聲學(xué)溫度計中聲波導(dǎo)管的優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、溫度表征物體的冷熱程度，也是國際單位制中基本量之一。日常使用的溫度計都是依據(jù)某一特定物質(zhì)的性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律進行測量，這樣會使所測溫度對該物質(zhì)有所依賴。1848年，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森（開爾文勛爵）由熱力學(xué)第二定律定義了熱力學(xué)溫度，熱力學(xué)溫度與測溫物質(zhì)無關(guān)，從根本上保證了所測溫度的根本性與絕對性。
　　但直接測量熱力學(xué)溫度難度較大，ITS-90國際溫標(biāo)是一種協(xié)議性溫標(biāo)，是對熱力學(xué)溫度的逼近。近些年，隨著聲學(xué)測溫研究的不斷深入

2、，發(fā)現(xiàn)新的熱力學(xué)溫度測量結(jié)果與國際溫標(biāo)ITS-90定義值發(fā)生了偏差，并且隨著溫度的上升而增大。目前，國際上急需600K以上新的熱力學(xué)溫度測量結(jié)果。
　　氣體聲學(xué)溫度計是當(dāng)前測量熱力學(xué)溫度不確定度最小的方法，其測溫原理是基于理想氣體的聲速與熱力學(xué)溫度的關(guān)系。應(yīng)用氣體聲學(xué)溫度計開展600K～1358K熱力學(xué)溫度測量是目前國際溫度計量界的熱點方向之一。然而，現(xiàn)有聲學(xué)傳感器難以在400K以上工作，需采用耐溫聲波導(dǎo)管將聲學(xué)信號引入和引出聲學(xué)

3、共鳴腔。聲波導(dǎo)管的設(shè)計是影響聲學(xué)信號信噪比和能量品質(zhì)因數(shù)的關(guān)鍵因素。
　　本文提出了采用變徑聲波導(dǎo)管降低聲波的能量損耗和擾動的方法，建立了變徑聲波導(dǎo)管的衰減和擾動模型，分析了聲學(xué)信號在不同尺寸聲波導(dǎo)管內(nèi)的能量衰減和導(dǎo)管對圓柱腔聲學(xué)共振頻率和半寬的擾動，獲得了優(yōu)化尺寸，實驗測試驗證了模型具有一定的合理性。主要內(nèi)容和成果如下:
　　(1)根據(jù)現(xiàn)有單一內(nèi)徑聲波導(dǎo)管聲場能量特性理論及擾動特性理論，創(chuàng)新地建立了變徑聲波導(dǎo)管聲場能量及聲

4、場擾動模型。給出了變徑聲波導(dǎo)管的優(yōu)化設(shè)計流程，從理論上得到了300K，101kPa下二階變徑聲波導(dǎo)管的最優(yōu)設(shè)計尺寸;內(nèi)長為80mm圓柱腔體軸向共振頻率下聲波傳輸能量衰減因子＞0.3，聲場頻率半寬擾動均小于30ppm的理想效果。
　　(2)基于二階變徑聲波導(dǎo)管模型拓展建立了多階梯度乃至錐形連續(xù)的變徑聲波導(dǎo)管內(nèi)聲場能量衰減及聲場擾動模型，計算分析表明，錐形導(dǎo)管在單一軸向聲學(xué)模式下優(yōu)于二階變徑導(dǎo)管。其中，利用maple軟件編寫了相關(guān)計算

5、程序，可實現(xiàn)衰減和擾動的自動化計算。
　　(3)制造了不同尺寸變徑聲波導(dǎo)管，與聲學(xué)共鳴腔、聲學(xué)頻率測量系統(tǒng)、自動控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)形成完整的測量系統(tǒng)，在293K，101kPa條件下開展了變徑聲波導(dǎo)管圓柱腔內(nèi)聲學(xué)共振實驗研究，三組聲波導(dǎo)管測量結(jié)果與理論計算基本一致，說明了建立的模型和優(yōu)化計算程序的合理性及準(zhǔn)確性。
　　本文提出的變徑聲波導(dǎo)管優(yōu)化設(shè)計方案和衰減-擾動分析模型為聲學(xué)法精確測量高溫區(qū)熱力學(xué)溫度提供了理論基礎(chǔ)，也將為國