[发明专利]一种基于声参量阵的风速测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种风速测量方法，特别是一种基于声参量阵的风速测量方法。

背景技术

近年来，风速测量技术发展迅速，测量手段多样化，主要采用的方法包括皮托管测风速法、热式传感器测风速法、机械式测风速法及超声波测风速法等，与其它方法相比，超声波测风速方法以其测量范围较大、实时性好、精度好等优点，得到了广泛的应用。

超声波测风速方法基本原理是基于超声波的高指向性特征，利用超声波与风速之间的线性关系，测量超声波在顺逆风作用下传播时间差间接获取风速大小，从而实现风速的测量。由于声波在空气中的衰减系数与声波频率的平方成正比，超声波在空气中会很快衰减掉，这导致超声波测风速方法不能解决大空间范围内的风速测量问题；若采用可听声测量风速，则由于可听声指向性差，会在多个反射面产生反射，这种多途干扰会严重影响风速的测量精度，这在测试环境复杂的地方影响特别严重。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于声参量阵的风速测量方法，利用声参量阵声场中的声压随风速变化的规律来进行风速测量，以解决超声波风速测量方法不能测量大空间范围内风速的问题，同时利用声参量阵可以产生高指向性低频声束的特点解决采用可听声波进行风速测量的多途干扰问题。

本发明的另一个目的是利用声参量阵中的声压随风速变化的规律进行风速测试，以解决传统声波风速测量方法中仅利用声波传播时间来测量风速的方法单一问题。

本发明的目的是通过以下技术方案加以实现的：一种基于声参量阵的风速测量方法，该方法包括：

步骤1：利用声参量阵获得定向声波源，在声波的传播方向上与声波源距离固定的位置处，测量声波在传播轴线的垂直方向上不同偏移距离的声压值，获得该截面的声压分布曲线；

步骤2：使风垂直通过声波的传播轴线，此时再次测得步骤1相同位置处声波在传播轴线的垂直方向上不同偏移距离的声压值，获得此时该截面的声压分布曲线；

步骤3：根据步骤1与步骤2的测量结果，获得当风垂直通过声波的传播轴线时，声波在到达测量位置的偏移距离；

步骤4：根据步骤3的偏移距离求得风速。

其中所述步骤4根据公式计算风速，其中x₀表示步骤3获得偏移距离，c表示风速，L表示声波测量位置到声波源的距离。

其中所述声参量阵采用的低频声波信号频率范围为1～10kHz，采用的高频超声波信号频率范围为35～55kHz。

其中所述的量测声压的位置距离声波源为4m～7m。

本发明利用声参量阵声场截面不同位置声压不同，且有固定的分布曲线，同时分布曲线会随垂直风速变化产生不同程度的偏移，利用该偏移与风速的关系来测量风速大小。

本发明的优点在于：与超声波风速测量方法相比，本发明可以测量大空间范围内的风速；与采用可听声测量风速的方法相比，本发明利用声参量阵可以产生高指向性可听声束的特点，克服了其易受多途干扰的缺点；同时，本发明利用声参量阵中的非线性声学参数——声压级，来测量风速变化情况，克服了传统声波风速测量方法仅利用声波传播速度随风速变化的线性规律以获取风速值的单一测量手段缺陷。本发明不仅具有传统声波风速测量方法的优点，同时对于大范围空间风速测量，以及在获得精度更高的风速方面具有特有优势。

附图说明

图1示出了本发明的实现流程图；

图2示出了声参量阵风速测量系统框架；

图3示出了声参量阵声场截面声压分布实例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步的详细描述。

图1示出了本发明的实现流程。本发明的具体实施方法如下：

步骤1，建立无风状态下，声参量阵截面上不同偏移位置与声压之间的非线性关系：

(1)将频率范围一般在1～10kHz的低频声波信号调制在高频超声波信号上，高频超声波信号频率范围一般取35～55kHz，将已调信号经过宽带声参量阵发射到无风空气中，调制有低频信号的超声波信号将经过非线性交互作用，自解调再现低频声波信号，将其作为探测声源；

(2)在传播主轴方向上，距离宽带声参量阵的Lm，如取声参量阵远场距离4m至7m之间任意位置，声参量阵在远场时非线性过程才完全完成，接收的可听声效果最优，取声参量阵横截面中心位置，将中心位置设为(0，L)点，在此接收探测声源，测量其声压值，记为p_L(0)；