CN114414028B - 基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置即方法，其中测量装置包括：第一水箱，用于承载液体；波导管，具有输入端和第一输出端、第二输出端；输入端上设置有固液耦合器；固液耦合器位于第一水箱内；超声换能器，位于第一水箱内，与固液耦合器相对设置；信号发生器，与超声换能器连接；第二水箱，用于承载液体，波导管的第一输出端位于第二水箱内；第一水听器，位于第二水箱内的第一输出端内；第三水箱，用于承载液体，波导管的第二输出端位于第三水箱内；第二水听器，位于第三水箱内的第二输出端内。本申请的一个技术效果在于可以较为精确的测量管内介质下的声速变化。

Description

基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置及方法

技术领域

本申请属于超声技术领域，具体地说，涉及一种基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置及方法。

背景技术

随着声学技术的快速发展，测量声学技术在实际随着声学的迅速发展,检测声学在实际应用中也越来越广泛，在探伤、定位、测距、流体测速、无损检测等声学检测领域中声速的测量尤为重要。而其中测量管道中的声速是一件基础但又十分有意义的研究工作。

目前对于波导管中介质声速测量主要采用的原理有驻波共振法、相位比较法和时差法。驻波共振法的测量原理是保持管内液面高度不变，将水听器固定在管内介质中心，上下移动，测量出驻波场内两个相邻波谷或波峰之间的距离d，即可计算出声速c1＝2d×f。相位比较法也是将水听器固定在管内介质中心并上下移动，通过观看示波器上发射和接收的信号波形两次重合时，水听器移动的距离为波长λ，故声速为c2＝λ×f。而时差法是一种简单可靠的测量声速的方法，通过测量一个脉冲波传播一定距离d2所需要的时间t来计算声速：c3＝d2/t。

上述三种方法的优点是原理简单直观，却各自都有缺点：驻波共振法——会因为插入水听器的散射现象引起管内驻波场发生变化导致驻波场场波谷与波谷之间或者波峰与波峰之间位置测量不准，从而影响声速的测量精度。相位比较法也有相同的问题，并且也都存在读数不准的问题，因为难以精确读取水听器移动的距离。时差法——目前时差法大多采用的是回波测量时差法。但也存在一个问题就是当脉冲波碰到管底产生回波开始传输时在碰到任何有缺陷的地方时极易发生模态转换，导致波形变化，而时差法是通过对比发出波和回波相同波形之间的时间。故回波的波形变化会影响到声速的测量精度。

不仅如此，众所周知声速受到诸多因素的影响如:温度条件和压力条件等。所以提出一种新的对管内介质声速测量的装置与方法就具有很重要的价值。

发明内容

本申请的一个目的是提供一种基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置的新技术方案。

根据本申请的一个方面，本申请提供一种基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，包括：

第一水箱，用于承载液体；

波导管，具有依次设置的输入端和第一输出端、第二输出端；所述输入端上设置有固液耦合器；所述固液耦合器位于所述第一水箱内；

超声换能器，位于所述第一水箱内，与所述固液耦合器相对设置；

信号发生器，与所述超声换能器连接；

第二水箱，用于承载液体，所述波导管的第一输出端位于所述第二水箱内；

第一水听器，位于所述第二水箱内的所述第一输出端内；

第三水箱，用于承载液体，所述波导管的第二输出端位于所述第三水箱内；

第二水听器，位于所述第三水箱内的所述第二输出端内；

所述第一水听器和所述第二水听器距离所述波导管的主体的距离相同。

可选地，还包括功率放大器，所述超声换能器和所述信号发生器通过所述功率放大器连接。

可选地，还包括示波器，所述示波器分别与所述信号发生器、所述第一水听器以及所述第二水听器连接。

可选地，所述固液耦合器为喇叭形结构，其广口喇叭端朝向所述超声换能器。

可选地，所述第一水箱、第二水箱和第三水箱连通。

可选地，还包括恒温器，所述恒温器被配置为控制所述第一水箱、第二水箱和第三水箱内的液体温度。

可选地，所述第一水听器不与所述第一输出端的内壁接触且所述第二水听器不与所述第二输出端的内壁接触。

可选地，所述第一水箱、第二水箱和第三水箱内的液面高度相同。

根据本申请的另一个方面，本申请还提供一种根据上述的测量装置的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量方法，包括以下步骤：

通过所述信号发生器发射脉冲信号至所述超声换能器；

所述超声换能器将所述脉冲信号转换为超声信号，通过所述固液耦合器传递至所述波导管内；

第一水听器在所述第一输出端内测量，第二水听器在所述第二输出端内测量，

声波信号进行对比得到时间差▽t，并测量第一输出端与第二输出端之间的距离▽L，即得到声速v＝▽L/▽t。

本申请的一个技术效果在于可以较为精确的测量管内介质下的声速变化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请一些实施例的结构连接示意图；

