Ультразвуковой метод измерения скорости горения (Раздаточные материалы), страница 2

3, иллюстрируют этот подход. Температурная чувствительность получена нз трех сглаженных кривых и сравнивается со значениями, определенными в стандартных классическихиспытаниях ракетных двигателей. Этот пример подчеркивает потенциальные возможности ультразвукового метода. Однако цель состоит в том, чтобы продемонстрировать влияние различных параметров на точность метода, а не точность данной методики в сравнении с техникой измерения полного времени сгорания при постоянном давлении или с какой-либо другой.

ця 2,5 цо О,б О бо 3. ПАРАМЕТРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ 3.1. Ультразвуковое поле и точки детектирования Акустическое поле, создаваемое ультразвуковым датчиком, состоит из двух зон: ближнее поле и дальнее [17, 18). Ближнее поле— это область непосредственно вблизи излучателя, где акустическое давление образует серию максимумов и минимумов. Эта зона заканчивается на расстоянии А? = 77 7',?4С от излучателя и зависит от скорости звука в материале (С), частоты (7) и диаметра излучателя (11).

В области дальнего поля акустическое давление, т. е. амплитуда отражений, медленно убывает с расстоянием вплоть до нуля. В связи с колебаниями давления в ближнем поле ультразвуковые измерения должны проводиться в области дальнего поля. Все преобразователи излучают расширяющийся луч. Угол расширения о зависит от тех же параметров, что и протяженность ближнего поля: 51п(а7'2) = 0,514С?'7"11, вплоть до расстояния, где амплитуда волны уменьшается на 6 ЛБ. Значение а определяет размер поверхности, от которой отражаются волньь Акустическое поле зависит от акустической частоты (или длины волны).

Поскольку все датчики имеют широкую полосу частот, структура ближнего поля и расширение луча значительно варьируются. Так следует из теории. Однако сильное затухание в твердом топливе, обусловленное внутренним рассеиванием, оказывает сильное влияние на характеристики акустического поля. Пля классического смесевого топлива скорость продольной волны при комнатной температуре находится в диапазоне 1800 + 2000 м/с. При толщине образна 20 мм время распространения волны т = 20 мкс. З~тух~ние в данно~ случае много сильнее, чем для стали или д1?угих классических материалов, и это ограничивает максимальную толщину топлива, на которой могут быть проведены измерения, значениями 100 чь 150 мм в зависимости от типа топлива.

Этот предел может быть расширен (14). Топливо выступает в качестве низкочастотного фильтра, акустический луч фокусируется благодаря внутреннему рассеиванию. Поверхность горения, вносящая вклад в регистрируемое эхо-отражение, составляет приблизительно треть диаметра излучателя. Физика горения в взрыва, 2000, т. 36, Нз 1 55 ?О ?5 г, чкя ВО Рис. 4. Пиагрзмма амплитуд отраженных ультразвуковых сигналов Отраженные сигналы, соответствук>цше расстоянию до поверхности топлива и представленные на рис. 1 справа, состоят из нескольких положительных и отрицательных пиков.

На рис. 4 эти сигналы расположены (для негорящего заряда) в интервале времени распространения сигнала т = 75 —: 79 мкс. При 1 = 0,5 с образец топлива воспламеняется и загорается: время распространения отраженного от поверхности сигнала уменьшается. В момент времени 1 = 1,8 с происходит погасание, чему и соответствуют отраженные сигналы в интервале т = 63 †: 66 мкс. Затем соединительный материал нагревается газообразными продуктами горения, что несколько увеличивает время распространения. Во время горения амплитуда сигнала, отраженного от поверхности горения, возрвстает по мере уменьшения толщины горящего слоя. Изменение амплитуды сигнала видно на рис.

5, где приведены спектральные диаграммы ультразвуковых сигналов отражения, полученных в ходе эксперимента по горению. Значительное возрастание амплитуды наблюдается после 1 = 2 с. Из-за своих упругих и акустических свойств слой топлива выступает в роли низкочастотного фильтра. В связи с этим диапазон частот максимального уровня сигнала, расположенный в приведенном примере в области частоты упругих колебаний 900 крц, смещается в направлении высоких частот в конце горения заряда. Изменение времени распространения сигнала, соответствующее сгоревшей части свода, получено путем измерения смешения времени пересечения нулевого уровня главным (положит~шьным или отрицательным) фронтом от- Ф.

