一种声学测温技术中声波飞渡时间的测量方法

    随着人类社会的飞速发展和进步，人们发现，相对于单点( 乃至多点) 温度测量而言，对温度场的研究和定量测量意义更加重大。例如，体育馆、俱乐部乃至家庭住房等场所中的温度场分布，海洋温度场的变化，各种燃烧和加热设备中火焰及烟气温度场，气体和液体储罐内部温度场以及大气温度场等等，都需要得到及时准确的了解和掌握。然而，温度场的测量又是一个十分复杂的问题，近年来发展起来的温度场声学测量方法具有测量精度相对较高、测温范围宽、测量空间大、非接触、实时连续和操作、维护方便等显著优点［1］，已成为一种十分有发展前景的高新技术，受到广泛关注。笔者对温度场声学测量中声波飞渡时间的准确测量等问题进行研究，提出一种新的测量方法。

    1 声波飞渡时间测量方法比较

    对于气体温度场来说，声学测温的基本原理基于如下关系式:

    式中，c 为声波在气体介质中的传播速度; Z 为与气体组分有关的常数; T 为声波传播路径上的平均温度［1-2］。要比较准确地掌握待测温度场的温度分布，必须在其周围安装多个声发射/接收换能器，这样在各个换能器之间就会形成多条独立的声波传播路径，测量出声波在各条路径上的传播速度，由公式( 1) 可得到各条路径上的平均温度，再由反演程序即可反演出待测温度场的温度分布情况。

    由上述温度场测量原理可知，要想准确获得温度T，就必须精确测出声波传播速度 c，而 c 的准确测量又以声波在发射/接收换能器之间的传播距离 L 和飞渡时间 t 的精确测量为前提。由于 L 的精确测量较易实现，因此温度场的最终反演测量精度就取决于飞渡时间 t 的测量精度。不仅如此，温度的测量误差和声波飞渡时间的测量误差的平方成正比，因此声波飞渡时间 t 的测量精度对温度场的最终反演测量精度影响甚大，可以说是起着决定性的作用［3］。

    到目前为止，关于声波飞渡时间的测量方法大致有如下几种:

    ( 1) 时差法。通过比较发射与接收脉冲( 串) 之间的起始时刻来测量出声波在声发射/接收换能器之间的飞渡时间。该方法使用最早、最广泛，在声纳测量中经常使用，具有测量简单，数据处理方便快捷，容易实现及时、快速和自动测量等优点。但是，由于发射和接收换能器的响应延迟及余振荡效应、介质衰减以及发射和接收换能器附加声程的影响，导致该方法测量精度较低，难以满足声学温度场测量技术对声波飞渡时间测量精度的要求。

    ( 2) 基于互相关技术的声脉冲飞渡时间测量法［4］。通过求取声源点和接收点两个声波信号之间的互相关函数，其取得最大值的延迟时间即为声波在发射/接收换能器之间的飞渡时间。该方法虽然能够克服时差法存在的各种缺点，但必须在声发射换能器附近再安装一个声接收换能器，否则无法实现相关。这不仅大大增加了声学测温系统的复杂性，而且对该系统的实际安装使用也会带来许多实际( 有时是无法克服) 的问题和困难。