关于声波飞行时间测量系统的设计与实现

    复杂温度场存在于工业中的多种用于燃烧或加热的设备中，在这些设备的工作中，温度分布即温度场是确定设备状态的重要参数。声层析成像温度场检测方法是对复杂温度场进行测量的有效手段，声波飞行时间测量是实现声层析成像温度场测量的关键。基于虚拟仪器这一新型的测量技术，搭建了声波飞行时间测量系统，并进行了实验研究。

    1 声学测温原理

    声学法气体测温的基本原理是基于气体介质中声波的传播速度是该气体介质温度的函数。

    在实际应用中，如果声波发射和接收装置之间的距离是已知的，则该条路径上的平均温度可以表示成声波飞行时间的函数。

    由上面分析可知，声学测温方法需要确定的基本物理量有：

   （1）声波发射与接收单元的距离；

   （2）被测气体的组成成分、状态参数、从而指定气体常数和绝热指数；

   （3）声波发射端和接收端的声学数据采集，从而计算声波飞行时间。

    以上物理量由于前两个是可知的，所以声学温度测量的关键就是测量声波的飞行时间。

    2 测量系统的软硬件设计

    系统由声波发射电路（包括声卡、带通滤波器、多路开关、功率放大器和扬声器），声波接收电路（包括麦克风、前置放大器、多路开关、带通滤波器），数据采集卡，计算机以及LabVIEW软件组成。其工作原理是在被测区域周围对称放置8个声发射/接收器，计算机控制声发射电路产生一定频段的声波信号，并由扬声器发射出去，在声波的飞行路径上有一对麦克风，麦克风1与扬声器的距离为R1，麦克风2与扬声器的距离为R2，由于R1远小于R2，所以麦克风1所接收的声波信号可看作扬声器发射的信号，麦克风2所接收的信号则看作远端接收的声波信号，由此可知声波传输距离为d=R2-R1，两路信号通过声波接收电路进行放大滤波，然后由数据采集模块对信号进行采集，并通过USB口将数据传输进计算机，由LabVIEW对其进行分析处理。

    2.1 硬件设计

    2.1.1 声发射电路

    声发射电路部分的工作原理是由计算机声卡产生音频信号，该音频信号经过MAX274带通路滤波器滤去工频干扰及其他噪声干扰后，由多路开关选通，然后通过TDA2003音频功率放大器提高输出功率，最后由扬声器发射声波。

    声卡作为语音信号与计算机的通用接口，其主要功能就是将所获取的模拟音频信号转化为数字信号，经过DSP音效芯片的处理，将该数字信号转换为模拟信号输出。目前一般声卡最高采样率可达96kHz，采样位数最高可达16位或32位。在该系统中，由软件产生某种波形的数字化信号，计算机总线将数字信号以PCM方式送入声卡的D/A转换器中，变成模拟音频信号，由Line Out线路输出。