[发明专利]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

说明书

本发明公开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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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：

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。

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：

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。