CN114113315A - 一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，运用气体介质中声波共振能量损耗方式实现测量。本发明首先在声学共振腔体中利用激励声源产生声波信号，并同步采集声波信号复数电压响应值，再利用激励声源频率和声波信号复数电压响应值拟合得到共振峰的声学共振半宽，最后根据声学共振半宽得到待测气体粘度；本发明可以有效避免传统方法的不足，满足气体粘度高精度测量的要求，测量范围广、测量精度高、自动化程度高，对气体热物理性质测量领域相关研究具有深远意义。

Description

一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法
技术领域
本发明属于气体热物理性质测量领域，特别涉及一种适用于准热力学平衡态的气体粘度测量方法。
背景技术
高速飞行器气动环境的预示以精确的大气热力学环境参数作为基础，介质的属性直接影响飞行器的气动性能，气体粘度是气动环境精细化预示的关键参数之一。目前，高速飞行器气动环境研究中的气体粘度计算方法多是苏联和美国在上世纪60年代基于航天飞机再入研究建立的经验性工程关联式，然而随着新型高速飞行器设计逐渐向精细化方向发展，对气动环境的精确预示的需求越来越高，由于缺乏真实飞行环境的实验数据支撑，采用经验工程公式获得的高温大气粘度计算偏差与飞行演示验证实际测量具有较大的差异，直接影响了气动环境的预测准确性，影响飞行器飞行安全和精细化设计。
目前，国际上现有的气体粘度测量方法大多数基于液体粘度测量而开发的，能够实现气体粘度高精度测量的方法主要有振动盘法、振动弦法、毛细管法、旋转法等，通过待测气体与承载结构壁面或振动体之间的剪切力测量获得气体粘度。然而采用上述方法测量超高速飞行的高温大气粘度时，存在如下问题： (1)核心测量装置都含有非金属构件，所能实现的测量温度范围难以达到超高速飞行的高温大气温度；(2)绝大多数测量装置含有运动部件，其信号探测装置都难以适应高温环境；(3)毛细管法采用微细管路通常达到数十米以上才能达到所需的测量精度，难以满足核心测量装置需求的高稳定性、高均匀性的高温恒温空间。因此现有的测量方法都无法满足飞行器飞行环境研究所涉及的高温环境需求。
鉴于上述问题和需求，开发适用高速飞行环境的气体粘度测量方法，成为气动环境精确预示，实现高速飞行器精细化设计的关键技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，运用气体介质中声波在传播过程中的能量损耗实现测量。本发明首先在声学共振腔体中利用激励声源产生声波信号，并同步采集声波信号复数电压响应值，再利用激励声源频率和声波信号复数电压响应值拟合得到共振峰的声学共振半宽，最后根据声学共振半宽得到待测气体粘度；本发明可以有效避免传统方法的不足，满足高速飞行环境气体粘度高精度测量的要求，测量范围广、测量精度高、自动化程度高，特别适合于混合介质粘度测量，对气体热物理性质测量领域相关研究具有深远意义。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，包括如下步骤：
S1向声学共振腔体内充入待测气体，并使声学共振腔体内的温度和压力稳定于测试所需温度和压力；
S2确定激励声源的初始频率f0；
S3利用初始频率为f0的激励声源，在声学共振腔体内产生声波信号，并同步采集声波信号复数电压响应值；
S4以初始频率f0为基础，逐步改变激励声源的频率，在声学共振腔体内产生声波信号，并同步采集每个激励声源频率下的声波信号复数电压响应值；
S5对步骤S4和步骤S5的激励声源频率和相应的声波信号复数电压响应值进行拟合，得到共振峰的拟合半宽gN；
S6根据共振峰的拟合半宽gN得到待测气体的粘度值。
进一步的，所述步骤S2中，激励声源的初始频率f0为声学共振腔体内充入待测气体时声学共振模式所对应的共振频率。
进一步的，所述步骤S4中，激励声源频率范围覆盖整个共振峰，即以初始频率f0为基础，逐步减小和增大激励声源频率，直至声波信号复数电压响应值为0，获得声学共振峰宽度，也即图1中的Δf。
进一步的，所述步骤S5中，拟合公式为：
Figure BDA0003382124630000031
其中，u+iv为声波信号复数电压响应值，u和v分别为复数电压响应值的实部和虚部，i为虚数单位，f为激励声源频率，
Figure BDA0003382124630000032
为固定参数，A、B、C、D 和F为复数拟合参数。
进一步的，所述固定参数
Figure BDA0003382124630000033
进一步的，所述步骤S5中，F＝fN+igN，fN和gN为拟合共振峰中心频率和拟合共振峰半宽，根据复数拟合参数F得到拟合共振峰半宽gN。
进一步的，所述步骤S6中，待测气体的粘度值：
Figure BDA0003382124630000034
