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超聲波流量計的探頭能量損失分析 |
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| 發(fā)布日期：2023-05-05 點擊：732次 |
傳統(tǒng)的折射法超聲波流量計的探頭主要利用折射法產(chǎn)生橫波，而橫波的產(chǎn)生主要依賴于探頭聲楔塊與金屬管材之間的聲速差異。根據(jù)Snell折射定律，當入射角大于縱波臨界角時，縱波不可能存在，僅存在橫波。以鋼管為例，臨界入射角約為25°。在臨界角附近，容易形成板波或者爬波，因此楔塊的入射角都會選擇明顯大于此臨界角，比如45°，以避免形成其它波，造成能量損失。同時該角度又不能過大，因為時差法需要聲程與流速方向成一角度，這樣聲程在流速方向上會有一個恰當?shù)耐队伴L度，以便于測得超聲波在流體中順流和逆流產(chǎn)生的時間差。這兩者之間存在一個權衡，因此入射角僅有一個不大的范圍可供選擇。
采用折射法探頭進行測量過程中會損失很多能量。主要的原因在于：低聲速的楔塊往往意味著其聲阻抗較低，一般僅有3.5MRayl左右，而壓電片聲阻抗通常在16MRayl~26MRayl之間，鋼管的橫波聲阻抗也在19MRayl~30MRayl之間，構成了高-低-高的阻抗結構，形成了明顯的聲阻抗不匹配，進而會導致聲波能量透過效率大大降低；波型轉換必定會損失能量；探頭設計中一般都會盡量選擇透射率較高的角度，但存在波型轉換要求，較強地限制了可選范圍，實際中仍會有相當多的應用受此限制，造成的常見負面影響是相當一部分能量沿著管壁表面?zhèn)鞑�，并逐漸耗散掉。
從能量角度來看，體橫波探頭的聲波傳播過程避免了上述缺點。體橫波探頭可以通過厚度切變模式來直接激勵出橫波，沒有波型轉換的過程，故可直接選用鋼或者鋁作為體橫波探頭的楔塊材料，其楔塊材料的阻抗也更接近管材，由聲阻抗差異導致的能量損失可以降到最低，并可以提高超聲波流量計信號的信噪比與測量精度，拓寬探頭的工作溫度范圍，入射角度的選擇也可以更寬。 |
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