聲學溫度計中聲波導管的優(yōu)化設計研究.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某一特定物質的性質隨溫度變化的規(guī)律進行測量，這樣會使所測溫度對該物質有所依賴。1848年，英國物理學家威廉·湯姆森（開爾文勛爵）由熱力學第二定律定義了熱力學溫度，熱力學溫度與測溫物質無關，從根本上保證了所測溫度的根本性與絕對性。
　　但直接測量熱力學溫度難度較大，ITS-90國際溫標是一種協議性溫標，是對熱力學溫度的逼近。近些年，隨著聲學測溫研究的不斷深入

2、，發(fā)現新的熱力學溫度測量結果與國際溫標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以上新的熱力學溫度測量結果。
　　氣體聲學溫度計是當前測量熱力學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溫度的關系。應用氣體聲學溫度計開展600K～1358K熱力學溫度測量是目前國際溫度計量界的熱點方向之一。然而，現有聲學傳感器難以在400K以上工作，需采用耐溫聲波導管將聲學信號引入和引出聲學

3、共鳴腔。聲波導管的設計是影響聲學信號信噪比和能量品質因數的關鍵因素。
　　本文提出了采用變徑聲波導管降低聲波的能量損耗和擾動的方法，建立了變徑聲波導管的衰減和擾動模型，分析了聲學信號在不同尺寸聲波導管內的能量衰減和導管對圓柱腔聲學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。主要內容和成果如下:
　　(1)根據現有單一內徑聲波導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管聲場能量及聲

4、場擾動模型。給出了變徑聲波導管的優(yōu)化設計流程，從理論上得到了300K，101kPa下二階變徑聲波導管的最優(yōu)設計尺寸;內長為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)的變徑聲波導管內聲場能量衰減及聲場擾動模型，計算分析表明，錐形導管在單一軸向聲學模式下優(yōu)于二階變徑導管。其中，利用maple軟件編寫了相關計算

5、程序，可實現衰減和擾動的自動化計算。
　　(3)制造了不同尺寸變徑聲波導管，與聲學共鳴腔、聲學頻率測量系統、自動控制及數據采集系統形成完整的測量系統，在293K，101kPa條件下開展了變徑聲波導管圓柱腔內聲學共振實驗研究，三組聲波導管測量結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確性。
　　本文提出的變徑聲波導管優(yōu)化設計方案和衰減-擾動分析模型為聲學法精確測量高溫區(qū)熱力學溫度提供了理論基礎，也將為國