Ультразвуковой бесконтактный корреляционный метод контроля пространственно-неоднородной структуры открытых газовых потоков

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи работы, сформулированы основные защищаемые положения, показаны научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе обозначена необходимость создания систем импульсного УЗ контроля пространственно-неоднородной структуры открытых газовых потоков. Приведен обзор существующих методов контроля турбулентных газовых потоков, отмечены их достоинства и недостатки. Среди прочих рассмотрены УЗ приборы, использующие множество пар передатчик-приемник (например, многоканальные расходомеры, многокомпонентные датчики ветра). Показано, что для контроля пространственно-неоднородной структуры открытых газовых потоков использование многолучевых методов является наиболее перспективным благодаря повышению информативности и точности измерения большим числом измерительных каналов.
Для импульсных УЗ систем измерения (в частности, расходомеров и уровнемеров) подробно проанализированы способы определения временной задержки УЗ импульса, точность определения которой является ключевой характеристикой приборов. При использовании резонансных приемопередающих преобразователей измерение задержки по фронту сигнала приводит к значительным погрешностям из-за искаженной преобразователями формы УЗ импульса. Корреляционный приём, как адаптивная фильтрация, повышает разрешение УЗ аппаратуры. Отмечено, что даже для резонансных преобразователей использование сигналов с фазовой манипуляцией (ФМ) позволяет осуществить эффективный корреляционный прием благодаря малой ширине автокорреляционной функции.
В многолучевых схемах измерения важным является определение относительных задержек импульсов относительно друг друга. Сложность в
определении относительных задержек возникает в том случае, если импульсы в приемнике накладываются во времени и это в значительной степени ограничивает нижний предел измеряемой задержки. Показано, что для решения этой проблемы может использоваться фазовая манипуляция и корреляционная обработка сигналов.
Во второй главе диссертационной работы описывается ультразвуковой бесконтактный корреляционный метод контроля пространственно- неоднородной структуры открытых газовых потоков, основанный на измерении относительных задержек фазоманипулированных по коду Баркера сигналов, прошедших по разным траекториям, оцениваются его точностные характеристики.
Рассматривается определение характеристик неоднородности структуры газовой среды по многолучевой схеме рассеяния ультразвука (рисунок 1 а), где вычисляется относительная задержка между сигналами, дошедшими до приемника по разным траекториям.
АП
АИ
ПУ
v, T
АП
а) б) в)
а) схема многолучевого контроля (ПУ – приемное устройство, АП – акустический приемник, АИ – акустический излучатель);
б) сравнение ВКФ сдвоенного сигнала в приемнике с эталонным сигналом без манипуляции и с учетом фазовой манипуляции по кодам Баркера 5 и 13 порядков;
в) изменение формы ВКФ сигналов при изменении величины относительной задержки между сигналами в приемнике ( – период звуковой волны)
Рисунок 1
Предлагается формирование УЗ импульсов с переключением фазы сигнала согласно последовательности Баркера. На рисунке1б показано сравнение взаимной корреляционной функции (ВКФ) сигнала в приемнике и эталонного сигнала без манипуляции и с ФМ по кодам Баркера 5 и 13 порядков. Кодирование фазы сигнала приводит к уменьшению ширины пиков ВКФ и соответственно повышению разрешения относительных задержек между наложенными сигналами в приемнике импульсных УЗ устройств. При этом ширина автокорреляционной функции (АКФ) сигнала с фазовой манипуляцией
по коду Баркера 13 более чем на порядок уже ширины АКФ сигнала без манипуляции.
Рассматривается определение относительной задержки между сигналами ∆ в приемнике по форме ВКФ. Для сравнения на рисунке 1 в показана форма ВКФ при трех значениях задержки ∆ в пределах длины акустического импульса. При ∆ = 0 ВКФ симметрична и с ростом задержки теряет симметрию. Начиная с некоторого значения ∆ во ВКФ проявляются два пика. Амплитуда этих пиков пропорциональна амплитуде сигналов в приемнике, в то время как разница их временного положения соответствует искомой задержке. Малую относительную задержку можно оценить, анализируя асимметрию ВКФ: по изменению средневзвешенного положения («центра тяжести») τ мощности ВКФ. Смещение средневзвешенного положения (τ 1, τ 2, τ 3) с изменением задержки ∆ показано вертикальным пунктиром. Такой подход не ограничивает измеряемую величину малой относительной задержки.