图2是本申请一些实施例中第一水听器接受到的声信号图；

图3是本申请一些实施例中第二水听器接受到的声信号图；

图中：1信号发生器；2示波器；3功率放大器；4阻抗匹配器；5固定板；6波导管，61输入端，62第一输出端，63第二输出端，7固液耦合器；8第一水听器；9第二水箱；10第二水听器；11超声换能器；12第一水箱；13第三水箱。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本申请提供的一种基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，在一些实施例中，参考图1，包括：信号发生器1，超声换能器11，波导管6，固液耦合器7，第一水听器8，第二水听器10，第一水箱12，第二水箱9，第三水箱13。

所述第一水箱12用于承载液体，该液体作为波导管管内介质，例如水。

所述波导管6具有依次设置的输入端61和第一输出端62、第二输出端63，形状类似山型，通常情况下，第一输出端62和第二输出端63的端头距离所述波导管6的主体的距离相同。所述输入端61上设置有固液耦合器7。所述固液耦合器7位于所述第一水箱12内。在一些实施例中，所述固液耦合器7为一简单的喇叭口结构，利用菲涅耳衍射原理，将声波导入到声波导管中并测量其声速。

所述超声换能器11位于所述第一水箱12内，与所述固液耦合器7相对设置，当所述超声换能器11将电信号装换位声信号后，声信号能够被所述固液耦合器7接收并转递至所述波导管6内。

所述信号发生器1与所述超声换能器11连接，所述信号发生器1用于发出电信号。

所述第二水箱9用于承载与所述第一水箱12相同的液体。所述波导管6的第一输出端62位于所述第二水箱9内。

所述第一水听器8位于所述第二水箱9内的所述第一输出端62内，用于监听传递至所述第一输出端62的声波。

所述第三水箱13用于承载与所述第一水箱12相同的液体。所述波导管6的第二输出端63位于所述第三水箱13内。

所述第二水听器10位于所述第三水箱13内的所述第二输出端63内，用于监听传递至所述第二输出端63的声波。

所述第一水听器8和所述第二水听器10距离所述波导管6的主体的距离相同。所述第一水听器8与所述第二水听器10是同型号同规格的，尽可能的减小测量误差。

第一水箱12，第二水箱9，第三水箱13用于储存管内介质，并把超声波的产生与超声波的接收分隔开来，使之互不干扰。

本申请在使用时，信号发生器1产生猝发音驱动信号，脉冲个数一般小于10个，控制较低的重频频率，以保证各脉冲之间不相互干扰。超声换能器11将电信号转换为声信号，通过固液耦合器7将声波输送至波导管6的输入端61，在邻近输入端61有声波导管6的输出端，第一水听器8在第一输出端62管口处进行测量，第二水听器10在第二输出端63管口处进行测量，声波信号进行对比得到时间差▽t，并测量第一输出端62与第二输出端63管口之间的距离▽L，即得到声速v＝▽L/▽t。本发明可以较为精确的测量不同管内介质下的声速变化，只需更换不同液体即可。

在一些实施例中，参考图1，还包括功率放大器3，所述超声换能器11和所述信号发生器1通过所述功率放大器3连接。所述功率放大器3将信号发生器1产生的驱动信号(电信号)进行放大，并控制驱动幅值至设定值。进一步的，还包括阻抗匹配器4，信号发生器1、功率放大器3、阻抗匹配器4、超声换能器11依次连接，阻抗匹配器4将驱动信号有效施加于超声换能器，减小反向功率，降低系统功率损耗及反向功率造成的系统发热和损伤。

在一些实施例中，参考图1，还包括示波器2，所述示波器2分别与所述信号发生器1、所述第一水听器8以及所述第二水听器10连接。所述第一水听器8以及所述第二水听器10监测到的声波信号在示波器中进行对比得到时间差▽t。

在一些实施例中，参考图1，所述固液耦合器7为喇叭形结构，其广口喇叭端朝向所述超声换能器11，将超声换能器11产生的声波导入到较小的声波导管中去，使声波能够更有效的传输。。

在一些实施例中，参考图1，所述第一水箱12、第二水箱9和第三水箱13连通，能够使得所述第一水箱12、第二水箱9和第三水箱13内的液面高度相同。

在一些实施例中，还包括恒温器(未示出)，所述恒温器控制所述第一水箱12、第二水箱9和第三水箱13内的液体温度，调节并显示测量时管内介质的温度并保持我们所设定的温度，避免温度变化对声速测量的影响。使得本发明可以较为精确的测量不同管内介质，不同温度下的声速变化。

在一些实施例中，所述第一水听器8不与所述第一输出端62的内壁接触且所述第二水听器10不与所述第二输出端63的内壁接触。提高监测的准确性。

所述的信号发生器1与超声换能器11与第一水箱12构成超声波发生装置，利用信号发生器1产生猝发音驱动信号，脉冲个数小于10个，控制较低的重频频率，以保证各脉冲之间不相互干扰。采用单振元的超声换能器11以产生较为简单的声场。

所述的第一水听器8与所述第二水听器10为声波的接收装置，采用两个相同型号的压电水听器进行测量并在所述的示波器上进行显示，触发信号由信号发生器1发出，使得两个水听器接收到的信号具有可比性。

所述的亚波长波导管是设计并制作的声波传输装置，其内径满足与发射声波的波长一定关系，使得声波在超声波导管中以平面波的形式进行传播。其波长应大于等于管的内径提高其刚度，我们称之为厚壁管，避免管壁的振动对管内介质声速的测量。

