风沙环境对超声风速仪测量结果的影响

　　0 引言　　

　　超声波风速测量仪是基于向量分析法，利用超声波信号在空气中传播时所携带的气体流动信息来测量大气风速风向的仪器，具有非接触、精度高、可测范围宽、安装维护较方便等特点[1]。目前超声波风速测量仪已被广泛应用于大气、环境、航海、工业风道的检测与危险气体监测等领域。

　　另外，随着由沙尘暴气象引发的环境、气候、生态问题日益凸显，许多科学工作者开始关注沙尘发生的机理原因。大风是作为沙尘颗粒启动的主要动力[2,3]，对其详细信息的准确获得是相关科研问题的热点。超声波风速测量仪由于其属于非接触式测量且具有较高的采样频率等优点，其测量结果可用来讨论近地层及沙尘暴期间的湍流分析，也有部分文献报道了超声风速仪用于测量风沙环境尤其是沙尘暴环境下的风场结构[4-6]。然而，在此条件下超声风速仪器的测量结果是否仍然可靠，对此问题至今没有文献报道。本文基于混杂颗粒介质等效介质密度、等效弹性模量的求解，讨论空气中夹杂不同浓度的颗粒物(如沙尘)时声波传播速度的变化，以此说明沙尘暴或降雨对超声风速仪器测量结果的影响。同时，本文研究结果可为沙尘暴或降雨条件下超声风速仪测量结果的修正提供依据。

　　1 超声风速仪测量原理

　　空气作为声波传播的介质，其运动会影响声波的传播速度，为此，Carrier和Carlson于20世纪40年代提出了基于测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来反推出两点间风速的方法[7]。

　　其测量原理如下[8]：假定净空条件下(无沙尘、无雨)大气中的声速为v0，测量期间空气运动速度为v ，仪器超声波发射、接收段距离为L，则超声波传输时间为：

　　其中：“±”号的选择与v0和v的方向是否相同有关，若相同则取“+”，否则取“±”。实际测量中0v很难唯一确定，因此，为了消除这种不确定性，反向再发射一个超声波脉冲，此时超声传输L距离所需时间为

　　两式变形后相减，可将0v消去，得新的表达式：

　　上式的推导使用了vv0的近似。由式(4)可见，风速与时间差成正比，即：当测量声波通过L距离的时间t1、t2以及大气声速v0后，即可获得测量位置处的风速。为了获得风向信息，需要采用多对探头并将测量结果进行正交合成计算。另外，由式(1)、(2)可知，t1、t2值与声波在空气中传播的真实速度有关。对于沙尘暴或降雨天气，空气密度会发生变化。根据任意介质中声速的计算公式(E为杨氏模量，ρ为介质密度)可推断，声波在沙尘暴中的传播速度与其在净空中的传播速度并不相同，因此在式(1)、(2)中的v 并不完全表示空气运动的速度，从而可能导致超声风速仪测量结果的不准确。为此讨论沙尘暴环境下的声速计算问题。