Формирование и корреляционная обработка ФМ сигналов состоит из следующих этапов (рисунок 2):
0 40 80 120 160
t/T, о.е.
0 40 80 120 160
/T, о.е.
CoG
1. Формирование сигнала с ФМ по коду Баркера.
2. Запись сформированного сигнала в качестве эталонного ( ), с учетом его искажения в приемно- передающем тракте при прямом распространении между передатчиком и приемником ультразвука.
3.Расчет ВКФ (τ) сигнала в приемнике Σ( ) с эталонным сигналом ( ).
4. Расчет временной зависимости мощности ВКФ
(τ) = 2(τ). 5. Определение
средневзвешенного положения мощности ВКФ
τ = ∫ τ (τ) τ. ∫ (τ) τ
Рисунок 2 – Алгоритм формирования и корреляционной обработки ФМ сигналов ( – период звуковой волны)
В работе анализируются зависимости τ от относительной задержки между импульсами в приемнике ∆ для различных последовательностей Баркера. Зависимости носят линейный характер с наложением значительных квазирегулярных осцилляций. Такие осцилляции определяются интерференцией сигналов с периодом, соответствующим несущей частоте
W, у.е. R, у.е. U, у.е. UE, у.е.
ультразвука. Интерференция приводит к периодическому изменению амплитуды суммарного сигнала в приемнике с увеличением ∆ и, соответственно, колебаниям τ . При более высоком порядке кодирования фазы сигнала по коду Баркера осцилляции τ уменьшаются. Могут быть разработаны специальные алгоритмы линейной аппроксимации осциллирующих зависимостей τ (∆ ), однако при реальных экспериментальных измерениях в газообразных средах осцилляции зависимостей сглаживаются при усреднении за счет фазовых флуктуаций сигналов.
Для лучевых схем измерения, где сигнал в приемнике представляет собой суперпозицию двух сигналов, крутизна зависимости ∆ ( ) определяется соотношением амплитуд сигналов. При изменении соотношений амплитуд сигналов в приемнике от 1, когда амплитуды сигналов равны, до 2, когда амплитуда второго сигнала не превышает половины амплитуды первого сигнала, угловой коэффициент линейной зависимости ∆ ( ) меняется от 2 до 5.
Для используемых в работе УЗ резонансных преобразователей Murata MA40S4S / MA40S4R с собственной частотой 40 кГц выбран код Баркера 5 порядка для кодирования фазы сигнала. Показано, что спектр сигнала с ФМ по коду Баркера 5-го порядка видоизменяется передаточной функцией преобразователей с меньшими потерями, и соответственно его форма менее искажается после двойного преобразования.
Анализ погрешности измерения задержки с использованием предлагаемого метода. Выведена расчетная зависимость оценки погрешности измерения средневзвешенного положения мощности ВКФ, определяемая:
∆ = 3δ + ∆ ,
где δ = 2 2 – погрешность оцифровки, – несущая частота сигнала, – 2 2
частота оцифровки, – ширина АКФ эталонного сигнала, ∆ = 1 – 2 (2 −1)
значение джиттера, – разрядность АЦП.
При угловом коэффициенте линейной зависимости ∆ ( ), равном 2,
погрешность измерения относительной задержки между сигналами в приемнике с использованием предлагаемого метода будет в два раза превышать погрешность ∆ .
Проведен анализ погрешности измерения относительной задержки между сигналами в приемнике при различных частоте оцифровки, несущей частоте сигнала, разрядности АЦП, коде Баркера для ФМ сигнала. Для резонансных преобразователей с собственной частотой 40кГц при длительности зондирующих импульсов 1 мс с кодированием фазы сигнала согласно коду Баркера 5-го порядка временное разрешение составляет порядка 1,2 мкс при усреднении по 100 импульсам. При частоте оцифровки 10 МГц и несущей частоте УЗ сигнала 200 кГц погрешность определения средневзвешенного положения мощности ВКФ сигнала в приемнике и эталонного сигнала без усреднения не превышает интервала оцифровки.

Для классической схемы расходомера, основанной на задержке между встречно-распространяющимися по потоку и против потока импульсами, для частоты преобразователей 200 кГц и диаметре трубы 0,5 м использование метода позволяет получить минимальную скорость потока после усреднения по 100 импульсам 0,5 см/с.
