DE4030753A1 - Calculating sound dispersion in flowing media - separating surface into partial areas small compared with wavelengths produced by sound pressure of vibrating surface - Google Patents

Calculating sound dispersion in flowing media - separating surface into partial areas small compared with wavelengths produced by sound pressure of vibrating surface

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DE4030753A1 DE19904030753 DE4030753A DE4030753A1 DE 4030753 A1 DE4030753 A1 DE 4030753A1 DE 19904030753 DE19904030753 DE 19904030753 DE 4030753 A DE4030753 A DE 4030753A DE 4030753 A1 DE4030753 A1 DE 4030753A1
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Abstract

The calculation is based on the Huygenic principle according to which the vibrating surface producing sound pressure is divided into small surface areas that are small compared with the generated wavelengths. The spherical waves generted by these partial surface areas can be calculated at a reception point by their in-phase modulation. The scattering of each of these spherical waves through the flowing medium is calculated. The superimposing of the spherical waves produced is carried out at the receiving station. A finite number of selectable formed reflectors in the sound dispersion path is assurred. Their surfaces are taken again as starting points of spherical waves. USE/ADVANTAGE - Rapid calculation for optimising ultrasonic flowmeter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berech­ nung der Schallausbreitung in strömenden Medien.The present invention relates to a method for calculation Sound propagation in flowing media.

Die Kenntnis über die Schallausbreitung in strömenden Medien ist beispielsweise wesentlich für die Entwicklung und Opti­ mierung von Ultraschall-Durchflußmessern.Knowledge of sound propagation in flowing media is, for example, essential for development and opti mation of ultrasonic flow meters.

Bisher sind Berechnungsverfahren der folgenden Arten bekannt geworden:So far, calculation methods of the following types are known become:

  • a) Messung der Schallausbreitung mit Sondenmikrofonen in maßstäblich vergrößerten Modellen und Umsetzung der betref­ fenden Meßergebnisse in entsprechende Konstruktionsvorgaben,a) Measurement of sound propagation with probe microphones in models enlarged to scale and implementation of the subject Find measurement results in corresponding design specifications,
  • b) Berechnungsverfahren, z. B. nach der sog. Finite-Elemen­ te-Methode (hierbei ist eine sehr große Anzahl von Elementen erforderlich, da die Elemente klein gegen die Wellenlänge sein müssen; die Strömungseinflüsse sind in auf dem Markt angebotenen Rechnerprogrammen nicht implementiert),b) calculation methods, e.g. B. according to the so-called finite elements te method (here is a very large number of elements required because the elements are small against the wavelength have to be; the flow influences are in on the market offered computer programs not implemented),
  • c) Berechnung der Schallausbreitung nach dem Huygenschen Prinzip ohne Berücksichtigung der Strömungseinflüsse.c) Calculation of sound propagation according to Huygens Principle without taking flow influences into account.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das ge­ genüber dem Stand der Technik eine zeitsparende und damit kostengünstige Berechnung der Schallausbreitung in strömen­ den Medien und damit eine Optimierung von Ultraschall- Durchflußmessern gestattet. The present invention is based on the object To create procedures of the type mentioned, the ge Compared to the state of the art a time-saving and therefore cost-effective calculation of sound propagation in flows the media and thus an optimization of ultrasound Flow meters allowed.  

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, das erfin­ dungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die durch das strömende Medium hervorgerufene Verwehung jeder dieser Ku­ gelwellen berechnet wird und daß die Überlagerung der er­ zeugten Kugelwellen erst am Empfangsort durchgeführt wird.To solve this problem, a procedure according to the Ober Concept of claim 1 proposed that invented is accordingly characterized in that the flowing medium-induced drift of each of these Ku gel waves is calculated and that the superposition of the he generated spherical waves is only carried out at the receiving location.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebeben Merkmale gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are characterized by the in Characteristics indicated in the subclaims.

Im folgenden wird die Erfindung anhand meherer Figuren im einzelnen beschrieben.In the following the invention with reference to several figures in described.

Fig. 1 zeigt schematisch die Ausbreitungscharakteristik einer Kugelwelle. Fig. 1 shows schematically the propagation characteristic of a spherical wave.

Fig. 2 zeigt schematisch die Verwehung der Kugelwelle bei ortsunabhängiger Strömungsgeschwindigkeit. Fig. 2 shows schematically the drift of the spherical wave at a location-independent flow rate.

Fig. 3 zeigt schematisch die Verwehung der Kugelwelle bei ortsabhängiger Strömungsgeschwindigkeit. Fig. 3 shows schematically the drift of the spherical wave at location-dependent flow speed.

