摘 要 利用有限元方法对声谐振式测风仪中刚性平面障板间的静态声场分布及声场与流场的叠加效果进行了模拟，得到了静态声压分布随激励频率的变化规律，以及声场与流场叠加的效果，并对分析结果进行了讨论。
关键词 声谐振；测风仪；声场；流场；有限元
前言
声谐振式测风仪是近年来风速风向检测领域的研究新热点，具有测风范围广、使用寿命长、环境适应性强、体积小、灵敏度高、准确性高等特点[1～3]，可用于风电机组测风、车载环境监测等领域。英国丰泰（FT）在声谐振式测风仪研究方面处于领先地位，而国内研究较少，所用产品基本依赖进口，因此，声谐振式测风仪的研究具有重要意义。
声谐振式测风仪主要利用声波在两个刚性障板间的连续反射、叠加形成类驻波，利用风场与声场的矢量叠加，通过检测声波传播时间的变化，可推算出风速的变化，因此，类驻波频率及声场与风场叠加效果的模拟对测风仪的设计具有重要的指导意义。
声场与流场叠加仿真研究方面，Abigail Swillens等人利用动态流体计算模块CFD对脉冲声波作用下血管中压强和速度分布进行了分析，与血管中心轴线上的速度进行了对比，验证了其有效性[4]。Emmanuelle Mandard等人利用解析方法对流量计中的声场与流场的叠加进行了模拟，通过不同的方式计算了延迟时间，模拟与实验结果吻合较好[5]。
本文根据声谐振式测风仪的设计需求，利用有限元分析软件建立了模型，分析了无风条件下声压分布随激励频率的变化，以及声场与流场的叠加效果，希望能为声谐振式测风仪的设计提供支持。
1 有限元分析模型
声谐振测风的前提是在两个刚性障板之间形成类驻波的稳定声传播。测风结构中主要包含了两个圆形障板及三个超声换能器，为了直观展示超声换能器发射的声场在两个障板之间的传播，建立了有限元简化模型。基于有限元分析软件ANSYS，利用FLUID29单元建立了障板间空气的二维简化模型，障板与气流的边界定义为刚性边界，发射换能器与空气接触边界施加一定频率的交变的压强信号，金属膜接收边界定义为柔性边界。当前模拟静态声压分布，速度定义为0，另一端为吸收边界。
为了防止两端反射影响声压分布，对两端进一步延伸，建立了有限元模型。
交变压强信号为驱动施加位置，刚性边界对应位置节点UX、UY设置为0，金属膜接收边界设置为柔性，建立了图2所示的有限元模型，浅色为含结构的流体单元，深色为不含结构的流体单元。图中为了显示方便，网格进行了放大，实际网格密度为图中所示的10倍。
利用图2中所示模型进行了2D声场分析，首先进行谐响应分析，在图1中交变压强信号处施加了35kHz～40kHz的驱动信号，在金属膜接收边界处提出了中间点上的声压信号，并得到幅值和相位的频响曲线，如图3和4所示。
根据声谐振式测风仪的工作原理，声波需在两障板间进行多次反射叠加，形成类驻波声场，因此，相位突变所对应频点即为工作点。从图4中可以看出，在35kHz～45kHz频段内，当前结构存在3个工作点，而声压幅值最高的点为37850Hz，随后在该频点进行了瞬态分析，以便得到声场的时域特性。
以15个周期为时间长度进行了瞬态分析，以接收面中线定义了路径，并将提取的声压信号映射到路径，并可在图形上显示。显示声压叠加最大值发生在接收面的中心点附近，可实现较好的接收效果。由于当前仿真过程中所取扫描频点有限，所提取相位转换对应频点与结构对应的最佳工作点存在一定误差，导致声压最高点未能与结构中心点完全重合。
3 3D声场有限元分析
为了得到与实际结构更接近的结果，建立了3D仿真模型，建模思路与图1类似，耦合场单元采用SOLID5，结构单元采用SOLID45，流体单元采用FLUID30，吸收单元采用FLUID130。驱动部分选择了由φ9mm*0.4mm及φ17mm*0.1mm组成的换能器结构。
与2D分析采用同样的顺序，首先进行谐响应分析，得到了幅值和相位的频响曲线。
当前结构存在3个明显的相位翻转频点，声压幅值最高的点为37950Hz。
4 声场与流场叠加分析
为了更真实地反映工作状态下测风仪的声场分布，利用FLUENT模块，建立了2D分析模型，采用压力耦合求解器，将图1中的两个吸收边界分别设置为入口和出口边界，交变压强信号处施加正弦压强信号，其余边界设置为刚性边界，进行了瞬态分析。
5 结果分析与讨论
为了验证仿真结果，搭建了实验结构，包括两个刚性盖板及三个嵌入盖板的超声传感器，布局如图1所示，尺寸与仿真设计保持一致。利用Agilent 33220A信号发生器对发射换能器施加正弦驱动信号，keysight 2024A示波器监测接收换能器的输出信号，通过0.1kHz扫频监测，最终得到最佳工作点频率为38.8kHz，典型输出信号如图5所示。
通过对比可知，2D与3D仿真值接近，3D仿真值更接近实测值，误差为2%，说明仿真结果对测风仪设计具有指导作用。仿真过程中忽略了换能器压电陶瓷与金属膜之间的粘接层，以及换能器的时间延迟等因素，导致了误差的存在。
通过声场与流场叠加的瞬态分析，直观展示了流场对声场分布的影响，为后续两者疊加效应的定量计算奠定了基础。
6 结束语
通过本文的工作可以得出如下结论：2D和3D的稳态声场仿真模型可直观定量地展示测风仪两障板之间的声场状态，仿真误差约为2%，对结构设计、器件选型及后端电路设计具有重要的参考意义，后续将进一步优化模型，提高仿真精度；声场与流场的耦合可通过FLUENT模块进行分析，本文进行了定性分析，后续工作将细化模型，进行耦合的定量分析；基于当前模型，可通过设置材料参数的变化规律，可进一步模拟声场随温度、气压、湿度等环境参数的变化，为测风仪的设计提供全方位技术支撑。
参考文献
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[2] 张有为，陈伟.不同结构对超声波测风仪准确度的影响[J].仪器仪表用户，2016，（9）：40-42.
[3] 宋文灿，傅邵帅.超声波风速风向测量装置的原理及应用[J].电子质量，2016，（06）：49-52.
[4] ABIGAIL S，LASSE L，Jan K，et al. Ultrasound Simulation of Complex Flow Velocity Fields Based on Computational Fluid Dynamics[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND FREQUENCYCONTROL，2009，（3）：546-556.
[5] EMMANUELLE M，DENIS K，RODOLPHE B，et al. Methodology for Developing a High-Precision Ultrasound Flow Meter and Fluid Velocity Profile Reconstruction[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS，FERROELECTRICS，AND FREQUENCY CONTROL， 2008，（1）：161-172.
作者简介
杨靖（1982-），男，山东人；学历：硕士，现就职单位：中国电子科技集团公司重庆声光电有限公司，研究方向：智能感知系统。