Сравнительный анализ статистической погрешности измерения задержки. Приводится сравнение результатов моделирования погрешности измеряемой задержки по фронту и с помощью предлагаемого алгоритма с учётом белого шума в сигнале (рисунок 3).
а) б)
а) гистограммы распределения задержки по фронту (сверху) и по средневзвешенному положению мощности ВКФ сигналов (снизу) при дисперсии шума σ = 7% от амплитуды сигнала;
б) характеристики распределений в зависимости от σ при измерении задержки по фронту
(пунктир) и при измерении задержки по средневзвешенному положению мощности ВКФ
(сплошная линия): ̅ – среднее, σ – среднеквадратичное отклонение, A – асимметрия
Рисунок 3 – Анализ статистической погрешности
Для различного уровня шума по 1000 измерениям были получены гистограммы статистических распределений задержки, измеряемой по фронту при уровне отсечки 0,5 от амплитуды импульса и по средневзвешенному положению мощности ВКФ (рисунок 3 а). По распределениям получены зависимости среднего, среднеквадратичного отклонения и асимметрии от уровня шума в диапазоне 1 – 9 % от амплитуды сигнала (рисунок 3 б). Отмечено, что с дисперсией шума более 10 % при измерениях по фронту проявляются ложные срабатывания и в гистограмме задержки возникают аномальные выбросы. Показано, что с помощью предлагаемого алгоритма ширина статистического распределения искомой величины оказывается примерно на порядок меньше ширины распределения, соответствующего традиционному методу измерения (рисунок3а). Кроме того, уменьшается
асимметрия распределения случайной погрешности, т.е. нелинейная регулярная погрешность (рисунок 3 б).
В третьей главе диссертационной работы моделируется временная задержка УЗ импульсов при распространении ультразвука в неоднородной газовой среде в лучевом приближении и решением волновой задачи методом инвариантного погружения для оценки пределов применимости предлагаемого метода.
Моделирование относительной задержки в лучевом приближении. Для двухлучевой схемы распространения ультразвука проведено моделирование относительной задержки прямого и прошедшего через неоднородную газовую среду УЗ сигналов в лучевом приближении с использованием предлагаемого метода. Вкачестве слоисто-неоднородных газовых сред были рассмотрены конвективный восходящий поток над нагретой прямоугольной плитой и турбулентный поток вентилятора (рисунок 4).
Траектория распространения УЗ волны в слоистой среде определялась из закона Снеллиуса sinθ = const, где θ – угол между касательной к лучу в данной точке и нормалью на границе раздела двух сред, – показатель преломления среды.
Фаза (длина пути) УЗ волны в лучевом приближении определялась по уравнению эйконала:
Ψ 2 Ψ 2 Ψ 2 2( , , ) 2
( ) +( ) +( ) = 02 = ( , , ),
где Ψ – «акустическая длина» пути (эйконал); 0 = ω⁄ 0 – волновое число в однородной среде; ω – циклическая частота волны; 0 – скорость звука в однородной среде; ( , , ) – пространственное изменение волнового числа (скорости звука).
В конвективном потоке над нагретой поверхностью пространственная зависимость скорости звука рассчитывалась в зависимости от распределения температуры среды. Температура над прямоугольным источником тепла в плоскости = 0 вычислялась из выражения:
23 1 2 2( + ) 2( − )
( , )= ∞+√√ erf( )[erf(
1 = 1 + σ √ ∞ 0 , 6√6σ ρ∞
)+erf( )],
2 = √3σ, 2ξ
где ∞ – абсолютная температура окружающей среды; – ускорение свободного падения; 0 – теплопроизводительность источника; – удельная теплоемкость воздуха; ρ∞ – плотность воздуха; и – половины сторон прямоугольного источника тепла; ξ и σ – экспериментальные константы (ξ = 0,082, σ = 0,8).
В потоке вентилятора пространственная зависимость скорости звука рассчитывалась в зависимости от распределения скорости потока.
