。为重建某条声波飞行路径上的平均温度，在待测气流温场两端安装一对麦克风，两个麦克风之间的距离为d。理想状态下，待测温场不存在噪声干扰，麦克风1发射声波信号f(t)，麦克风2接收声波信号f(t－Δt)，Δt为声波信号由麦克风1处传播到麦克风2处所用时间[6]。

图1 声波飞渡时间测量示意图

麦克风1的输出电信号为x(t)，忽略噪声影响，则x(t)=k1f(t)，k1为系数。

麦克风2的输出电信号为y(t)，忽略噪声影响，则y(t)=k2f(t－Δt)，k2为系数。

将麦克风1、麦克风2输出的电信号x(t)和y(t)进行互相关分析计算，x(t)和y(t)的互相关函数为:

当τ=τm=Δt时，x(t)与y(t)的相关性最强，互相关函数值取最大值。互相关函数峰值处所对应的时间τm即为超声波从麦克风1传输到麦克风2所用的时间Δt。找出互相关函数的峰值点所对应的时间Δt即为声波的飞渡时间。

2 声波飞渡时间仿真试验

声波飞渡时间仿真研究，首先对声波探测器进行声源的选择，目前主要采用单一频率信号及宽带频率信号作为声波的发射及接受信号。对于单一频率信号，声波飞渡时间受到信号频率的限制，声波在飞行距离之间的飞渡时间不能超过声波信号的一个周期，因此在仿真试验中应用较多;对于宽带频率信号，其具有较强的抗噪声能力，同时其测量声波飞渡时间不受信号频率的限制在工程实践中广泛使用。

2.1 单一频率信号声波飞渡时间仿真试验

采用简单正弦信号作为单一频率信号的声源，利用互相关分析法计算声波的飞渡时间。图2为正弦连续声波信号延时1/8，1/4，3/4，9/8个周期后，声波飞渡时间计算结果。

仿真结果表明:对于正弦信号，声波的飞渡时间在一个周期内计算出的飞渡时间准确。声波飞渡时间超过一个周期时，受到信号采集的限制，无法通过互相关分析法判断声波信号经过了几个周期的延时，因此计算出的声波飞渡时间不准确。

图2 正弦连续信号声波飞渡时间

对于连续的声波信号，需要对互相关分析法计算出的结果进行寻峰处理才能得到准确的飞渡时间，寻峰处理要经过多次迭加，计算过程较为繁琐。因此，在声波飞渡时间计算时，一般先将连续信号离散化再进行互相关计算，图3为正弦离散信号声波飞渡时间计算结果。

图3 正弦离散信号声波飞渡时间

仿真结果表明:对离散信号进行互相关分析，能直接得到声波飞渡时间，不需要对计算结果进行寻峰处理。离散信号还便于进行差值计算，提高声波飞渡时间的计算精度。

2.2 宽带频率信号声波飞渡时间仿真试验

宽带频率信号主要包括噪声信号及扫频信号两种。在实际工程测量中，由于现场条件恶劣，噪声环境复杂，为避开噪声对声波信号的影响，一般采用扫频信号对声波飞渡时间进行计算。图4为扫频信号延时0.05，0.1，0.3，0.5 ms后声波飞渡时间的计算结果。

仿真结果表明:采用扫频信号计算声波飞渡时间，计算结果不受声波信号延时、声波信号周期等因素的限制，计算结果准确。但扫频信号频率不固定，在某一测温时刻有可能与待测温场的某些噪声信号形成共振，对测量结果产生影响。

图4 扫频信号声波飞渡时间

3 声波飞渡时间试验研究

声波飞渡时间的测量受到声波信号的衰减、声波信号频率的选择、声波的有效传播距离等因素的影响，其中声波信号的衰减是影响飞渡时间计算的主要因素。因此针对声波信号由于衰减过快而接收不到的问题，我们在试验室采用一对40 kHz正弦超声波探测器进行了相关试验。

图5为超声波探测器测量声波飞渡时间实物图。图6为40 kHz正弦超声波收发探测器在相距5 mm及10 mm时，超声波发射器及接受器通过示波器采集到的声波原始信号图，图7为通过互相关分析法计算的超声波飞渡时间。

图5 超声波探测器实物图

图6 超声波探测器原始信号

由图6中可以看出，超声信号的振幅衰减较严重，两探测器间距离160 mm时超声波接受器已采集不到超声信号，无法进行声波飞渡时间的计算，即频率为40 kHz的超声波信号不经过放大处理仅能测得距离为160 mm的温场。

4 总结

声学法温度场重建技术中，声波飞行时间的精确测量是工程应用中的难点，通过上述声波飞渡时间仿真计算及试验研究可以得到，采用宽频信号作为声波信号分析声波的飞渡时间可以避免周期间隔造成计算误差，对提高声学法温度场测量精度具有实际意义。

图7 超声波飞渡时间

[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.

[2]Said AAlzebda，Alexander N.Kalashnikov.Ultrasonic Sensing of Temperature of Liquids Using Inexpensive Narrowband Piezoelectric Transducers[J].Ultrasonics Ferroele ctrics and Frequency Control，2010，57(12):2704 －2711.

[3]宋志强，李铁华，李海涛.声学法锅炉温度场检测技术的应用 [J].广东电力，2004，17(6):10－14.

[4]沈国清，安连锁，姜根山.炉膛烟气温度声学测量方法的研究与进展[J].仪器仪表学报，2003，24(4):555－558.

[5]王魁汉.温度测量技术的现状及展望 [J].基础自动化，1997(1):1－6.

[6]颜华，彭珍.基于互相关和插值运算的声波飞行时间测量[J].沈阳工业大学学报，2008，30(6):663－666.