CC BY
108
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.372.54
О.Н. ЯДАРОВА, Л.А. СЛАВУТСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ОТКРЫТОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКА*
Ключевые слова: ультразвук, доплеровские спектры, воздушный поток, дистанционный контроль.
Предложена система дистанционного ультразвукового контроля воздушных потоков. Для оценки параметров потока используются доплеровские спектры обратного рассеяния ультразвукового сигнала на турбулентных флуктуациях. Результаты экспериментальных измерений и приближенных модельных расчетов качественно согласуются. Показано, что для оценки параметров потока необходимо анализировать как среднюю частоту доплеровского сдвига, так и ширину (форму) доплеровского спектра ультразвукового сигнала.
O.N. YADAROVA, L.A. SLAVUTSKIY THE DOPPLER ULTRASONIC CONTROL OF THE OPEN AIR FLOW
Key words: ultrasonic, Doppler spectrum, air flow, remote control.
The article proposes a system for remote ultrasonic control of air flow. Doppler spectra of backscattered ultrasound signal on the turbulent fluctuations are used to estimate the flow parameters. The results of experimental measurements and approximate model calculations are in agreement. To estimate the flow parameters it is necessary to analyze both the average frequency of Doppler shift and width (form) of the Doppler spectrum of the ultrasonic signal.
Для измерения скорости потоков газов, в частности воздушных потоков, могут использоваться как контактные, так и бесконтактные (дистанционные) методы. Контактные методы [2, 3] позволяют измерить локальную скорость, неизбежно приводят к искажению структуры потока и не всегда позволяют проводить контроль открытого неоднородного потока с большими пространственными размерами. Кроме того, воздушные потоки, образуемые, например, вентиляторами, являются турбулентными и характеризуются значительной пространственно-временной неоднородностью [7]. В этом случае удобно пользоваться дистанционными методами измерения - оптическими или ультразвуковыми.
Ультразвуковые (УЗ) методы контроля воздушных потоков имеют несколько меньшее разрешение, чем оптические (лазерное зондирование или пассивные измерения в ультракрасном диапазоне). При этом ультразвуковые измерения оказываются существенно дешевле, надежнее и позволяют проводить контроль потока в относительно большем пространственном объеме из-за широкой направленности ультразвукового излучения.
В настоящей работе показана возможность контроля скорости открытого воздушного потока на основе измерений доплеровского частотного сдвига обратного рассеяния УЗ сигнала на неоднородностях потока [1, 4].
На рис. 1 показана геометрия экспериментальных измерений и модельных расчетов, а также блок-схема ультразвукового прибора для доплеровского контроля [6].
Источником опорной частоты служит кварцевый генератор Г1. Его сигнал после усилителя У1 поступает на ультразвуковой преобразователь (УЗП). Сигнал приемника (преобразователь MA40B8R с резонансной частотой f0 = 40 кГц) после входного каскада усиления У2, охваченного автоматической регулировкой усиления, поступает на вход смесителя ХУ. На второй его вход поступает сигнал с генератора Г1, т.е. на выходе смесителя возникают сигналы комбинационных частот.
* Исследование выполнено при поддержке РФФИ (проект № 12-08-97007 р_Поволжье_а).
Рис. 1. Схема экспериментальных измерений и модельных расчетов (слева), функциональная схема устройства (справа)
С выхода смесителя сигнал поступает на фильтр низкой частоты (ФНЧ), вырезающий высокие частоты, а оставшийся сигнал разностной частоты позволяет определить величину частотного сдвига, который связан со скоростью потока.
Для задания потока использовался вентилятор (В) с выходным отверстием радиусом 2,5-10-2 м, производительностью 12,5-10-3 м3/с. Обратное рассеяние УЗ сигнала на неоднородном воздушном потоке имеет пространственно-распределенный характер. Рассеяние происходит в области пересечения потока и диаграммы излучения ультразвуковых преобразователей (см. рис. 1). Плотность потока и, соответственно, локальная скорость рассеивающих ультразвук неоднородностей меняется в пространстве как по направлению, так и по абсолютной величине. Поэтому ультразвуковой сигнал в приемном тракте прибора является суперпозицией сигналов с разной амплитудой, фазой и доплеровским частотным сдвигом.