Использована приближенная полуэмпирическая формула для открытого радиально-симметричного потока:
1 2 ( , ) = exp[−2(ξ ) ],
где – скорость движения воздуха в центре произвольного поперечного сечения струи, определяемая параметрами вентилятора и начальной скоростью потока и обратно пропорциональная расстоянию ; ξ – экспериментальная константа (ξ = 0,082).
z
ППУ
УЗП
θ0
УЗП
z
В
t = 20
v
θ0
200°C
а)
x
ФТ Р
ППУ
А
x
УЗП
УЗП
б)
а) схема установки для измерений в конвективном потоке над нагретой поверхностью;
б) схема установки для измерений в турбулентном потоке вентилятора Рисунок 4 – Схемы измерений и траектории распространения лучей
Сделаны оценки относительной задержки при изменении параметров в конвективном потоке над нагретой поверхностью и турбулентном потоке вентилятора. Показано, что для используемых параметров турбулентного потока лучевое приближение не применимо (кривизна лучей и задержка мала).
Приводится алгоритм программы, зарегистрированной в Реестре программ для ЭВМ, которая с учетом геометрии измерений и характеристик УЗ преобразователей моделирует распространение УЗ волн в неоднородной газовой среде в лучевом приближении и отображает результаты прогноза в графическом виде.
Моделирование задержки в случайно-неоднородной среде (волновая задача). Для теоретических оценок времени распространения УЗ сигнала с учетом волновых и дифракционных эффектов было рассмотрено решение задачи отражения плоской волны от слоя случайно-неоднородной среды методом инвариантного погружения
( ) = 2 ( ) + ε( )(1 + ( ))2, 2
( )| =0 = 0,
где ε( ) – функция, описывающая пространственные неоднородности среды,
– комплексный коэффициент отражения волны, – глубина слоя.
Показано, что случайная стратификация турбулентной среды вызывает многократное рассеяние УЗ волны между случайными неоднородностями, что приводит к дополнительной задержке сигнала и появлению волноводных
эффектов (эффекта локализации).
В четвертой главе диссертационной работы описаны методы
экспериментальных измерений, специально созданная установка для осуществления двухлучевых измерений с использованием созданного авторским коллективом макета импульсного УЗ прибора, реализующего предлагаемый метод на основе измерения относительных задержек фазоманипулированных по коду Баркера УЗ сигналов, для контроля конвекции над нагретой металлической поверхностью и контроля турбулентного потока на выходе вентилятора (рисунок 4). Также приведены результаты экспериментальных исследований и их сравнение с модельными расчетами.
Методика экспериментальных измерений. Формирование УЗ импульсов, а также их корреляционная обработка осуществлялись с помощью приемо- передающего устройства (ППУ). Сигнал на входе приемника в общем случае представлял собой интерференцию двух сигналов: прямого и отраженного от поверхности или неоднородности потока. Использованы ультразвуковые преобразователи (УЗП) Murata MA40S4S/MA40S4R с резонансной частотой 40 кГц и шириной диаграммы направленности около 60°. Для увеличения чувствительности ППУ к отраженному сигналу, преобразователи поворачивались относительно горизонтальной оси примерно на 30 – 40°.
Для задания неоднородного конвективного потока использована плоская стальная плита (рисунок 4 а) размером 40×20×1,5 см, которая нагревалась до температуры ~200°C. Температура поверхности контролировалась инфракрасным пирометром Benetech GM550 и термопарой К типа из сплава хромель-алюмель.
Для генерации турбулентного потока воздуха использован промышленный вентилятор Dospel WK200 (В) производительностью 1200 м3/ч и номинальной частотой вращения 2430 об/мин (рисунок 4 б). Частота вращения вентилятора регулировалась симисторным регулятором (Р), для ее калибровки был использован цифровой фототахометр DT2234B (ФТ). Скорость потока на оси выходного отверстия вентилятора контролировалась анемометром AeroTemp.

Для экспериментальных измерений использовался новый, созданный авторским коллективом опытный макет импульсного УЗ прибора для цифрового формирования и корреляционной обработки фазоманипулированных по коду Баркера УЗ сигналов (рисунок 5).