在一些实施例中，还包括固定板5，用于固定波导管等组件。所述的固定板5及水箱，是本发明的装置固定部分，并使得超声波发生装置、传输装置及接收装置不是直接接触相互干扰，各个部分由管内介质连在一起。

在一些实施例中，所述的固定装置、水箱、亚波长波导管与管内介质构成了一个连通器，由于连通器原理会使得各水箱的水位高度一致，避免了各水箱中液面高度不同对声速测量的影响。

所述超声换能器可以使用的压电陶瓷片制作。所述水听器的型号可以是RESON TC4035。所述信号发生器的型号可以是DG800。所述示波器的型号可以是DSOX6004A。所述功率放大器的型号可以是2200L。

本发明采用的基于亚波长尺度下，即声波波长大于波导管内径时，声波在其管中以平面波的形式进行传播，避免了声波在管中发生反射、衍射产生波形变化进而对声速测量带来的影响，虽然本装置也是采用时差法，但不同与上述介绍的回波时差法，本装置采用的是透射时差法，只需测量两个水听器之间的距离和时间差，而不用测量回波，避免经过模态转换的回波对声速测量的影响。

同时通过加大两个声波接收装置的距离，降低了在驻波共振法、相位比较法中因为读数对声速测量带来的误差。测量装置结构简单，测量方法简单易懂，可以适用于测量不同管内介质。

本申请还提供一种基于上述测量装置的亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量方法，包括以下步骤：

通过所述信号发生器1发射脉冲信号至所述超声换能器11；

所述超声换能器11将所述脉冲信号转换为超声信号，通过所述固液耦合器7传递至所述波导管6内；

第一水听器8在所述第一输出端62内测量，第二水听器10在所述第二输出端63内测量，

声波信号进行对比得到时间差▽t，并测量第一输出端62与第二输出端63之间的距离▽L，即得到声速v＝▽L/▽t。

参考图2和图3，一个具体实施例下接收到的脉冲声信号，横坐标为时间，纵坐标为幅度，由此就可以得到时间差▽t＝0.0009129-0.0004395＝0.0004734s。再两管口之间的距离除以时间差即得到声速。

本发明采用的基于亚波长尺度下，即声波波长大于波导管内径时，声波在其管中以平面波的形式进行传播，避免了声波在管中发生反射、衍射产生波形变化进而对声速测量带来的影响，虽然本装置也是采用时差法，但不同与上述介绍的回波时差法，本装置采用的是透射时差法，只需测量两个水听器之间的距离和时间差，而不用测量回波，避免经过模态转换的回波对声速测量的影响。

同时通过加大两个声波接收装置的距离，降低了在驻波共振法、相位比较法中因为读数对声速测量带来的误差。测量装置结构简单，测量方法简单易懂，可以适用于测量不同管内介质。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解，不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，其特征在于，包括：

第一水箱，用于承载液体；

声波导管，具有依次设置的输入端和第一输出端、第二输出端；所述输入端上设置有固液耦合器；所述固液耦合器位于所述第一水箱内；

超声换能器，位于所述第一水箱内，与所述固液耦合器相对设置；

信号发生器，与所述超声换能器连接；

第二水箱，用于承载液体，所述声波导管的第一输出端位于所述第二水箱内；

第一水听器，位于所述第二水箱内的所述第一输出端内；

第三水箱，用于承载液体，所述声波导管的第二输出端位于所述第三水箱内；

第二水听器，位于所述第三水箱内的所述第二输出端内；

所述第一水听器和所述第二水听器距离所述声波导管的主体的距离相同；

所述亚波长尺度指声波波长大于声声波导管内径，此时声波在声波导管内以平面形式传播；

所述第一水箱、第二水箱和第三水箱连通；

所述第一水箱、第二水箱和第三水箱内的液面高度相同。

2.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，其特征在于，还包括功率放大器，所述超声换能器和所述信号发生器通过所述功率放大器连接。

3.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，其特征在于，还包括示波器，所述示波器分别与所述信号发生器、所述第一水听器以及所述第二水听器连接。

4.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，其特征在于，所述固液耦合器为喇叭形结构，其广口喇叭端朝向所述超声换能器。

5.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，其特征在于，还包括恒温器，所述恒温器被配置为控制所述第一水箱、第二水箱和第三水箱内的液体温度。

6.根据权利要求1所述的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量装置，其特征在于，所述第一水听器不与所述第一输出端的内壁接触且所述第二水听器不与所述第二输出端的内壁接触。

7.一种根据权利要求1-6任一所述的测量装置的基于亚波长尺度的声波导管管内介质声速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过所述信号发生器发射脉冲信号至所述超声换能器；

所述超声换能器将所述脉冲信号转换为超声信号，通过所述固液耦合器传递至所述声波导管内；

第一水听器在所述第一输出端内测量，第二水听器在所述第二输出端内测量，声波信号进行对比得到时间差▽t，并测量第一输出端与第二输出端之间的距离▽L，即得到声速v＝▽L/▽t。