（计算机应用技术专业论文）炉膛燃烧噪声环境下声波飞行时间测量方法研究.pdf

沈阳航空工业学院硕士学位论文 摘要 声学法炉膛温度场分布测量技术作为种非接触式高温测量方法，其关键在于对 炉膛声波飞行时间进行精确地测量。，本文针对炉膛燃烧噪声环境下声波飞行时间的测 量方法进行了深入地研究，在研究的过程中，主要完成如下工作： 1 对国内外炉膛声波飞行时间测量技术的发展与现状进行了综述。 2 对实际燃煤锅炉炉膛燃烧噪声进行了采集，并对其进行了特征分析，研究了其 幅频特性和概率分布。研究结果表明，实际炉膛燃烧噪声的频率成分主要分布在4 0 0 h z 以下的低频段。为了实现对接收信号的高效滤波降噪处理，可将声源信号的下限频 率设定为5 0 0h z 。另外，鉴于高频信号在高温烟气中的衰减特性，最终确定用于声学 法炉膛温度场测量技术中的声源信号的频带范围在5 0 0 - 2 0 0 0h z 之间。在对全频段的 炉膛燃烧噪声的概率分布的分析过程中得出，噪声数据的分布近似于均值为零的高斯 分布，在对频带5 0 0 - 2 0 0 0h z 之间的噪声数据的概率分布进行统计时发现，与声源信 号频带重叠的噪声数据的分布也近似于均值为零的高斯分布。 3 针对互相关函数法声波飞行时间测量中声源信号的选取问题进行了研究。仿真 实验结果表明，在相关法声波飞行时间测量中，声源信号的抗噪性能不仅与信号的频 率范围有关，而且还取决于有效带宽。通过对相同实验条件下的伪随机信号、线件扫 频信号、二次扫频信号以及对数扫频信号进行抗噪性能比较得出，在四种声源信号中 线性扫频信号具有更强的抗噪声干扰能力。 4 研究和尝试了广义相关时延估计和基于小波变换的相关时延估计方法在炉膛声 波飞行时间测量中的应用，并通过仿真实验和基于实际炉膛燃烧噪声的实验对两者的 抗噪性能进行了研究。结果表明，广义相关时延估计方法的抗噪性能要好于直接相关 时延估计和基于小波变换的相关时延估计方法。广义相关时延估计和基于小波变换的 相关时延估计方法，其实质都是在对接收信号进彳亍相关时延估计之前进行降噪处理， 但两者的性能却相差有别，通过理论分析得出，结果产生的原因来自于小波非线性闽 值降噪方法并不适合于对线性扫频信号进行降噪处理a 5 提出了一种新的基于主动声源的声波飞行时间测量方法，并通过仿真实验和基 于实际的燃煤锅炉燃烧噪声的实验对该方法的抗噪性能进行了研究，实验结果表明， 该方法的抗噪性能要强于广义相关时延估计方法，其小仅能够在更低的信噪比下准确 沈阳航空工业学院硕士学位论文 地测量声波飞行时间，而且从实现原理上避免了相关噪声对声波飞行时间测量的影 响，更适合应用在实际的炉膛燃烧环境中。 关键词：飞行时间；燃烧噪声；声波信号；小波变换：互相关函数；广义互相关；主 动声源 i i 沈阳航宅工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n i q u ef o rm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nf u r n a c eu s i n ga c o u s t i cm e t h o d j sa 丑。刀一t o u c hm e t h o df o rh 艳由t e m p e r a t u r em e a s u f e m e n t ，a n da c c u r a t em e a s u r e m e n t o ft r a n s i tt i m ef o ra c o u s t i cw a v ei st h em a i n l yk e yt oi m p l e m e n tt h i st e c h n i q u e t h i s t h e s i sh a sd e e p l ys t u d i e dt h em e t h o d sf o rm e a s u r i n gt h et r a n s i tt i m eo fa c o u s t i cw a v e u n d e rs t r o n gc o m b u s t i o nn o i s ei nf u r n a c e d u r i n gt h es t u d y i n g ，w o r k sh a v e b e e nd o n ea s f o l l o w s ： 1 t h i st h e s i sh a sr e v i e w e da n ds u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts t a t u s o fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ha b o u tt h et e c h n i q u ef o rm e a s u r i n gt h et r a n s i tt i m eo f a c o u s t i cw a v ei nf u r n a c e 2 c o m b u s t i o nn o i s ea c q u i s i t i o nh a sb e e nd o n ei np o w e rp l a n tc o a l - f i r e