ПЛИС ГИ 1
ЭК
40 кГц
3
4 УИ
БА УНУП3
ОСЦ
СТАРТ СТОП
TP
TD
а) блок-схема; б) временные диаграммы работы Рисунок 5 – Импульсный УЗ измерительный прибор
БЗП БУ
4 5
ФПП 5
АЦП
ФИП
АЦП
Б1 БА Б* ВБСА
2 КОР
TMEAS
Сигнал тактовой частоты, равной 40кГц, формируется генератором импульсов ГИ (рисунок 5 б – диаграмма 1). С появлением в блоке управления БУ начального импульса СТАРТ (диаграмма 2) формирователь импульсов ФИП начинает генерировать заданную настройками последовательность импульсов (диаграмма3). Пакеты импульсов в зависимости от настроек могут быть простыми и фазоманипулированными. Фазовая манипуляция осуществляется согласно коду Баркера (порядок от 5 до 13). Все указанные параметры можно задать в качестве настроек блока задания последовательности БЗП. Генерация заданной последовательности импульсов завершается появлением импульса СТОП (диаграмма 2) от блока БУ. Длительность пакета импульсов, а также частота повторения пакетов задается настройками БУ. По умолчанию эти значения равны соответственно = 1 мс и = 0,5 с (рисунок 5 б). Ультразвуковой излучатель УИ (диаграмма4) управляется с помощью электронного ключа ЭК в соответствии с генерируемой последовательностью.
УЗ волна доходит до приемника (диаграмма 5) за время задержки , величина которой зависит от расстояния между преобразователями и условий распространения в среде. Сигнал после фильтра промышленных помех ФПП поступает на усилитель напряжения УН. Далее сигнал передается на АЦП, где уже в виде цифровой последовательности чисел поступает в блок анализатора БА. Частота дискретизации составляет 625 кГц и позволяет анализировать форму и статистическую изменчивость УЗ сигналов.
Блок БА представлен более детально на нижней схеме рисунка 5а. Значения принимаемого сигнала записываются в буфер Б1. Содержимое буфера Б2 используется для корреляционной обработки в качестве эталонного сигнала. Значения обоих буферов перемножаются поэлементно в корреляторе, так реализуется ВКФ приемного и эталонного сигналов. Вычислительный блок ВБ
обрабатывает полученную функцию и определяет средневзвешенное положение мощности ВКФ сигналов (рисунок 6). Конечным этапом вычислений является статистическая обработка данных, которая осуществляется в статистическом анализаторе СА. На рисунке 5а блоки, выделенные пунктиром, выполнены на ПЛИС XC3S500E фирмы Xilinx Inc.
Рисунок 6 – Экспериментальный пример изменения формы ВКФ эталонного сигнала и сигнала на входе приемника при изменении относительной задержки на 0,1 мс
Программно-аппаратная реализация алгоритмов для экспериментальных измерений в конвективном потоке и потоке вентилятора показала возможность измерения относительных задержек УЗ-сигналов порядка единиц микросекунд, при наложении импульсов длительностью 1 мс с несущей частотой 40 кГц. Предлагаемый метод контроля пространственно-неоднородной структуры открытых газовых потоков, основанный на измерении относительных задержек фазоманипулированных по коду Баркера УЗ сигналов, прошедших по разным траекториям, позволяет повысить разрешающую способность и уменьшить статистическую погрешность импульсного УЗ прибора. Использование широкополосных УЗ преобразователей с соответствующим увеличением рабочей частоты позволяет значительнее повысить временное разрешение УЗ прибора и уменьшить его погрешность измерения.
Результаты экспериментов по распространению ультразвука в конвективном потоке воздуха над нагретой поверхностью. Показано, что поведение экспериментальной и рассчитанной в приближении геометрической акустики зависимостей относительной задержки между сигналами в приемнике от температуры нагрева поверхности при температурах менее 140°C хорошо согласуется (рисунок 7), что может служить доказательством адекватности расчетов в лучевом приближении для этого диапазона температур.
При повышении температуры плиты выше 140°C растут задержка между сигналами и ее флуктуации, которые достигают более 30 %. Это связано со случайной пространственно-временной изменчивостью скорости звука и значительным рассеянием ультразвука на турбулентных флуктуациях. Рассеяние может происходить как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Полученное экспериментально увеличение временной задержки между прямым и отраженным сигналами при температурах поверхности более 140°C не может быть описано в рамках лучевого приближения.
0.5 0.4 0.3 0.2
0.1
20 40
60 80
100 120 140 160 180 t, C
кружки – среднее значение; вертикальные отрезки – величина разброса между минимальным и максимальным значениями
Рисунок 7 – Зависимости относительной задержки отраженного сигнала относительно прямого сигнала от температуры поверхности (рассчитанная методом геометрической акустики и экспериментальная)
По результатам комплексных экспериментальных измерений в импульсном и непрерывном режимах приводятся гистограммы амплитуды принимаемых сигналов над холодной и нагретой поверхностью. Показано, что при холодной плите разброс амплитуды вокруг среднего значения не превышает 10 %, а при нагретой плите амплитуда импульсов может меняться в несколько раз. К тому же амплитуда флуктуаций существенно зависит от поперечного размера конвективного потока, что говорит о значительном рассеянии ультразвука на неоднородностях потока.
