基于低频声波的空气温度测量研究

低频声波可以用来实现对空气温度的非侵入式测量。现有的基于低频声波的测温方法精度较低,如何建立有效的声学测温机制从而提高测量精度需要进一步研究。描述了一个基于低频声源和传声器的新型空气温度测量系统,通过测量空气中的声速达到测量空气温度的目的。首先根据温度、湿度、大气压和空气成分与声速的关系提出了一种通过计算空气密度来计算声速的方法。由于空气的湿度、大气压和空气成分也会影响声速,为了提高测温精度,分别从理论上分析了这3个因素对声学测温结果的影响并给出了相应的技术解决方案。为了测量声速,选择宽度为0.1 s的200～1 500 Hz线性扫频信号作为声源信号,通过对上下游两个传声器接收到的扫频信号进行互相关,计算出声波在两个传声器间的传播时间。为了提高声速测量精度,通过参照温度试验获得了不同温度下的声波传播时间并代入校准方程,使用最小二乘法估计出了等效声波路径长度和系统时延。得到这两个参数值后,系统测量出的声速更加接近同温度下的理论声速值。验证试验以K型热电偶测量的温度作为对比,在23.5℃～54.2℃的温度范围内,声学测温的相对误差在3.2%以内,标准差在0.2%以内。

基于物理参数反演的木质颗粒声学特性研究

声学技术可用于非侵入式地测量木质颗粒的温度。为建立堆积生物质的声学测温模型,有必要对堆积生物质的声学特性进行研究。木质颗粒被视作刚性框架多孔介质,选择Johnson-Champoux-Allard(JCA)模型和Pàde近似模型作为木质颗粒的声学模型,利用阻抗管法测量木质颗粒(厚度100 mm)在频率范围为200~1500 Hz的声波垂直入射时的声表面特性阻抗和吸声系数,使用Nelder-Mead算法和遗传算法对声表面特性阻抗和吸声系数的代价函数进行优化计算,确定模型中的物理参数。基于所建立的声学模型计算木质颗粒在不同频率和不同温度下的声速。结果表明,声波在木质颗粒之间的孔隙中的传播存在频散现象,室温23℃时,木质颗粒中的声速处于200~220 m/s范围内,此后随温度的增加,速度的变化梯度只有空气中声速随温度变化的一半,与已有研究的实验结果保持一致,验证了使用多孔介质声学理论建立堆积生物质测温模型的可行性。