db o i l e r t h i st h e s i sh a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o l l e c t e dc o m b u s t i o nn o i s e ，a n ds t u d i e d t h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n dp r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fi t f i n d i n g so f t h er e s e a r c hs h o wu st h a t ，c o m b u s t i o nn o i s ep r e d o m i n a t e sb e l o w4 0 0h z ，t h e r e f o r e ，w e c a nm a k e5 0 0h za st h el o w e rl i m i tf o ra c o u s t i cs o u n ds o u r c ef r e q u e n c ys oa st of u l f i l l t h ef i l t e rp r o c e s s i n gw i t hh i g hp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，a t t e n u a t i o nl o s s e si ns u c hh i 曲 t e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n ts e tt h eu p p e rl i m i tf o rf r e q u e n c y , s on o r m a lu s e f u lf r e q u e n c i e s o fa c o u s t i cw a v ef o rb o i l e ra p p l i c a t i o ni sa b o u tf r o m5 0 0h zt o2 ，0 0 0h z i nt h ea n a l y s i so f p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf o ra l lb a n dc o m b u s t i o nn o i s es a m p l e df r o m c o a l f i r e db o i l e r ，m a n y s a m p l e so ft h en o i s ep r e s e n to b v i o u sg a u s s i a np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n i nt h ea n a l y s i s o f8 u b - b a n dc o m b u s t i o nn o i s ew h o s eb a n di sf r o m5 0 0h zt o2 0 0 0h z ，t h es a m p l e so f c o m b u s t i o nn o i s ew h o s eb a n di so v e r l a p p e dw i t ht h eb a n do fa c o u s t i cs o u n ds o u r c es i g n a l a l s oo b e yg a u s s i a np r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n 3 s e e c t i o no ft h ea c o u s t i cs o u n ds o u r c ew h e nm e a s u r i n gt h et r a n s i tt i m eo fa c o u s t i c w a v eu s i n gc r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o dh a sb e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s s i m u l a t i o ne x p e r i - i n e n tr e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nm e a s u r i n gt h et r a n s i tt i m eo fa c o u s t i cw a v eb a s e do nc r o s s c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ，t h ea b i l i t yt or e s i s tn o i s ei n t e r f e r e n c eo fa c o u s t i cs o u n ds o u r c ei s i l o to n l yc o r r e l a t i v