小口径管道流体双向声谐振测速方法研究

摘要

管道流速测量广泛应用于各行各业，超声流量计是目前发展较好的一种新原理流量计。针对较大口径管道流量测量的声学流量计的研究已经取得较大进展，但是在小口径、低流速管道系统中，传统的声学流量计并不能有效地增加声波的传播距离。不仅如此，小流速引起的时间偏差很小，要想精准的测量时间差较为困难。针对这些问题，本文探讨了声波在具有层流背景的管道中的相位变化，提出了一种基于声学谐振原理的管道流体流速测量方法，为小口径、低流速管道系统的流量测量提供了一种新的方法。本课题针对双向高阶声学谐振测速系统进行了如下研究:
　　1)总体方案研究。本文提出了一种适用于小口径管道流速测量的新的声学测速原理。在探讨了流速分层分布对声波相位影响的基础上，详细介绍了声学谐振测速法原理，并分析了该方法与传统频差测速法的具体区别。
　　2)双向谐振测速系统的声学设计与实现。针对传统超声流量计双向测量不同步的问题，提出了利用驻波管声学特性以及通孔式复合消声器实现双向同步测速的方法。在探讨驻波管声学特性的基础上，提出了驻波管通过波节波腹点位置分离不同频率声波的方法。详细阐述了驻波管波节波腹位置的声学设计过程，且通过建模仿真验证了驻波管对分离声波的有效性。同时，还通过计算和仿真的方式设计了一种与本课题研究内容相匹配的通孔式复合消声器。
　　3)电声混合谐振回路的原理及实现。电声混合谐振回路主要包含电声转换模块和声电转换模块两部分，本文详细探讨了两个模块的原理及实现。对其中的前置放大电路、滤波电路、自动增益控制电路以及换能器驱动电路做了详细介绍。通过分析换能器的调谐匹配原理，设计了驱动变压器，并对驱动变压器进行了电磁仿真。
　　最后搭建气体实验平台，实现了双向高阶声学谐振测速原理。通过分析温度对谐振频率的影响，验证了双向差频消除温度影响的有效性。

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摘要

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表格目录

1．绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 声学流量计的国内外研究现状

1．3 小口径管道流体双向声谐振法测速原理的研究内容

1．4 小口径管道流体双向声谐振法测速原理的研究意义

2．小口径管道流体双向声谐振法测速原理的研究

2．1 小口径管道内流体流速分布对声谐振回路构成的影响

2．1．1 小口径管道流速分布规律对平面波相位的影响

2．1．2 小口径管道内层流背景对平面波相位影响的仿真验证

2．2 高阶声谐振法测速原理及实现方法

2．2．1 声学谐振法测速原理的描述及实现

2．2．2 声学谐振法高次谐波选择原则

2．2．3 高阶声学谐振法与频差法对比

2．3 双向同步谐振测速方法的研究及实现方案

2．3．1 实现正逆向频率分离的驻波管声学设计

2．3．2 通孔式消声器消除声反射的应用

2．4 本章小结

3．双向谐振测速系统的声学设计与实现

3．1 双向谐振系统驻波管声学设计

3．1．1 双向谐振频率的计算及选择

3．1．2 驻波管参数的计算与选择

3．2 驻波管实现正逆向声波分离的声学设计及仿真验证

3．2．1 驻波管与管道交界处声阻抗匹配结构设计

3．2．2 驻波管内正逆向声波驻波效果综合仿真

3．3 通孔式复合消声器消除声反射的设计仿真

3．3．1 消声器具体参数的计算与选择

3．3．2 通孔式复合消声器消声效果仿真

3．4 本章小结

4．电声混合谐振回路的原理及实现

4．1 电声混合谐振回路概述

4．2 声电转换模块的原理与实现

4．2．1 谐振回路前端声电转换模块原理及实现

4．2．2 谐振回路滤波电路原理及实现

4．2．3 谐振回路自动增益控制电路原理及实现

4．3 电声转换模块的原理与实现

4．3．1 电声转换驱动电路原理与实现

4．3．2 换能器的调谐匹配原理

4．3．3 电声转换驱动电路电磁仿真验证

4．3．4 电声转换驱动电路验证实验

4．4 本章小结

5．双向声谐振法测速系统的实验及结果分析

5．1 双向声谐振法测速系统实验目的

5．2 双向声谐振测速原理的实验测试系统

5．3 气体实验与结果分析

5．3．1 双向声谐振法测速系统性能验证实验

5．3．2 双向频率差消除温度影响有效性验证实验

5．4 本章小结

6．总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献