三维温度场声学测量方法与技术的优化研究

论文摘要

温度场检测在工农业生产、日常生活及加热过程等许多方面都具有十分重要的意义。然而,温度场的测量又是一个十分复杂的问题,利用传统的热电偶测温或辐射测温技术都很难实现整个温度场的准确测量。声学测温作为一种新的测温技术,由于具有快速、精确、测量范围宽、实时测量、维护方便等优点,必将在工业生产、科学研究中起到越来越重要的作用,本文对声学温度场检测技术的一些关键问题进行了研究,以适应声学测温的需要。本文首先对温度场监测的现实意义进行了分析,并介绍了温度场声学测量方法的原理、发展情况及声学测温的优势;其次,介绍了温度场中测量声波传播时间的几种方法,得出了互相关函数对于有背景噪声条件下的信号分析是有效的工具,采用互相关函数计算声波传播时间是可行的;再次,由于温度梯度场中声波传播路径的“弯曲效应”对温度场的声学重建精度存在着很大的影响,本文使用三角形前向展开方法和正三棱锥前向伸展算法分别对二维和三维温度场声波的真实传播路径进行了追踪和仿真计算;最后,在此基础之上,使用最小二乘方法对三维温度场进行测量重建,研究了声传感器数量和位置分布对温度场的重建精度的影响,以圆形对称温度场和单峰对称温度场为模型温度场,对以上两种因素进行了计算机仿真,本文还对是否考虑声波的“弯曲效应”对温度场的重建质量进行了对比分析。结果表明:增加传感器的数量,重建精度有一定的提高;当考虑声波路径弯曲效应后,尤其对于温度梯度较大的温度场,重建精度会得到极大的改善,并得到了较满意的重建结果,尽管该方法在重建速度上还存在一定的不足。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 温度场声学测量方法的发展历史及国内外研究现状
• 1.1.1 温度场声学测量方法的发展历史
• 1.1.2 国内外的研究应用状况
• 1.1.3 传统测温方法及其不足
• 1.2 温度场监测意义
• 1.3 温度场声学测量方法的优势
• 1.4 本文研究的主要任务
• 1.5 本章小节
• 第二章 温度场声学测量的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 温度的声学测量方法
• 2.2.1 温度的超声测量
• 2.2.2 声学测温的典型装置介绍
• 2.2.3 声学温度场测量的基本原理
• 2.3 温度场声学测量方法的工作原理及系统构成
• 2.3.1 温度场声学测量方法的工作原理
• 2.3.2 温度场声学测量方法的系统组成
• 2.4 本章小结
• 第三章 温度梯度场中声波传播时间的测量方法
• 3.1 引言
• 3.2 声波信号的选择与测量
• 3.3 声波传播时间 τ 的测量方法
• 3.3.1 最小均方自适应滤波时延估计法
• 3.3.2 基于高阶累积量的时延估计
• 3.3.3 互相关函数法及仿真试验
• 3.4 本章小节
• 第四章 温度场中声线路径追踪
• 4.1 引言
• 4.2 使用三角形前向展开法追踪温度梯度场中的声线
• 4.2.1 使用三角形前向展开法追踪二维温度梯度场中的声线
• 4.2.2 使用正三棱锥前向展开法追踪三维温度梯度场中的声线
• 4.3 仿真计算和结果分析
• 4.3.1 二维温度场中的声线轨迹追踪
• 4.3.2 三维温度场中的声线轨迹追踪
• 4.3.3 仿真计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 三维温度场声学测量的优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 三维温度场的表示方法
• 5.2.1 切片图指令
• 5.2.2 颜色比例条
• 5.3 三维温度场的声学测量重建
• 5.3.1 传感器空间分布和测量区域的分块方法
• 5.3.2 温度场重建算法——最小二乘法原理
• 5.4 考虑声波折射路径时的温度场重建
• 5.4.1 声波的折射路径——本征声线
• 5.4.2 本征声线的求解方法
• 5.4.3 考虑声波折射路径时的温度场重建算法
• 5.5 三维温度场的仿真重建与优化
• 5.5.1 最小二乘法温度场重建实现步骤
• 5.5.2 温度场重建过程中声波传播时间数据的获取
• 5.5.3 正方体空间模型温度场与仿真重建
• 5.5.4 圆柱体空间模型温度场与仿真重建
• 5.6 结果分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要