ew i t ht h ef r e q u e n c yr a n g e ，b u ta l s om a i n l yd e p e n d so i lt h ee f f e c t i v e i i i 沈阳航空工业学院硕士学位论文 b a n d w i d t hr e l a t i v et on o i s e w h e nc o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c et or e s i s tn o i s eo fp s e u d o r a n d o ms i g a a l ，l i n e a rs w e e ps i g n a l ，q u a d r a t i cs w e e ps i g n a la n dl o g a r i t h m i cs w e e ps i g n a l u n d e rs a m ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，i tc a l lc o m et oac o n c l u s i o nt h a t ，l i n e a rs w e e ps i g n a l h a ss t r o n g e ra b i l i t yt or e s i s tn o i s et h a nt h eo t h e r s 4 t h et i m ed e l a ye s t i m a t i o nm e t h o d so fg e n e r a l i z e dc r o s sc o r r e l a t i o na n dw a v e l e t b a s e dc r o s sc o r r e l a t i o nh a v eb e e ns t u d i e da n dt r i e di nm e a s u r e m e n to ft r a n s i tt i m ef o r a c o u s t i cw a v ei nb o i l e rc o m b u s t i o nn o i s ee n v i r o n m e n t ，a n dt h ep e r f o r m a n c et or e s i s tn o i s e i n t e r f e r e n c eo ft h i st w om e t h o d sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t su s i n g g a u s s i a nw h i t en o i s ep r o d u c e db yc o m p u t e ra n dr e a lc o m b u s t i o nn o i s es a m p l e df r o mc o a l - f i r e db o i l e r t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wu st h a t ，t h ea b i l i t yt or e s i s tn o i s eo fg e n e r a l i z e d c r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o di ss t r o n g e rt h a nt h a to fd i r e c tc r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o da n d w a v e l e tb a s e dc r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o d f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n db yt h e o r e t i c a n a l y s i s ，w ec a nc o m et oc o n c l u s i o nt h a t ，d e n o i s em e t h o db a s e do nw a v e l e tn o n l i n e a r t h r e s h o l di su n s u i t a b l ef o rd e - n o i s i n gt h el i n e a rs w e e ps i g n a l 5 an e wm e t h o df o rm e a s u r i n gt h ea c o u s t i cw a v et r a n s i tt i m ei nb o i l e rc o m b u s t i o n n o i s ee n v i r o n m e n th a sb e e n p r o p o s e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi sb a s e do na c t i v ea c o u s t i cs