三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建及計(jì)算機(jī)仿真

1、三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建及計(jì)算機(jī)仿真三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建及計(jì)算機(jī)仿真摘 要：相比單點(diǎn)溫度測(cè)量而言，溫度場(chǎng)的測(cè)量更加重要。溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量是目前最有開展前景的一種溫度場(chǎng)測(cè)量方法，國(guó)內(nèi)尚無(wú)人開展三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量的研究，為此，采用計(jì)算機(jī)模擬仿真的方法進(jìn)展了三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建。以最小二乘方法為根底構(gòu)建了三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量重建算法，以安裝了32只聲發(fā)射/接收傳感器、并被均勻地分割成64個(gè)空間網(wǎng)格的正立方體型區(qū)域?yàn)闇y(cè)量空間，在考慮和不考慮聲線彎曲效應(yīng)的情況下，對(duì)球?qū)ΨQ型模型溫度場(chǎng)進(jìn)展了仿真重建。仿真結(jié)果不僅與理論預(yù)測(cè)符合得較好，而且在考慮了聲線彎曲效應(yīng)后，溫度場(chǎng)的反演精度有了很大進(jìn)步，說(shuō)明聲線彎曲效應(yīng)

2、是影響溫度場(chǎng)重建質(zhì)量的重要因素之一。 LWlm 聲學(xué)法氣體測(cè)溫的根本原理是基于氣體介質(zhì)中聲波的傳播速度是該氣體介質(zhì)溫度T(x,y,z)的單值函數(shù)4：V=ZT(x,y,z)聲波從發(fā)射傳感器到接收傳感器之間的傳輸時(shí)間TOF(Time of Flying)為：TOF=int;ads(1)整個(gè)溫度場(chǎng)被分成64個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域里的溫度是未知的，并且被假設(shè)為均勻的，要實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度場(chǎng)的重建，首先必須求出每個(gè)小區(qū)間內(nèi)的平均溫度。用Delta;Ski表示第k條途徑通過(guò)第i個(gè)小區(qū)間的長(zhǎng)度，那么由方程(1)，聲波沿第k條聲波途徑的飛行時(shí)間TOFk可表示為：TOFk=sum;64i=1Delta;Skiai LWl

3、m (2)TOFk與聲波飛行時(shí)間的實(shí)測(cè)值tk之差為：epsilon;k=tkTOFk=tksum;64i=1Delta;Sikai(3)應(yīng)用最小二乘法使方程式(3)的平方和最小，可得到正那么方程3：STbull;Sbull;A=STbull;t(5)式中：an；n=64; m=172矩陣A中的ai是第i個(gè)區(qū)域的空間特性，它是溫度的函數(shù)，是待確定的量。由方程(5)可得：A=(STbull;S)1bull;STbull;t(6)這樣，便求出了每一分割區(qū)域的空間特性，即聲波在該區(qū)域傳播時(shí)聲速的倒數(shù)，利用聲速與溫度的函數(shù)關(guān)系V=ZT(x,y,z)即可求出該區(qū)域的溫度： (7)圖2 空間網(wǎng)格中的聲線途徑

4、示意圖第m條聲波途徑總的傳播時(shí)間為6：tm=sum;kLmkvk(8)在一個(gè)10 mtimes;10 mtimes;10 m的立方體空間中構(gòu)造如下一個(gè)具有球?qū)ΨQ性的模型溫度場(chǎng)：(9)圖3 球?qū)ΨQ溫度場(chǎng)模型切片圖表1中的平均溫度相對(duì)誤差epsilon;ave和最大溫度相對(duì)誤差epsilon;max分別定義為8：epsilon;max=TCmaxTMmaxTMmaxtimes;100%本文介紹了三維溫度場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法的原理，在最小二乘法根底上構(gòu)建了反演重建算法，并對(duì)具有球?qū)ΨQ性的三維溫度場(chǎng)進(jìn)展了反演重建，同時(shí)考慮了聲波的彎曲效應(yīng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。仿真計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，考慮聲曲折射后，溫度場(chǎng)重建質(zhì)量得到了

5、很大的改善，由此得知，聲波途徑的彎曲效應(yīng)是影響溫度場(chǎng)重建質(zhì)量的一個(gè)重要因素。另外為了進(jìn)步聲學(xué)測(cè)溫的速度和精度，還需要對(duì)傳感器的數(shù)量和布置方式進(jìn)展進(jìn)一步的優(yōu)化研究。2JOHNSON Steven A, GREENLEAF James F, TANAKA M, et al. Reconstructing three dimensional temperature and fluid velocity fields from acoustic transmission measurements J. ISA Transactions, 1997, 16(3): 3-15.4田豐，王福利，許莉基于聲波傳感器的工業(yè)爐內(nèi)溫度分布測(cè)量J傳感器技術(shù)，2022，22(2)：32-346JOHNSON S A, GREENLEAF J F, SAMAYOA W A, et al. Reconstruction of three-dimensional velocity fields and other parameters by acoustic ray tracing J. Metal