Вывод о преимущественном вкладе рассеяния в амплитудные флуктуации сигнала подтверждается анализом статистического распределения огибающей непрерывного сигнала (рисунок 8).
Рисунок 8 – Статистическое распределение огибающей непрерывного УЗ сигнала
Приближенно распределение амплитуды сигнала может рассматриваться как распределение огибающей нестационарного случайного узкополосного сигнала. В этом случае плотность вероятности распределения амплитуды случайной огибающей определяется выражением
2 β 2
( ) = σ2√1 − β2 exp [− 2σ2(1 − β2)] 0 (2σ2(1 − β2)),
где σ – среднеквадратическое отклонение, β – параметр, определяющий статистическую связь амплитуды и фазы квазигармонического сигнала, 0( ) – модифицированная функция Бесселя.
0.6 0.4 0.2
01234 A/, о.е.
f(A), о.е. TD, мс
В предельных случаях это распределение переходит в распределение Рэлея (β → 0) или распределение Гаусса (β → 1). По полученным экспериментальным данным значение параметра β для разных условий (разные размеры потока и температура подстилающей поверхности) меняется в диапазоне 0,9 – 1, т.е. огибающая сигнала имеет распределение, близкое к нормальному. Это демонстрирует преобладание амплитудной модуляции сигнала, что подтверждает механизм рассеяния ультразвука в потоке.
Результаты экспериментальных исследований распространения ультразвука в конвективном потоке воздуха над нагретой поверхностью при сравнении с теоретическими расчетами в лучевом приближении показывают, что с помощью предложенного метода контроля пространственно- неоднородной структуры открытых газовых потоков можно по величине относительной задержки между сигналами в приемнике в определенном диапазоне температур получить информацию как о регулярной, так и о случайной стратификации воздуха над нагретой поверхностью.
Результаты экспериментов по распространению ультразвука в турбулентном потоке вентилятора. Измерения относительной задержки были проведены при разных значениях частоты вращения вентилятора по результатам обработки и усреднения двухсот импульсов. На рисунке9 приведены зависимости изменения средневзвешенного положения мощности ВКФ эталонного сигнала и сигнала в приемнике от угла падения плоской волны на неоднородный слой (теоретически рассчитанная методом инвариантного погружения) и от частоты вращения вентилятора при распространении ультразвука по направлению потока (экспериментальная).
а) теоретическая зависимость средневзвешенного положения мощности ВКФ от угла падения плоской волны на неоднородный слой;
б) экспериментальная зависимость средневзвешенного положения мощности ВКФ от частоты вращения вентилятора (кружки – среднее значение, вертикальные отрезки – величина среднеквадратического отклонения)
Рисунок 9 – Теоретически рассчитанная методом инвариантного погружения и экспериментальная зависимости средневзвешенного положения мощности ВКФ
С увеличением скорости потока средневзвешенное положение мощности ВКФ (соответственно и задержка между прямым и отраженным в потоке сигналами) монотонно растет. Соответствующие зависимости от скорости потока мало отличаются при перестановке местами излучателя и приемника. То
есть задержка растет при распространении ультразвука как по- так и против направления потока.
При номинальной частоте вращения вентилятора по данным измерений цифровым анемометром AeroTemp степень турбулентности на краях потока достигает 15-20 %. При этом изменение средневзвешенного положения мощности ВКФ с увеличением скорости потока составляет 30-35 мкс (рисунок 9, б). Это соответствует рассчитанной величине при решении волновой задачи отражения плоской волны от границы случайно-неоднородного слоя слоистой среды методом инвариантного погружения при углах рассеяния не менее 20° (рисунок 9, а). Это подтверждает, что механизм распространения ультразвука связан с рассеянием, возникновением волноводных, дифракционных эффектов и эффектов локализации при отражении от турбулентных неоднородностей.
При этом задержка УЗ волны между прямым и отраженным сигналом отличается для случаев прямого (по потоку) и обратного (против потока) распространения на 3-5 мкс. Это соответствует скорости потока порядка 0,5– 1м/с и, с учетом рассеяния на краях потока, согласуется с параметрами производительности вентилятора.