o u n d s o u r c e t h ea b i l i t yo fr e s i s tn o i s ei n t e r f e r e n c eo ft h i sn e wm e t h o dh a sa l s ob e e ns t u d i e db y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw h i c ha r eb a s e do ng a u s s i m lw h i t en o i s eg e n e r a t e df r o mc o m p u t e r a n dr e a lc o m b u s t i o nn o i s es a m p l e df r o mc o a l - f i r e db o i l e r t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c hr e s u l t s s h o wu st h a t ，t h i sn e wm e t h o dp o s s e s s e ss t r o n g e ra b i l i t yt or e s i s tn o i s ei n t e r f e r e n c et h a n g e n e r a h z e dc r o s sc o r r e l a t i o nm e t h o d ，i tc a nn o to n l ya c c u r a t e l ym e a s u r et h et r a n s i tt i m e f o ra c o u s t i cw a v ei nl o w e rs i g n a lt on o i s er a t i o ，b u ta l s oa v o i dt h ei n f l u e n c eo fc o r r e l a t e d n o i s eo nm e a s u r e m e n to fa c o u s t i cw a v et r a n s i tt i m ei nt h e o r y , i ti sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o r m e a s u r i n gt r a n s i tt i m eo fa c o u s t i cw a v eu n d e rs t r o n g e rc o m b u s t i o nn o i s ei nl a r g eb o i l e r k e y w o r d s ：t r a n s i tt i m e ；c o m b u s t i o nn o i s e ；a c o u s t i cw a v es i g n a l ；w a v e l e tt r a n s f o r m ； c r o s 8c o r r e l a t i o nf u n c t i o n ；g e n e r a l i z e dc r o s sc o r r e l a t i o n ；a c t i v es o u n ds o u r c e i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立完 成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品或成果，也不包含本人为获得其他学位而使 用过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人或集体均已在论文中进 行了说明并表示谢意。本声明的法律后果由本人承担。 论文作者签名：汐幺良 勿口6 年矿窍 兰日 版权授权说明 本人授权学校“有权保留送交学位论文的原件，允许学1 1 i 7 ：论文被 查阅和借阅，学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文”；愿意将本人学位论文电子版提 交给研究生部指定授权单位收录和使用。学校必须严格按照授权对论 文进行处理，不得超越授权对毕业论文进行任意处置。 授权人签名：撖 劢0 6 气扣窍f ￥日 沈阳航空工业学院硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 对于燃烧煤炭粉的锅炉，其燃料在炉膛三维空间进行悬浮燃烧，具有典型的三维 立体特征的复杂物理化学过程，它的工况是极不稳定的脉动燃烧，炉内的温度场分布 也不均匀。如果燃烧不稳定，产生脉动和火焰的内动，容易引起炉膛压力不稳，造 成炉墙损坏；如果炉膛内温度场不均匀，造成炉膛温度场的偏移，离火焰中心近的 水冷壁过热或结焦，容易引起热应力过高造成爆管；而离火焰中心远的水冷壁管则 由于加热不足破坏锅炉水循环平衡，金属热应力增加导致减少锅炉寿命；如果炉内 温度场不均匀，燃烧调整不好或者燃烧不稳定，低温煤粉得不到充分燃烧，会导致 锅炉热效率的降低，并会产生更多的污染物( 例如粉尘，未燃炭，灰尘以及有毒气 体。9 0 2 ，瓯，c o ，n t t 4 等) 和噪声等，甚至可能会引起炉膛熄火，诱发炉膛爆炸。 