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Flußdiagramms, das die einzelnen Funktionsblöcke bzw. Funktionsschritte zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens angibt. Fig. 4 shows a preferred embodiment of a flow chart indicating the individual function blocks or functional steps for performing the method according to the invention.

Für das Verfahren wird zur Berechnung der Schallausbreitung in strömenden Medien vom Huygenschen Prinzip ausgegangen, gemäß dem der von einer schwingenden Oberfläche erzeugte Schalldruck durch Zerlegung der Oberfläche in Teilflächen, die klein gegen die Wellenlänge sind, und durch phasenrich­ tige Überlagerung der von diesen Teilflächen abgestrahlten Kugelwellen am Empfangsort berechenbar ist: Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die durch das strömende Medium hervor­ gerufene Verwehung jeder dieser Kugelwellen berechnet wird und daß die Überlagerung der erzeugten Kugelwellen erst am Empfangsort durchgeführt wird. Es wird eine endliche Anzahl von beliebig geformten Reflektoren in dem Schallausbrei­ tungsweg angenommen, deren Oberflächen wiederum als Aus­ gangspunkt von Kugelwellen zu betrachten sind.For the procedure is used to calculate the sound propagation based on Huygens principle in flowing media, according to that generated by a vibrating surface Sound pressure by dividing the surface into partial areas, which are small compared to the wavelength, and by phase term superposition of the radiated from these partial areas Spherical waves can be calculated at the receiving location: According to the invention it is intended that the flowing through the medium called drift of each of these spherical waves is calculated and that the superposition of the spherical waves generated only on  Receiving location is carried out. It will be a finite number of arbitrarily shaped reflectors in the sound spread path assumed, their surfaces in turn as Aus point of view of spherical waves are to be considered.

Die betreffenden Oberflächen werden in Teilflächen zerlegt, die klein gegen die Wellenlänge des Schalls sind, wobei in Ansatz gestellt wird, daß jede dieser Teilflächen eine Ku­ gelwelle abstrahlt, deren Intensität proportional zu ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und zu ihrer Fläche ist. Für jeweils zwei Oberflächen, die über einen Schallweg mitein­ ander verbunden sind, wird eine Laufzeitmatrix aufgestellt, wozu für jeden Punkt des "Schallsenders" und für jeden Punkt des "Schallempfängers" die Laufzeit des Schallsignals be­ rechnet wird, wobei ausgehend von der direkten Verbindung der Punkte die Verwehung während der Laufzeit iterativ kom­ pensiert wird. Auf der Grundlage der berechneten Laufzeit­ matrizen werden sowohl stationäre als auch zeittransiente Vorgänge durch Multiplikation der Eingangssignale mit den Matrizen berechnet.The surfaces concerned are broken down into sub-areas, which are small compared to the wavelength of the sound, where in Approach is made that each of these sub-areas a Ku emits a wave whose intensity is proportional to its Speed of propagation and its area is. For two surfaces each, which coexist over a sound path are connected, a runtime matrix is drawn up, why for every point of the "sound transmitter" and for every point the "sound receiver" be the duration of the sound signal is calculated, starting from the direct connection the points the drift iteratively com during runtime is pensed. Based on the calculated transit time Matrices become both stationary and time-transient Operations by multiplying the input signals by Matrices calculated.

Die Berechnungsschritte werden parametrisiert und als Grundlage für ein geometrieunabhängiges Simulationsprogramm benutzt, wonach die betreffende Geometrie durch den Pro­ grammbenutzer festlegbar ist.The calculation steps are parameterized and as Basis for a geometry-independent simulation program used, according to which the geometry in question by the Pro gram user can be determined.

Die betreffenden Geometriedaten der schallerzeugenden Ober­ flächen, sämtlicher Reflektoren und der schallempfangenden Oberflächen werden in einen mit dem Simulationsprogramm geladenen Rechner eingegeben, es werden die Schallwege (z. b. Schallsender - Reflektor 1 - Reflektor 2 - Schallempfän­ ger), und es werden die Strömungsprofile abschnittsweise entweder als Ortsfunktionen oder als Rasterdaten eingegeben.The relevant geometry data of the sound-generating surfaces, all reflectors and the sound-receiving surfaces are entered into a computer loaded with the simulation program, the sound paths (e.g. sound transmitter - reflector 1 - reflector 2 - sound receiver), and the flow profiles are either sectionally as Location functions or entered as raster data.

Schließlich kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß eine graphische Ausgabe der berechneten Schalldruckverläufe sowohl als Zeitsignal für jeden Ort als auch als Ortsfunk­ tion für jeden Zeitpunkt bewirkt wird.Finally, it can advantageously be provided that a graphical output of the calculated sound pressure curves both as a time signal for each location and as a local radio  tion is effected for every point in time.

