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超声波流量计的探头能量损失分析 |
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| 发布日期：2023-05-05 点击：703次 |
传统的折射法超声波流量计的探头主要利用折射法产生横波，而横波的产生主要依赖于探头声楔块与金属管材之间的声速差异。根据Snell折射定律，当入射角大于纵波临界角时，纵波不可能存在，仅存在横波。以钢管为例，临界入射角约为25°。在临界角附近，容易形成板波或者爬波，因此楔块的入射角都会选择明显大于此临界角，比如45°，以避免形成其它波，造成能量损失。同时该角度又不能过大，因为时差法需要声程与流速方向成一角度，这样声程在流速方向上会有一个恰当的投影长度，以便于测得超声波在流体中顺流和逆流产生的时间差。这两者之间存在一个权衡，因此入射角仅有一个不大的范围可供选择。
采用折射法探头进行测量过程中会损失很多能量。主要的原因在于：低声速的楔块往往意味着其声阻抗较低，一般仅有3.5MRayl左右，而压电片声阻抗通常在16MRayl~26MRayl之间，钢管的横波声阻抗也在19MRayl~30MRayl之间，构成了高-低-高的阻抗结构，形成了明显的声阻抗不匹配，进而会导致声波能量透过效率大大降低；波型转换必定会损失能量；探头设计中一般都会尽量选择透射率较高的角度，但存在波型转换要求，较强地限制了可选范围，实际中仍会有相当多的应用受此限制，造成的常见负面影响是相当一部分能量沿着管壁表面传播，并逐渐耗散掉。
从能量角度来看，体横波探头的声波传播过程避免了上述缺点。体横波探头可以通过厚度切变模式来直接激励出横波，没有波型转换的过程，故可直接选用钢或者铝作为体横波探头的楔块材料，其楔块材料的阻抗也更接近管材，由声阻抗差异导致的能量损失可以降到最低，并可以提高超声波流量计信号的信噪比与测量精度，拓宽探头的工作温度范围，入射角度的选择也可以更宽。 |
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