因此，锅炉燃烧状况的优劣，直接影响到整个锅炉运行的可靠性、安全性和经济性。 为了维护锅炉运行的安全和稳定，降低工业废气排气量，需要找到有效地温度场 测量控制方法，来实时地监控锅炉炉膛内的燃烧过程，加强对整个燃烧过程的判断、 预测和诊断。在测量控制过程中，需要选取一些能够及时响应燃烧过程热物理参数变 化的量来反映设备运行的状况。而炉膛内高温烟气的温度直接体现了燃烧过程的稳定 性，高温烟气的温度对燃烧的经济性和稳定性是一个重要的指标。烟气温度在锅炉启 动和正常运行过程中是一个非常重要的操作参数。在启动的过程中，为了防止过热器 钢管的温度过热，锅炉出口气体的温度需要连续监测，直到出现稳定的气流。在较高 的操作负荷下，锅炉的各个位置的气体温度都需要监测，为了显示管排表面的清洁 度，管排之间的温度也需要测量。低质量的燃料会增加锅炉炉渣和水管污垢的形成， 带走大量的锅炉烟气温度，从而降低锅炉的效率。为了监测传热面的清洁度，连续的 测量锅炉内部某些特定位置的烟气温度是一种非常有效的方法。所以，为了实现对燃 烧过程的有效控制，必须对炉膛内高温烟气的温度分布进行准确测量。 声学测温作为一种非接触式高温测量方法，是少数几种能够得到大量温度信息而 对投入要求较低的技术之一。声学测温在2 0 世纪8 0 年代中期得到发展，并在9 0 年 代初期被普遍采用。声学测温的原理很简单，理论上讲，声学测温所需的装置就是 沈阳航空工业学院硕士学位论文 个安装在炉墙一侧的声波发射器和安装在另一侧的接收器。n n 黜- - n 4 u n n n 冲，被接收器监测到。由于两者之间的距离是已知且固定的，因此只要测出声波住期 间的飞行时间，就- i p a 计算出声波脉冲传播路径上的平均速度。声波在烟气中的传播 速度取决于它所穿过的烟气的温度，它们的关系满足公式( 1 1 ) ： c = ( k r t m ) 1 2( 1 1 ) 其中，c 为声波在气体介质中的传播速度，m s ；k 为常数气体的绝热指数，等于气 体介质的定压比热容与定容比热容的比值，与气体成分和状态有关；r 为气体常数， 其值为8 3 1 4 3 a ( r o d - a ，) ；m 为气体的平均千摩尔质量，k g k r a o l ，t 为气体的热力 学温度。因此，声波沿着声源到接收器的路线上的平均温度可以通过先测量声波的飞 行时间，然后根据两点间距离算出路径上的平均温度，用公式描述为： t = ( d b ，7 - ) 2x 1 0 6 2 7 3 1 6 ( 1 2 ) 其中，d 为声波传播的距离，m ；r 为声波在两个接收器间的飞行时间，m 8 ；b = ( k r m ) m ，对于某种特定气体b 为一常数，对于烟道混合气体为1 9 0 8 ；t 为声波传 播路径上气体介质的平均温度，。通过合适的温度场重建算法对炉膛内的多条路径 的平均温度进行处理，就可以得到炉膛内温度场的二维或三维分布。 通过公式( 1 2 ) 我们可以得到，声波飞行时间的测量在整个声学测温过程中是至关 重要的，它的测量精度将直接影响到温度场重建的准确度。如果飞行时间测量不准， 那么无论温度场重建算法如何去改进，重建出来的温度分布结果都不能反映实际的温 度场。然而，工业生产过程中嘈杂噪声的干扰无处不在，例如燃烧噪声、吹灰器的噪 声都是对声波飞行时间的测量结果影响较大的干扰，在大型燃煤锅炉燃烧中尤为突 出。因此，如何在嘈杂的强背景噪声下实现对声波飞行时间的精确测量成为声学法测 量高温气体的关键，同时也是声学测温技术中需要重点解决的问题。 1 2 燃煤锅炉炉膛声波飞行时间测量技术的发展与现状 声学法锅炉炉膛温度场分布测量技术的关键在于对声波穿过炉膛烟气时所需要的 飞行时阐进行准确测量，因此，设计一个声学测温系统，其关键也要设计一个精密的 声波飞行时间测量系统。针对该问题，国内外的学者们进行了大量的研究： 早在1 8 7 3 年，a m m a y e r 就在p h i l s o s p h i c a lm a g a z i n e 中提出了“通过计算声波 信号在介质中的传播速度来测量介质的温度分布”这一思想【8 ，9 】，但是很遗憾的是，在 2 沈阳航窄工业学院硕士学位论文 当时却没有能够可以实现该项技术的仪器设备。 1 9 8 3 年，s f g r e e n 和a u w o o d h a m 在他们的论文“r a p i df u r n a c et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nm e a s u r e m e n tb ys o n i cp y r o m e t e r ”中讨论了声学法测量温度场的可行性， 他们采用间断的高能爆破声( s p a r k i n gg a p s ) 作为声源信号，将传声器( m i c r o p h o n e ) 作 为信号接收器，s f g r e e n 和a u w o o d h a a n 采用标准的实验室示波器来检测声波信 号的到达，从而来确定声波在介质中的飞行时间。当声波信号产生并发射的时候，示 波器的x 横轴开始进行扫描，接收信号控制着示波器电子束的纵向轴的运动，接收信 号中出现声波信号时波形将会显现在示波器中，当接收信号的幅值达到一个阈值时， 通过肉眼观测来确定声波信号的到达时间。