Коти, М. Ерейпсс га ииьа 16 /, М1ч 15 Рнс. 5. Лнаграима спектра отраженных ультразвуковых сигналов раженного сигнала. Эта точка менее чувствительна к изменениям амплитуды (по сравнению с первичным пиком отраженного сигнала), однако спектральные изменения в сигнале частично влияют на ее положение (4, 5). В ультразвуковом приборе, разработанном 05/ВЙА, смещение этой точки преобразуется в аналоговое выходное напряжение. Ошибку, вызванную изменением амплитуды отраженной акустической волны с изменением толщины горящего слоя, можно уменьшить, используя для регистрапии ультразвукового сигнала подходящие низкочастотные фильтры и поддерживая, насколько это возможно, амплитуду отраженного сигнала постоянной.

К тому же эта ошибка является величиной второго порядка по сравнению с ошибкой, обусловленной физическими своиствами, влияющими на время распространения. 3.2. Физические величины 3.2П. Корректирующие поправки. Представленные на рис. 3 результаты ультразвуковых 5 10 15 р, Моа 20 Рис. 5. Влияние козффипиентов чувствительности к давлению скорости распространения звука в топливе на данные по СЯОрости Горения (заряд с переиеннои плошадью Горения): сплошные ливии — А;, = 2,3 ° 10 з 1/МПа, 1„= 5 10 " 1/МПа, С„„,у = 1938 и/с, Са„у = 2585 и/ч .

рныа — Ь = 3 10 а 1/МПа, 1р = 5 10 4 1/МПа, Сь,„у = 1938 и/с, Сь„г = 2585 и/с; штриховые — - Ь„=- 3,5 10 1/МПа, Ср,„у = 1954 и/с экспериментов получены в бомбе постоянного объема. Качество измерений зависит от внутреннего объема. При проведении экспериментов в бомбе большого объема не требуется дополнительного сглаживания данных (область низких давлений на рис. 3).

Темп роста давления в бомбе малого объема (1,2 л) в процессе горения увеличивается от 50 до 150 МПа/с. В экспериментах с использованием 7-литровои бомбы всегда ор/ог < 5 МПа/с. Корректирующая добавка в уравнении скорости горения (2) умножается на др/1Й. Таким Образом, чем ниже градиент, тем выше должна быть точность измерения.

Величина с~р/й связана с условиями проведения эксперимента, и именно она в конечнОм счете ответственна за точность метода. На результат влияют и такие поправки, как чувствительность к давлению скорости распространения упругой волны. Следующий приме1эиллюстрируез злгОригм, используемый в ОЫЕВА (рис. 6). Панные рисунка со- Физика горения н взрыва, 2000, т. Зб, 1зз 1 ответствует горению с одного конца бронированного конического заряда.

Кривые скорости горения получены для различных величин чувствительности топлива к давлению (трн значения) и с учетом влияния соединительного материала, а именно, с учетом его вклада во время распространения сигнала, и без учета. Общим критерием для этих кривых является то, что толщина сгоревшего свода равна начальной длине образна топлива. Согласование достигнуто подбором значения скорости волны в топливе (1938 м/с).

В случае, когда соединительный материал рассматривается как не влияющий на время распространения, для согласования необходимо увеличить влияние давления на скорость распространения волны в твердом топливе (т. е. использовать наибольшее значение к ). В экспериментах, результаты которых представлены на рис. 6, давление вначале растет, а затем убывает. В зависимости от значений коэффициентов скорость горения различна при одном и том же уровне давления (например, при р = 5 МПа), т. е, для данного набора коэффициентов кривая скорости юрения при нарастающем давлении не совпадает со скоростью горения при спаде давления.

В конечном счете удается добиться почти одинакового уровня скоростей горения, используя подходящий набор ультразвуковых параметров. Поэтому очень важно определять коэффициенты чувствительности к давлению скорости упругой волны в топливе и подобранном к нему соединительном материале. Это требует предварительных калибровочных тестов с использованием накачки бомбы холодным газом (Х2) (5).

3.2.2. Начальная толщина я волновая скорость. Ультразвуковой метод основан на измерении времени распространения волны. При этом точность метода связана с правильностью измерения начальной толщины заряда. Скорость волны в топливе определяется измерением времени ее распространения сквозь заряд. Начальную толщину отвержденного топливного заряда легко измерить с хорошей точностью (~0,2 мм или менее). Совпадение результатов достигается, когда выбранная скорость волны одинакова для всех вьтолненных экспериментов (рис. 7). Определение скорости юрения неотвержденного топлива значительно сложнее.