Fig. 1 zeigt, wie bereits angegeben, schematisch die Aus­ breitungscharakteristik einer Kugelwelle. Fig. 2 u. Fig. 3 zeigen jeweils schematisch die Verwehung der Kugelwelle bei ortsunabhängiger Strömungsgeschwindigkeit bzw. bei ortsab­ hängiger Strömungsgeschwindigkeit. Fig. 1 shows, as already indicated, schematically from the propagation characteristics of a spherical wave. Fig. 2 u. Fig. 3 each schematically show the drift of the spherical shaft at a location-independent flow rate or at a location-dependent flow rate.

Die von einem Punktstrahler ausgesandte Kugelwelle wird unter dem Einfluß der Strömung dergestalt verformt, daß die Ausbreitungsrichtung erhalten bleibt, die Punkte an der Oberfläche jedoch verschoben werden (Mitnahmeeffekt).The spherical wave emitted by a spotlight is deformed under the influence of the flow so that the Direction of propagation remains, the points at the However, the surface can be moved (entrainment effect).

Der Oberflächenpunkt der Kugelwelle sei im Winkel α zur x- Achse angenommen. Ohne Strömung können die Koordianten des Punkts wie folgt beschrieben werden:The surface point of the spherical wave is at an angle α to the x- Axis accepted. Without current, the coordinators of the Can be described as follows:

x(t) = c * cos (α) * t
y(t) = c * sin (α) * t (1)x (t) = c * cos (α) * t
y (t) = c * sin (α) * t (1)

Mit Strömung können die Koordinaten des Punkts wie folgt beschrieben werden:With flow, the coordinates of the point can be as follows to be discribed:

x(t) = c * cos (α) * t + vx (α, t) dt
y(t) = c * sin (α) * t + vy (α, t) dt (2)x (t) = c * cos (α) * t + v x (α, t) dt
y (t) = c * sin (α) * t + v y (α, t) dt (2)

Die Integrale bedeuten hierbei ein Zeitintegral über einen vorgegebenen zeitabhängigen Weg.The integrals here mean a time integral over one given time-dependent path.

Aus Fig. 3 geht die Verwehung der Kugelwelle bei ortabhän­ giger Strömungsgeschwindigkeit hervor.From Fig. 3 shows the drift of the spherical shaft at location-dependent flow velocity.

Da nur der Endpunkt des Strahlweges bekannt ist, nicht je­ doch der Winkel, unter dem abgestrahlt wird, um den Endpunkt zu erreichen, wird in einer ersten Iteration die mittlere Strömungsgeschwindigkeit entlang der direkten Verbindung zwischen "Sender" und "Empfänger" ermittelt. Der Signalweg beträgt somitSince only the end point of the beam path is known, not ever but the angle at which radiation is emitted around the end point to achieve, the middle will be achieved in a first iteration Flow speed along the direct connection  determined between "sender" and "receiver". The signal path is thus

x(t) = c * cos (α) + vx * t
y(t) = c * sin (α) + vy * t (3)x (t) = c * cos (α) + v x * t
y (t) = c * sin (α) + v y * t (3)

Hieraus kann auf den Abstrahlwinkel α und die tatsächliche Laufzeit t zurückgerechnet werden. Diese erste Iteration liefert bei ortsunabhängiger Strömung, die nur Funktion einer Ortskoordinate ist (z. B. laminare Strömung in einem geraden Rohr) bereits konkrete Ergebnisse.From this, the radiation angle α and the actual Term t can be calculated back. This first iteration delivers with location-independent flow, the only function is a location coordinate (e.g. laminar flow in one straight tube) already have concrete results.

Ausgehend vom Abstrahlwinkel α der ersten Iteration wird in weiteren Iterationen der Signalweg verfolgt und so modifi­ ziert, daß der Endpunkt getroffen wird. Beim Einsatz des Newton′schen Iterationsverfahren setzt dieses Vorgehen selbstverständlich eindeutige Signalwege voraus (z. B. keine strömungsbedingten akustischen Linsen).Starting from the radiation angle α of the first iteration, in followed further iterations of the signal path and so modifi adorns that the end point is hit. When using the Newton's iteration method implements this procedure of course, clear signal paths ahead (e.g. none flow-related acoustic lenses).

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber bekannten betreffenden Verfahren den Vorteil einer wesentlichen Zeit- und damit Kostenersparnis.The method according to the invention offers compared to known relevant process the advantage of a substantial time and thus cost savings.