这种技术的缺点在于阙值难以清楚地来定 义。由于它采用目测技术来判定声波信号何时到达，使得它并不适合于连续测温。另 外这项技术不能够实现自动地测温，需要人的因素来干预，导致通过该项技术得到的 结果不能够处于一种稳定有效的形式，而且它不适合于多条路径上的应用。另外，它 需要高强度的声波信号，因此这就需要较高的电压来产生高强度的信号作为声源信 号【9 】。 1 9 8 6 年，东京电力技术研究所的伊腾文夫和三菱重工长崎研究所的坂井正康设计 了一套基于声波传感器的高温测量系统。该系统的声波发生单元为电声系统。他们在 实验室的高温实验炉上进彳亍了实验，其中针对炉膛声波飞行时间测量中声源信号的发 生形式进行了深入研究，并得到了一些很有价值的结论，实验结果表明：声波在炉 膛烟气中的衰减中的衰减与煤气中的c 0 2 浓度、声波的频率、煤气温度成正比；高 温烟气中声波频率越高，声波衰减越大，温度越高，声波的衰减也越大；从测量精 度和信号衰减两方面考虑，声波发生信号的频率应在1 2 k h z 以内。 1 9 8 9 年，美国路易丝安那州( l a ) 巴布科克及威尔科克斯公司( b a b c o c ka n dw i l c o x c o m p a n v ) 的s t e v e npn u s p l 等人研究开发了一套声学高温测量系统删，据称该系统可 以应用在非常嘈杂的锅炉环境中，对于锅炉直径长达1 0 0 英尺，噪声强度达到声波强 度2 倍以上的情况下，该系统依然能够对炉膛声波飞行时间进行准确地测量。系统中 所采用的声波发生装置为电声系统，具体装置为美国加利福尼亚州的a l t e c 公司生产 的a l t e c2 9 0 - 8 k 。系统采用互相关技术来测量声波在炉膛中的飞行时问，为此声波信号 的发生形式选用了非周期性的扫频信号，信号的扫频范围为5 0 0 - 3 0 0 0 h z ，采样频率为 3 0 k h z 。 1 9 9 4 年，美国内华达州( n e v a d a ) 大学的j a k l e p p e 等人研究开发了声学高温测量 3 沈阳航空工业学院硕士学位论文 系统( 1 0 j ，该系统可以在各种恶劣、嘈杂的工业环境中精确、反复地测量，主要应用在 电站锅炉。其所采用的声波发生单元为气声系统，声发垫接收单元的发生部分以压 缩空气( 工业用气1 经波导管内孔板产生1 0 ( 卜3 0 0 0 h z 的宽频带随机声波，作为系统的声 源。接收部分采用耐腐蚀镍基合金钢制成的压电式传感器，用来接收发生单元的声波 信号。系统中所采用的声波飞行时间测量方法包括以下几个步骤：( 1 ) 声波发生器向炉 膛发出宽频带的随机声波信号，声波从发射端穿过炉膛到达接收端；( 2 ) 在发射端附近 的信号接收器和接收端的信号接收器，对声波进行采样转换成数字信号上传给计算机 进行处理；( 3 1 计算发射端和接收端的接收信号之间的冲激响应( h n p u l s er e s p o n s e ) 。冲 激响应定义为： ( r ) = f 一 & ，。】，其中，z ( t ) 为发射端附近的接收信号，9 ( t ) 为接 收端的接收信号，。为信号z ( ) 和s ，( ) 的互功率谱密度函数，民。为信号g ( ) 的自功率谱 密度函数。( 4 ) 寻找冲激响应的最大峰值点，则最大峰值出现时刻即为声波在炉膛的飞 行时间。 1 9 9 6 年，意大利比萨( p i c a ) 大学的m a u r ob r a m a n t i 等人【1 】成功研制出一套声学高 温测量系统。该系统的声波发生单元为电声系统。测量系统由两个具有相同指数曲线 型喇叭的扬声器、一个能够产生连续正弦脉冲序列的信号发生系统和一个具有信号调 理和飞行时间估计功能的信号接收系统组成。整个系统的运行由一个微处理器控制单 元操纵。在声波飞行时间的测量过程中，由信号发生器产生一个频率为1 8 k h z 的正弦 信号，信号的持续时间为6 6 m s ，重复频率为每秒种1 次。经过合适的功率放大后，驱 动扬声器发出声波，声波穿过炉膛到达对面的接收器。接收器的前置电路包括一个信 号放大器、一个门电路和一个窄带带通滤波器。滤波器用于滤除掉信号频带以外的噪 声信号，当接收到实际的声波信号时，门电路用于连接信号放大器的输出和带通滤波 器的输入。信号经过滤波后，再进行a d 转换，通过识别信号中峰值最大值的出现时 刻点，来确定声波信号的到达时刻，将到达时刻和声波发射时刻进行差值计算，从而 得到声波在炉膛内的飞行时间。 1 9 9 7 年，美国伊利诺斯洲( n i ) 斯特里姆伍德( s t r e a m w o o d ) 的d a v i da w t 设计了 一套声学温度测量系统( a c o u s t i ct h e r m o m e t e r ) 1 1 j 。该系统的声波发生单元是一套电声 系统。信号发生器首先产生一个具有预定频率和持续时间的信号，经由扬声器发出， 声波穿过介质到达另一端后，被一个被动( 比如：声波反射墙) 或主动的声波反射器 反射回来。一个与发射器相邻的声波接收器将反射回来的声波转换为电信号，送入到 声波检测电路。与信号发射器和检测电路相连的记时器，用来测量声波往返预定距离 4 沈阳航空工业学院硕士学位论文 所需要的时间，将该时间取半则可得到声波穿过介质所需要的平均时间。