[发明专利]一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法

权利要求书

1.一种斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，首先将压电陶瓷倾斜α角度固定于换能器外壳中，其次在所述压电陶瓷的前端粘接1/4波长厚度的玻璃珠匹配层，组成空耦超声换能器阵列；

步骤2，所述空耦超声换能器阵列获取不同收发通道的顺流、逆流超声回波信号；

步骤3，基于所述超声回波信号构建渡越时间矩阵，基于时差法原理计算所述空耦超声换能器阵列不同收发路径的气流速度；

步骤4，求解测量区二维平面声程交点的坐标及速度向量，基于所述气流速度利用重建算法得到测量区的气流速度场，最终实现狭窄流道气流速度场的准确测量。

2.根据权利要求1所述的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，其特征在于：

其中，步骤1中，所述斜口空耦超声换能器的倾斜角α的计算过程为：

式中，d为相邻两超声换能器间距，D为超声换能器直径，h为换能器阵列距反射面距离，n为空耦超声换能器个数，λ为声波波长，且λ＝c/f，c为超声波的传播速度，f为超声换能器的工作频率。

3.根据权利要求1所述的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，其特征在于：

其中，步骤2具体包括以下步骤：

步骤2-1，计算机控制超声发射板卡产生触发脉冲，通过前置放大器对所述触发脉冲进行功率放大得到超声激励脉冲；

步骤2-2，由切换开关控制所述空耦超声换能器阵列中的某一个待激励空耦超声换能器完成一次超声波发射；

步骤2-3，激励空耦超声换能器1发射超声波，空耦超声换能器2～空耦超声换能器n依次接收反射超声信号；

步骤2-4，将所述超声信号进行信号放大，经数据采集卡送入所述计算机中，得到探头1发射的n-1组超声回波信号。

4.根据权利要求1所述的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，其特征在于：

其中，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3-1，以扫描的方式，激励空耦超声换能器2～空耦超声换能器n依次发射超声波，其余所述空耦超声换能器接收超声反射信号，一组循环完成后得到n×(n-1)组超声信号数据；

步骤3-2，由所述超声信号数据计算n×(n-1)个不同路径渡越时间，形成n×n的声时矩阵(主对角线元素为0)；

步骤3-3，由所述声时矩阵得到(n×(n-1))/2个顺流、逆流声时差；

步骤3-4，根据超声时差法测速原理计算所述顺流、逆流声时差；

步骤3-5，计算空耦超声换能器i-空耦超声换能器j不同收发路径的气流速度。

5.根据权利要求4所述的斜口空耦超声换能器测量狭窄流道气流速度场的方法，其特征在于：

其中，步骤3-4中，计算所述顺流、逆流声时差的计算过程为：

式中，i、j为换能器编号，t_ji为换能器j发射-换能器i接收(逆流)的渡越时间，t_ij为探头i发射-探头j接收(顺流)的渡越时间；Δt_ij为换能器i、j路径的声时差(i＜j)，u_ij为换能器i、j路径的绝对速度(i＜j)，l为传播声程，c为超声波在空气中的传播速度。

换能器i-换能器j路径的速度大小计算过程为：

式中，θ_ij为换能器i-换能器j超声传播方向与流速方向的夹角。

式中，l×cosθ_ij＝d_ij，d_ij为探头i、j间的距离。