Claims (6)

1. Verfahren zur Berechnung der Schallausbreitung in strö­ menden Medien, wobei vom Huygenschen Prinzip ausgegangen wird, gemäß dem der von einer schwingenden Oberfläche er­ zeugte Schalldruck durch Zerlegung der Oberfläche in Teil­ flächen, die klein gegen die Wellenlänge sind, und durch phasenrichtige Überlagerung der von diesen Teilflächen ab­ gestrahlten Kugelwellen am Empfangsort berechenbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das strömende Medium hervorgerufene Verwehung jeder dieser Ku­ gelwellen berechnet wird und daß die Überlagerung der er­ zeugten Kugelwellen erst am Empfangsort durchgeführt wird.1. Method for calculating the sound propagation in flowing media, starting from the Huygens principle, according to which the sound pressure generated by a vibrating surface is broken down by dividing the surface into partial areas that are small compared to the wavelength, and by superimposing the in-phase of this sub-areas from blasted spherical waves can be calculated at the receiving point, characterized in that the drift caused by the flowing medium of each of these Ku gel waves is calculated and that the superposition of the generated spherical waves is only carried out at the receiving point. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine endliche Anzahl von beliebig geformten Reflektoren in dem Schallausbreitungsweg angenom­ men wird, deren Oberflächen wiederum als Ausgangspunkt von Kugelwellen zu betrachten sind.2. The method according to claim 1, characterized records that a finite number of any number shaped reflectors in the sound propagation path whose surfaces are in turn the starting point for Ball waves are to be considered. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die betreffenden Oberflächen in Teil­ flächen zerlegt werden, die klein gegen die Wellenlänge des Schalls sind, wobei in Ansatz gestellt wird, daß jede dieser Teilflächen eine Kugelwelle abstrahlt, deren Intensität proportional zu ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und zu ihrer Fläche ist, daß für jeweils zwei Oberflächen, die über einen Schallweg miteinander verbunden sind, eine Laufzeit­ matrix aufgestellt wird, wozu für jeden Punkt des "Schall­ senders" und für jeden Punkt des "Schallempfängers" die Laufzeit des Schallsignals berechnet wird, wobei ausgehend von der direkten Verbindung der Punkte die Verwehung während der Laufzeit iterativ kompensiert wird, und daß auf der Grundlage der berechneten Laufzeitmatrizen sowohl stationäre als auch zeittransiente Vorgänge durch Multiplikation der Eingangssignale mit den Matrizen berechnet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that the surfaces in question in part areas that are small against the wavelength of the Are sounds, with the assumption that each of these Partial surfaces emit a spherical wave, the intensity of which proportional to their rate of propagation and to their area is that for every two surfaces that over a sound path are connected to each other, a term matrix is set up, for which purpose each point of "Sound transmitter "and for each point of the" sound receiver " Running time of the sound signal is calculated, starting from from the direct connection of the points during the drift the runtime is compensated iteratively, and that on the Based on the calculated runtime matrices both stationary as well as time-transient processes by multiplying the Input signals can be calculated with the matrices.   4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Berechnungs­ schritte parametrisiert werden und als Grundlage für ein geometrieunabhängiges Simulationsprogramm benutzt werden, wonach die betreffende Geometrie durch den Programmbenutzer festlegbar ist.4. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the calculation steps are parameterized and as the basis for a geometry-independent simulation program can be used, after which the geometry in question by the program user is definable. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die betreffenden Geometriedaten der schallerzeugenden Oberflächen, sämtlicher Reflektoren und der schallempfangenden Oberflächen in einen mit dem Simula­ tionsprogramm geladenen Rechner eingegeben werden, daß die Schallwege (z. b. Schallsender - Reflektor 1 - Reflektor 2 - Schallempfänger) eingegeben werden und daß die Strö­ mungsprofile abschnittsweise entweder als Ortsfunktionen oder als Rasterdaten eingegeben werden.5. The method according to claim 4, characterized in that the relevant geometry data of the sound-generating surfaces, all reflectors and the sound-receiving surfaces are entered into a computer loaded with the simulation program that the sound paths (eg sound transmitter - reflector 1 - reflector 2 - sound receiver ) are entered and that the flow profiles are entered in sections either as location functions or as raster data. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine graphische Ausgabe der berechne­ ten Schalldruckverläufe sowohl als Zeitsignal für jeden Ort als auch als Ortsfunktion für jeden Zeitpunkt vorgesehen ist.6. The method according to claim 5, characterized records that a graphical output of the compute ten sound pressure curves both as a time signal for each location as well as a location function for every point in time is.
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