该系统避免 了以前系统中由于内部介质流动引起的声波飞行时间测量不准等问题，可以应用在家 庭、商业建筑、会堂、电影院、电冰箱、冷冻机、烤箱、游泳池或其他温控场所。 2 0 0 1 年，佐伯正裕( m a s a h i r os a e k i l 、田中正吾( s h o g ot a n a k a ) 1 3 】对炉膛内声波飞 行时间的测量方法进行了一定的研究。提出通过向炉膛发不同频率的正弦波，测量各 种频率下输入信号和稳定状态时接收信号之间的相位差，测量声波飞行时间的方法， 在实验室模拟环境下进行了实验。实验中采用频率分别为1 5 k h z 和2 k h z 的正弦波信 号，背景噪声采用录音机录制的工业锅炉内的实际燃烧噪声。但是该种方法在确定正 弦信号的初始相位时比较困难。 2 0 0 3 年，华中科技大学的何其伟，李言钦，周怀春等人【2 目针对声学法实现炉膛速 度场重建问题，设计了一套声学检测平台。其中，针对炉膛声波飞行时间的测量专门 设计了一套硬件系统，系统由信号测量和信号处理两大部分组成。测量系统的主要硬 件设备有：低频信号发生器、扬声器、麦克风、微压传癔器、a t d 卡和p c 机。声波 飞行时间测量的过程中，由低频信号发生器产生多路频率各不相同的激励信号，经由 不同的扬声器发声，声波经过断面温度场被麦克风接收，对于弱信号采用放大器进行 适当倍数的方法，h o 转换，得到的数据进入计算机进行信号处理和相关计算，最终 得到各条传播路径和方向上的声波飞行时间值。系统中信号的采样频率为8 0 0 k h z ，在 信号处理部分为了更好的恢复和模拟信号波形，并使精确度达到足够理想的程度，他 们采用了基于三次样条插值方法对采样数据进行了插值计算。 2 0 0 3 年，华北电力大学的张晓东、高波等人【2 7 】，针对炉膛声波飞行时间的测量进 行了计算机模拟分析与实验研究。实验中声源信号采用5 0 0 - 2 0 0 0 h z 的扫频声波，信号 采集系统由传声器、前置放大器、信号调理器、采集卡和计算机组成，信号采样频率 为4 8 k h z ，他们利用信号处理技术中的互相关函数分析方法，计算声波发射端和接收端 两路信号之间的时间延迟，从而的得到声波飞行时间。采用计算机模型进行的研究表 明，当接收端背景噪声和接收信号水平相当时，在不作降噪处理的情况下，也能够得 到比较满意的分析结果。实验分别针对无背景噪声和有背景噪声情况下对声波飞行时 间的测量进行了研究，实验结果表明：在有背景噪声的情况下，如果背景噪声高于接 收端信号的水平，则随着背景噪声的增大测量结果的偏差迅速增大，并导致多次测量 结果不稳定，不能达到测温的目的。 自1 9 9 8 年以来，东北大学信息科学与工程学院的邵富群教授f 2 3 j 及其所领导的研究 5 沈阳航空工业学院硕士学位论文 小组一直致力于采用声学方法对锅炉炉膛温度场进行测量的研究。从声源信号发生形 式，温度场重建算法【2 蛐3 】到温度场测量实验系统ma 目的构成等，都进行r 一定的研究 和实验并取得了一定的成绩。其所设计开发的声波飞行时间测量系统由声波信号发生 器、麦克接收器、前置放大器、单片机和p c 机组成。在声波飞行时间测量过程中， 采用单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 编程产生的伪随机序列经由单片机内部自带的1 2 位的d a 转 换器，转换为模拟信号并连接到t d a l 9 0 4 功率放大器上，驱动喇叭发声作为系统声 源，声源发声功率可根据需要进行调整。两个结构和特性完全相同的麦克接收器布置 在已知长度的声波传播路径上，声波信号穿过气体介质经过两个麦克接收器，被接收 到的模拟信号经过麦克放大器放大，再通过单片机内部自带的a d 转换器转换为数字 信号，经上下位机通信程序传到上位机，经上位机存储、分析和处理，求出互相关函 数峰值，则该峰值所对应的采样点数与采样周期的乘积即为该传播路径上声波的飞行 时间，信号的采样频率为5 0 k h z 。 通过对炉膛声波飞行时间测量技术进行回顾，我们得出如下结论：到目前为止， 在国外针对该技术已经有了成型的产品并且已经投入实际应用中，这些国家包括美 国、英国、意大利、日本等，其中以美国s e i ( s c i e n t i f i ce n g i n e e r i n gi n s t r u m e n t s ) 公司 的产品最为典型；在国内该项技术正处在基础研究和实验室研究阶段，华中科技大 学、华北电力大学以及东北大学在不同的研究方向上都取得了相应的研究进展。 虽然关于炉膛声波飞行时间测量技术，国内外都进行了大量的研究和报道，但是 由于锅炉炉膛燃烧环境的复杂性，使得该项技术在实际应用中还存在着一定的困难， 特别是声波飞行时间的测量精度问题。针对该问题，本文对炉膛声波飞行时间测量方 法进行了深一步的研究。 1 3 本文的主要内容 本论文共分7 章，主要研究了如何在燃煤锅炉炉膛燃烧噪声下实现对炉膛声波飞 行时间的精确测量。 第l 章为绪论，简要地叙述了课题的背景，介绍了声学测温的原理，指出声波飞 行时间准确测量的重要性，对锅炉炉膛声波飞行时间测量技术的发展和现状进行了回 顾和总结。 第2 章为燃煤锅炉炉膛燃烧噪声分析。在本章中对实际电站燃煤锅炉炉膛燃烧噪 声进行了采样，并对其进行了频率特性和概率分布等方面的研究n 6 沈阳航空工业学院硕士学位论文 第3 章中对互相关函数法测量炉膛声波飞行时间中声源信号发生形式的选取问题 进行了研究。 