其中，ρ为待测气体的密度，fN为拟合共振峰中心频率，rd为声学共振腔体中气体通道的半径，待测气体粘性引起的半宽Δgv＝gN。
进一步的，所述声学共振腔体包括第一圆柱共振腔、第二圆柱共振腔，激励传感器，测量传感器和毛细导管；
毛细导管连通第一圆柱共振腔和第二圆柱共振腔，为声学共振腔体中的气体通道，毛细导管、第一圆柱共振腔和第二圆柱共振腔组成密闭腔体，激励传感器作为激励声源设于第一圆柱共振腔中，第二圆柱共振腔用于采集声波信号复数电压响应值，设于第二圆柱共振腔中。
进一步的，所述声学共振腔体中毛细导管长度为1cm～5cm，直径为 1mm～5mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明基于声学共振能量耗散测量的气体粘度的方法中，创新性提出在声波驱动下通过待测介质在毛细管路中高效反复振荡的能量损耗获得气体粘度，相比于传统的毛细管粘度测量法中运用气体在毛细管中运动的沿程能量损耗方式实现测量，本发明将毛细管的长度从几米、数十米缩减到了几厘米，有效减小了测量装置的体积，使本发明方法可以实现较宽温度范围环境下的测量；
(2)本发明基于声学共振能量耗散测量的气体粘度的方法中，特别的提出了使用声学共振能量损耗引起的共振峰半宽获得气相粘度的方法，相比于传统毛细管法测量方法通过测量压降，振动盘法、振动弦法和旋转法通过测量剪切应力的实现粘度测量的方式，本发明通过声学共振峰半宽测量获得气体粘度，具有测量精度高、测量周期短的优点；
(3)本发明基于声学共振能量耗散测量的气体粘度的方法中，特别的提出了通过声波驱动待测介质在毛细管内反复振荡实现粘度测量的方式，相比于传统的方法，如毛细管法、振动盘法、振动弦法和旋转法等，待测介质存在热力学状态差异，本发明方法待测介质所处热力学状态稳定一致，使本发明可以实现准热力学平衡态的气体粘度测量；
(4)本发明基于声学共振能量耗散测量的气体粘度的方法中，相比于测量方法传统的毛细管法、振动盘法、振动弦法和旋转法等待测介质存在的状态差异引起介质状态、组成等分布不均匀，本发明方法待测介质状态均一稳定，避免了因待测介质的组分组成和反应状态的不同对测量结果产生的影响，适用范围广，特别适合于混合介质粘度的测量，如空气、共沸/非共沸介质等；
(5)本发明基于声学共振能量耗散测量的气体粘度的方法中，通过声波驱动介质实现相对运动，相比于传统的振动盘法、振动弦法和旋转法采用运动部件驱动方式，本发明不含运动部件，具有测量可靠性高、稳定性好、易于实现自动测量的优点。
附图说明
图1为本发明声学共振峰半宽示意图；
图2为本发明声学共振腔体结构示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明一种基于声学共振能量耗散测量的气体粘度的方法，通过测量气体介质中声波在传播过程中的能量损耗获得气体的粘度。
在气体介质中，声波传播过程中引起介质在传播方向上的压缩和膨胀。声波在充满气体介质的声学共振腔体内传播时，气体介质与腔体壁面之间存在持续的相对运动。实际气体的粘性使得气固界面处气体分子的切向运动速度为零，气体分子与腔体壁存在动量的交换，造成声波能量的损耗，使得声学共振峰产生一定的半宽，如图1所示。
由于气体粘度引起了声学共振峰的变化，所以声学共振峰的半宽代表了腔体内声波能量的耗散大小，气体粘性引起的半宽Δgv与气体的粘度、密度和声学振动频率有关：
Figure BDA0003382124630000051
其中，η为气体的动力粘度，ρ为气体的密度，ω＝2πf为声波的角频率，f 为声波频率，rd为气体通道的半径。从上式可以看到，可以通过声学共振半宽的测量获得气体粘度：
Figure BDA0003382124630000052
因此通过声学共振峰半宽的测量即可以得到待测气体介质的粘度。
基于上述原理，本发明一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，包括如下步骤：
S1将声学共振腔体进行抽真空处理，优选的，使真空度≥10-4Pa；优选的声学共振腔体结构如图2所示，包括第一圆柱共振腔3、第二圆柱共振腔4，激励传感器1，测量传感器2和毛细导管5，毛细导管5连通第一圆柱共振腔3 和第二圆柱共振腔4，为声学共振腔体中的气体通道，毛细导管5、第一圆柱共振腔3和第二圆柱共振腔4组成密闭腔体，激励传感器1作为激励声源设于第一圆柱共振腔3中，测量传感器2作为测量装置设于第二圆柱共振腔4中，用于采集声波信号复数电压响应值。测量过程中腔体内充满待测气体介质。
S2充入待测气体介质，使声学共振腔体待测气体介质达到待测的温度、压力并处于稳定状态；
S3通过对声学共振腔频率谱测量获得的声学共振峰，确定声学共振峰中心频率f0和声学共振峰的宽度Δf，共振峰图像如图1所示；
S4激励传感器1作为激励声源产生频率f的正弦电压激励，在腔体内产生声波信号，利用测量传感器2同步采集声波信号复数电压响应值U＝u+iv；
S5改变激励声源频率，并同步采集声波信号复数电压响应值U＝u+iv；