На рис. 2 приведены примеры доплеровского спектра сигнала при разных скоростях потока. Время записи экспериментального сигнала (кривая 4) составляло не менее 0,8 с, что вполне позволяет выделить низкочастотную составляющую доплеров-ского сдвига частоты. Частота оцифровки не ниже 250 кГц. Как видно из рис. 2, доп-леровский сдвиг меняется в широком диапазоне от десятков герц до килогерца, и максимум спектра смещается в зависимости от угла и скорости потока. Экспериментальный спектр (рис. 2, кривая 4) имеет сложную форму с несколькими локальными максимумами. Форма сигнала меняется в зависимости от угла зондирования 9. Это может быть связано с боковыми лепестками диаграммы направленности, неоднородностью потока, рассеянием на границах потока. При допущении, что рассеяние имеет статистически однородный характер и время измерения значительно превышает характерные времена флуктуаций потока, сигнал обратного рассеивания может быть, в
простейшем случае, вычислен в виде пространственного интеграла
ф
2 7
£ (0 = ЯЖф) е~у у соз[2л( /0 + А/) ?] ёу dф, (1)
Ф 0
2
V
где А/ = — 2/ со8а - доплеровский сдвиг частоты, зависящий от угла рассеяния а,
с
скорости потока V и скорости звука с; / - несущая частота ультразвукового сигнала;
у ~ /0 - коэффициент затухания ультразвуковой волны; Л(ф) - амплитудный коэффициент, включающий в себя угловую зависимость излучения в соответствии с диаграммой направленности ультразвуковых преобразователей
(2)
х
где у0 - начальная скорость потока вентилятора; q - производительность; х - расстояние по оси от выходного отверстия вентилятора. Формула (2) широко используется в технике для расчета раздачи воздуха через воздухораспределители, расчета воздушных потоков вентиляторов [7] и следует из гидродинамики турбулентных потоков [5].
Рис. 2. Расчетные (1, 2, 3) и экспериментальный (4) доплеровские спектры.
Скорость потока на выходе вентилятора для кривых 1, 2, 3, 4 составляет 3, 6, 12 и 6,87 м/с
На рис. 2 приведены расчетные спектральные плотности 0(/ сигнала £(/), полученные при помощи (1) для трех разных значений производительности q и, соответственно, начальной скорости потока у0. Как видно из рис. 2 (угол наклона 9 = 50°), с изменением скорости потока меняется не только средняя частота доплеровского сдвига, но и ширина спектра. Для интегральной оценки этих параметров рассчитывалась средневзвешенная частота доплеровского спектра сигнала:
| /0( /) й/
/ср —
(3)
р |о(/) / '
Полуширина спектра О(/) оценивалась в виде нормированного момента второго
порядка
I (/ - /ср т /) #
(4)
к =
I о( /) а/
Для оценки изменения формы доплеровского спектра использовался параметр
2ст( /)
/с
ср
На рис. 3 проведено сопоставление экспериментальных результатов для величин /ср и к с данными моделирования по формуле (1) в зависимости от угла 9 между центральной осью потока и направлением ультразвукового излучения.
Как видно из рис. 3, даже при грубом допущении об однородности потока в пределах угла его расходимости (см. рис. 1, формулу (2)), угловые зависимости среднего доплеровского сдвига качественно согласуется с экспериментальными данными.
Поведение расчетных и экспериментальных зависимостей параметра к(9), характеризующего ширину доплеровского спектра, также качественно согласуется (рис. 3, б).
Зависимости имеют характерный минимум, соответствующий угловому положению максимальных частот сдвига (см. рис 3, а). При этом экспериментальная зависимость &(9) оказывается значительно выше. То есть ширина экспериментального доплеров-ского спектра значительно превышает ширину расчетного спектра. Это связано, по-видимому, с пространственно-временной неоднородностью потока, которая не учитывается в расчетах.
а б
Рис. 3. Сопоставление экспериментальных (крестики) и расчетных (сплошная) угловых зависимостей для среднего доплеровского сдвига (а)
и параметра к (б)
Таким образом, результаты лабораторных экспериментальных исследований и моделирования показывают, что предлагаемое ультразвуковое устройство обладает достаточной чувствительностью для доплеровского дистанционного контроля неоднородного воздушного потока. Для оценки параметров потока необходимо учитывать и анализировать как среднюю частоту доплеровского сдвига ультразвукового сигнала, характеризующую среднюю скорость потока, так и ширину (форму) доплеровско-го спектра, зависящую от неоднородности потока.
Литература
1. БлохинцевД.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981. 208 с.
2. Горлин С.М., Слезингер И.И. Аэромеханические измерения (Методы и приборы). М.: Наука, 1964. 720 с.
3. Городецкий О.А., Гуральник И.И., Ларин В.В. Метеорология, методы и технические средства наблюдений. 2-е изд. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 338 с.
4. КрасильниковВ.А., КрыловВ.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 400 с.
5. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988. 736 с.
6. Николаев А.А., Славутский Л.А. Дистанционный контроль ультразвуковых магнито-стрикционных преобразователей противонакипных устройств // Вестник Чувашского университета. 2008. № 2. С. 228-232.
7. ШепелевИ.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М.: Стройиздат, 1978. 144 с.
ЯДАРОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА - магистрант кафедры управления и информатики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары ([email protected]).
YADAROVA OLGA NIKOLAEVNA - master’s program student of Management and Informatics Chair, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ. См. с. 232.__________________________________________