第4 章将广义相关时延估计方法应用到炉膛声波飞行时间测量中。介绍广义相关 时延估计方法的原理，并通过仿真实验和基于实际炉膛燃烧噪声的实验对直接相关时 延估计、广义相关时延估计进行了抗噪性能研究。 第5 章将小波变换应用到炉膛声波飞行时间测量中。简单叙述了小波变换的基础 理论，详细阐述了基于小波变换的相关时延估计方法的实现原理，并分析了方法的收 敛性，对小波变换中小波基函数的选取、小波分解层数的选择、阈值选择规则、阂值 量化规则等问题进行了理论分析和实验研究。通过仿真实验和基于实际炉膛燃烧噪声 的实验对基于小波变换的相关时延估计方法进行了抗噪性能研究，并与相同实验条件 下直接相关时延估计和广义相关时延估计方法的实验结果进行了比较。 第6 章中提出了一种新的基于主动声源的炉膛声波飞行时间测量方法，详细地阐 述了其实现原理，通过仿真实验和基于实际炉膛燃烧噪声的实验在不同的信噪比条件 下对其抗噪性能进行了研究，并与相同实验条件下的广义相关时延估计方法进行了比 较。 第7 章为全文总结，叙述了本文所做的主要工作以及得到的相关结论，并讨论了 锅炉炉膛声波飞行时间测量方面下步应该继续研究的闯题。 7 沈阳航空工业学院硕士学位论文 2 1 引言 第二章燃煤锅炉炉膛燃烧噪声分析 为了研究燃煤锅炉炉膛高强度燃烧噪声下声波信号飞行时间的测量问题，首先需 要对炉膛燃烧噪声特性有个全面地了解。在本章中采集了实际电站燃煤锅炉炉膛的燃 烧噪声，并对其频率特性、概率分布等方面进行了研究，为炉膛声波信号飞行时间测 量中声源信号的选取、飞行时间测量方法的选择提供了重要参考。 根据实际的锅炉燃烧噪声的频带，可以为声波信号的发生形式和频带范围提供参 考，使得声源信号的频带尽量不与噪声频带重叠，以便于可以对接收到的信号进行滤 波降噪处理，从而提高声波飞行时间的测量精度。本章中对实际锅炉内部的燃烧噪声 全频带和分频带的概率分布进行分析，尤其是声源信号所处的频带，根据其概率分布 是否具有高斯性，为接收信号的处理方法的选则提供参考。 2 2 炉膛燃烧噪声的数据采集 锅炉炉膛燃烧噪声采集的场地为辽宁沈海热电厂的1 号锅炉。该锅炉为哈尔滨锅 炉厂生产的燃用褐煤的六角切圆h g 一6 7 0 1 4 0 一h m l 2 _ 型锅炉。本锅炉系高温、超高压参 数并有一次中间再热的单锅筒自然循环蒸汽锅炉，配二十万千瓦汽轮发电机组。锅炉 呈“h ”型布置。炉膛四周布满了膜式水冷壁，炉膛上方布置有前屏过熟器，炉膛出 口处布置有后屏过热器。在水平烟道里装设了对流过热器和再热器热段，炉顶，水平 烟道两侧及转向室布满了顶棚管和包墙管，顺烟气流动方向布置有再热器冷段，省煤 器和空气预热器。炉膛截面尺寸为1 1 6 6 0 1 3 6 6 0r f l m ，高度为4 4 7 0 0m m ，设计假想切 圆直径为1 0 1 7 1 0 3 5m m ，每组燃烧器分别有3 个一次风喷口，每个一次风喷口上下分 别布置两个二次风喷口。锅炉主要的设计参数，见表2 1 中所示。 噪声采集所使用的硬件设备为笔记本计算机和外接麦克，外接麦克由手工焊接而 成。为了方便采集噪声的数字数据以及后期的处理工作，采用笔记本计算机进行现场 的噪声数据录蒂j 工作。笔记本计算机的具体配置信息，如表2 ，2 中所示。噪声采集过程 中，外接麦克通过钢管导入锅炉的观火口，由笔记本计算机控制采样。 信号采集软件，使用的是a d o b e 公司公开销售的a d o b e a u d i t i o n l 1 5 ，关于 8 沈阳航空工业学院硕士学位论文 表2 1h g 一6 7 0 1 4 0 - h m l 2 型锅炉主要设计参数 袁2 2 笔记本计算机的配置信息 属性配置 型号 c p u 内存 声卡 操作系统 联想天逸y 2 0 0d 1 6 0 0 7 2 5 w 3 2 5 6 0 6 0 b w i n t e lp e n t i u mm ( d o t h a n ) 7 2 5 ( 1 , s g h z ) 2 5 6 m bd d r 3 3 3 c o n e x a n ta c - l i n ka u d i o m i c r o s o f t w i n d o w s x ph o m e 中文版 a d o b ea u d i t i o n1 5 ，a d o b e 公司的官方网站上介绍到“a d o b ea u d i t i o n l 5 软件是一个 专业音频编辑和混合环境。a d o b ea u d i t i o n 专为在照相室、广播设备和后期制作设备 方面工作的音频和视频专业人员设计，可提供先进的音频混合、编辑、控制和效果处 理功能，最多混合1 2 8 个声道，可编辑单个音频文件，创建回路并可使用4 5 种以上 的数字信号处理效果，a d o b ea u d i t i o n 是一个完善的多声道录音室，可提供灵活的工 作流程并且使用简便。无论您是要录制音乐、无线电广播，还是为录像配音，a d o b e a u d i t i o n 中的恰到好处的工具均可为您提供充足动力，以创造可能的最高质量的丰 富、细微音响”。a d o b ea u d i t i o n1 5 提供了良好的频率分析和统计功能、数字滤波处 9 沈阳航空工业学院硕士学位论文 理、以及频谱显示