优选的，改变激励声源频率的方法为以初始频率f＝f0-Nδf为基础，按照﹢δf 的规律逐步增加改变激励声源频率到f＝f0+Nδf，
δf＝Δf/N (3)
其中，N为测量点数，优选的N＝11；
S6对测量传感器2采集到的声波信号复数电压响应值U＝u+iv和对应的激励声源频率值f值采用式(4)进行拟合，
Figure BDA0003382124630000061
其中，u和v分别为复数电压响应值的实部和虚部，i为虚数单位，f为激励声源频率，
Figure BDA0003382124630000062
为固定参数，优选的
Figure BDA0003382124630000063
A、B、C、D和F为复数拟合参数；
由于F＝fN+igN，fN和gN为拟合共振峰频率和拟合共振峰半宽，式(4)拟合后得到F的值，即得到了拟合共振峰半宽gN，即声学共振峰半宽；
S7根据拟合共振峰半宽gN，利用公式(2)得到待测气体的粘度值：
待测气体的粘度值
Figure BDA0003382124630000064
此处ρ为待测气体的密度，fN为拟合共振峰中心频率，rd为声学共振腔体中气体通道的半径，即毛细导管5的半径，待测气体粘性引起的半宽Δgv＝gN。因此通过拟合共振峰半宽gN即声学共振峰半宽的测量可以得到气体粘度。
因此，本发明通过测量粘度引起的声学共振能量的损耗获得了待测气体粘度值，提供了基于声学共振能量耗散测量实现气体粘度测量的方法。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1向声学共振腔体内充入待测气体，并使声学共振腔体内的温度和压力稳定于测试所需温度和压力；
S2确定激励声源的初始频率f0；
S3利用初始频率为f0的激励声源，在声学共振腔体内产生声波信号，并同步采集声波信号复数电压响应值；
S4以初始频率f0为基础，逐步改变激励声源的频率，在声学共振腔体内产生声波信号，并同步采集每个激励声源频率下的声波信号复数电压响应值；
S5对步骤S4和步骤S5的激励声源频率和相应的声波信号复数电压响应值进行拟合，得到共振峰的拟合半宽gN；
S6根据共振峰的拟合半宽gN得到待测气体的粘度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述步骤S2中，激励声源的初始频率f0为声学共振腔体内充入待测气体时声学共振模式所对应的共振频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述步骤S4中，激励声源频率范围覆盖整个共振峰。
4.根据权利要求1所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述步骤S5中，拟合公式为：
Figure FDA0003382124620000011
其中，u+iv为声波信号复数电压响应值，u和v分别为复数电压响应值的实部和虚部，i为虚数单位，f为激励声源频率，
Figure FDA0003382124620000012
为固定参数，A、B、C、D和F为复数拟合参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述固定参数
Figure FDA0003382124620000013
6.根据权利要求4所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述步骤S5中，F＝fN+igN，fN和gN为拟合共振峰中心频率和拟合共振峰半宽，根据复数拟合参数F得到拟合共振峰半宽gN。
7.根据权利要求1所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述步骤S6中，待测气体的粘度值
Figure FDA0003382124620000021
其中，ρ为待测气体的密度，fN为拟合共振峰中心频率，rd为声学共振腔体中气体通道的半径，待测气体粘性引起的半宽Δgv＝gN。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述声学共振腔体包括第一圆柱共振腔(3)、第二圆柱共振腔(4)，激励传感器(1)，测量传感器(2)和毛细导管(5)；
毛细导管(5)连通第一圆柱共振腔(3)和第二圆柱共振腔(4)，为声学共振腔体中的气体通道，毛细导管(5)、第一圆柱共振腔(3)和第二圆柱共振腔(4)组成密闭腔体，激励传感器(1)作为激励声源设于第一圆柱共振腔(3)中，第二圆柱共振腔(4)用于采集声波信号复数电压响应值，设于第二圆柱共振腔(4)中。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于声学共振能量耗散测量气体粘度的方法，其特征在于，所述毛细导管(5)长度为1cm～5cm，直径为1mm～5mm。
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