技术原理

引言

在超声波气体测量中，理解超声波在气体介质中的传播特性对于正确设计、应用和优化测量系统至关重要。本章将详细介绍超声波的基础知识，特别关注在气体介质中的声学参数，包括声速、衰减、反射和折射。这些知识将为后续的测量方法和产品设计奠定坚实的理论基础。

超声波基础

超声波的定义和特性

超声波是指频率高于人类听觉上限（约20 kHz）的声波。在工业应用中，超声波的频率范围通常在几十千赫兹（kHz）到数百兆赫兹（MHz）之间。超声波具有以下特性：

·       高频率：频率高，波长短，能够提供高的空间分辨率。

·       方向性强：高频超声波具有良好的指向性，便于控制声波的传播路径。

·       能量集中：能够在小范围内传递较高的能量，适用于精密测量和检测。

超声波在气体介质中的传播特性

超声波在介质中的传播受介质的物理性质影响，如密度、弹性模量、温度和压力等。在气体介质中，超声波的传播特性与在液体和固体中有显著差异，需要特别关注。

声速

声速是声波在介质中传播的速度，取决于介质的物理特性。在理想气体中，声速由以下公式确定：

[ c =  ]

其中：

·       ( c )：声速（单位：m/s）

·       ( )：气体的定压比热容与定容比热容之比（约为1.4对于单原子气体，如空气）

·       ( R )：气体常数（约为287 J/(kg·K)对于空气）

·       ( T )：绝对温度（单位：K）

温度的影响：

·       声速与温度的平方根成正比，温度每升高1°C，声速约增加0.6 m/s。

·       温度变化是影响声速的主要因素，需要在测量中进行温度补偿。

压力和气体成分的影响：

·       在常温常压下，压力对声速的影响较小，可忽略不计。

·       不同气体的分子量和热力学性质不同，导致声速也不同。例如，在0°C时，空气的声速约为331 m/s，氢气约为1284 m/s。

衰减

衰减是指声波在传播过程中，能量逐渐减小的现象。在气体介质中，超声波的衰减比在液体和固体中显著得多，主要原因包括：

·       粘滞损耗：由于气体的粘性，声波传播时会有能量损耗。

·       热传导损耗：声波使气体分子产生压缩和膨胀，导致温度变化，能量以热的形式耗散。

·       分子弛豫：气体分子的内能状态变化引起的能量损失。

衰减系数 ( ) 可表示为：

[ = {} + {} ]

·       ( _{} )：粘滞和热传导引起的经典吸收。

·       ( _{} )：分子弛豫过程引起的吸收。

频率的影响：

·       衰减系数与频率的平方成正比，即 ( f^2 )。

·       高频超声波在气体中衰减更快，因此在气体测量中常使用较低的超声波频率（如几十kHz）。

应对措施：

·       频率选择：选择合适的频率，权衡测量精度和衰减。

·       增大发射功率：提高换能器的发射功率，增加信号强度。

·       信号处理：采用放大和滤波等技术，增强接收信号。

反射和折射

反射和折射是声波在介质界面上传播时的基本现象。

反射

当声波从一种介质传播到另一种介质时，由于两种介质的声阻抗不同，会发生部分反射。声阻抗 ( Z ) 定义为：

[ Z = c ]

·       ( )：介质密度

·       ( c )：声速

反射系数 ( R ) 为：

[ R = (  ) ]

·       ( Z_1 )、( Z_2 )：两种介质的声阻抗

气-固界面反射：

·       气体与固体（如换能器材料）之间的声阻抗差异巨大，导致反射系数接近1，大部分声能被反射，进入气体的声能很少。

·       解决方法：在换能器和气体之间添加匹配层，逐步过渡声阻抗，增加声能传输效率。

折射

当声波以一定角度入射到两种介质的界面时，传播方向发生改变，称为折射。折射角度由斯涅尔定律确定：

[  =  ]

·       ( _1 )：入射角

·       ( _2 )：折射角

·       ( c_1 )、( c_2 )：两种介质中的声速

在气体和固体界面，由于声速差异巨大，折射角接近90度，导致声波很难进入气体中。

应用注意：

·       换能器设计需要考虑反射和折射的影响，优化声能传输。

散射和衍射

散射是声波遇到介质中的不均匀性（如微粒、湍流等）时，发生偏离原传播方向的现象。衍射是声波绕过障碍物或通过小孔时发生的扩散现象。

·       散射的影响：在气体中通常较小，但在含有颗粒或气泡的气体中，需要考虑。

·       衍射的影响：影响声场的分布，可能导致测量误差。

解决方法：

·       声场建模：通过计算声场分布，优化换能器的布局和设计。

·       信号处理：采用滤波和算法校正，减少干扰。

超声波参数与测量

频率选择

频率是超声波的重要参数，影响测量的精度和有效距离。

·   低频（20 kHz - 100 kHz）：

o   优点：衰减小，传播距离远。

o   缺点：波长长，空间分辨率低。

·   中频（100 kHz - 1 MHz）：

o   折中选择，适用于大多数气体测量应用。

·   高频（>1 MHz）：

o   优点：波长短，空间分辨率高。

o   缺点：在气体中衰减严重，不适用于长距离传播。

选择原则：

·       根据测量距离、精度要求和环境条件，选择最合适的频率。

波长和波数

·   波长 ( )：

            [ =  ]

o   ( c )：声速

o   ( f )：频率

·   波数 ( k )：

            [ k =  ]

波长决定了超声波对介质中结构和不均匀性的敏感程度。

声压和声强

·   声压 ( p )：声波引起的介质内压力的微小变化。

·   声强 ( I )：单位面积上传播的声能量，定义为：

            [ I =  ]

·   声压级和声强级通常以分贝（dB）表示，便于比较和计算。

指向性和声束宽度

指向性描述了换能器辐射或接收声波的空间分布特性。

·   开口角：指声强降低到主瓣最大值的一半（-3 dB）时的角度范围。

·   影响因素：

o   换能器尺寸：尺寸越大，指向性越强。

o   频率：频率越高，波长越短，指向性越强。

·   设计优化：根据应用需求，调整换能器尺寸和频率，获得合适的指向性。

总结

超声波在气体介质中的传播特性复杂多样，对测量系统的设计和性能有着深远的影响。通过深入理解声速、衰减、反射、折射等声学参数，我们可以：

·       精确补偿温度和气体成分对声速的影响，提高测量精度。

·       优化频率选择和平衡信号强度，克服衰减带来的挑战。

·       设计匹配层和优化换能器结构，提高声能传输效率。

·       合理布局换能器和改进信号处理，减少散射和衍射的干扰。

这些基础知识为我们在超声波气体测量中应用时差法、互相关法和多普勒法等技术提供了必要的理论支持。在下一节中，我们将详细介绍这些测量方法的技术原理，结合上述声学特性，探讨如何实现高精度和高可靠性的气体流量和速度测量。