Таким образом, с одной стороны, экспериментальные измерения, основанные на корреляционной обработке ФМ сигналов, позволяют, благодаря высокому временному разрешению при многолучевом распространении ультразвука, оценить механизмы рассеяния акустической волны в турбулентном воздушном потоке. С другой стороны, результаты позволяют оценить скорость потока и степень турбулентности на его границах.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ
1. Разработан бесконтактный корреляционный метод контроля пространственно-неоднородной структуры открытых газовых потоков, основанный на измерении относительных задержек фазоманипулированных по коду Баркера ультразвуковых сигналов, прошедших по разным траекториям, путем вычисления средневзвешенного временного положения мощности взаимной корреляционной функции между сигналом на входе приемника и эталонным сигналом. Метод позволяет измерять малые относительные задержки между сигналами в приемнике при многолучевых схемах измерений, поскольку не накладывает ограничений на величину задержки при наложении сигналов в приемном тракте и, таким образом, повысить разрешающую способность УЗ аппаратуры. Это дает возможность оценки как регулярной, так и случайной пространственно-неоднородной структуры потока.
2. Для резонансных преобразователей с собственной частотой 40 кГц при длительности зондирующих импульсов 1 мс с кодированием фазы сигнала согласно коду Баркера 5-го порядка временное разрешение составляет порядка 1,2 мкс при усреднении по 100 импульсам. При частоте оцифровки 10 МГц и несущей частоте ультразвукового сигнала 200 кГц погрешность определения относительной задержки при наложении сигналов в приемнике по оценкам не
превышает 1% от периода несущей волны, что не уступает известным аналогам импульсной УЗ аппаратуры.
Проведен анализ статистической погрешности, возникающей при измерении задержки с использованием предлагаемого метода на основе корреляционной обработки фазоманипулированных по коду Баркера УЗ сигналов. Результаты показали, что при реализации алгоритма ширина статистического распределения задержки оказывается на порядок меньше ширины распределения, соответствующего измерению по фронту. Кроме того, уменьшается асимметрия распределения случайной погрешности, т.е. нелинейная регулярная погрешность.
3. Проведено математическое моделирование распространения УЗ сигналов в конвективном потоке над нагретой поверхностью и турбулентном потоке вентилятора в лучевом приближении с учетом геометрии измерений и характеристик УЗ преобразователей. Показаны особенности двухлучевого распространения ультразвука при относительной задержке между прямым и прошедшим через неоднородную среду сигналами при их наложении в приемном тракте УЗ аппаратуры. Для моделирования и обработки сигналов реализована программа для ЭВМ, на которую получено свидетельство о государственной регистрации.
Сделаны оценки пределов применимости предлагаемого метода, полученные при сопоставлении результатов моделирования в лучевом приближении и решения волновой задачи методом инвариантного погружения. Показано, что случайная стратификация турбулентной среды при многократном рассеянии УЗ волны на случайных неоднородностях приводит к дополнительной задержке сигнала и появлению волноводных эффектов (эффекта локализации). Соответствующие оценки проверены экспериментально.
4. Программно-аппаратная реализация алгоритмов для экспериментальных измерений в конвективном потоке и потоке вентилятора показала возможность измерения относительных задержек УЗ-сигналов порядка 1,5 мкс при наложении импульсов длительностью 1 мс с несущей частотой 40 кГц.
При сравнении результатов экспериментов с модельными расчетами показано, что для турбулентных газовых потоков возможности описания распространения ультразвука на основе рефракции лучей ограничены. Это связано со значительным рассеянием ультразвука на турбулентных флуктуациях.
Практические рекомендации и перспективы дальнейших исследований.
Предлагаемый метод потенциально повышает возможности импульсного УЗ контроля неоднородных газовых сред. Измерение малых относительных задержек при многолучевом распространении в перспективе позволяет с высокой точностью решать обратные задачи вычисления параметров стратифицированной газовой среды. Соответствующие программно- аппаратные средства могут использоваться в расходометрии, в УЗ многокомпонентных анемометрах, в УЗ системах локального
позиционирования для робототехники, при испытаниях и контроле вентиляторных установок. Результаты имеют перспективы использования для контроля турбулентности на границах открытых потоков газа или при обтекании потоком поверхности объектов.