УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СЕЛЕТКОВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ УДАРНЫХ ВОЛН, СКОРОСТИ ЗВУКА В СРЕДЕ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И НАПРАВЛЕНИЯ НА ЗВУКОВОЙ ИСТОЧНИК Российский патент 1999 года по МПК G01L23/10 

Изобретение относится к исследованиям характеристик звуковых ударных волн в сплошных средах и источников ударных волн, в частности, для определения максимального относительного избыточного давления в звуковых ударных волнах, скорости их движения, скорости звука в среде их распространения и направления на источник ударных волн.

В современной технике акустических измерений известны устройства и способы измерения избыточного давления ударной волны, например [1, 2, 3, 4], а также измерения скорости звука в сплошных средах [5, 6, 7].

Однако известные способы предназначены для измерения только одного параметра ударных волн, а именно, избыточного давления или только измерения скорости звука в среде без связи с акустическими параметрами ударной волны. Таким образом, известные способы и осуществляющие их устройства не позволяют в комплексе с избыточным давлением находить характеристики среды, а также направление на источник ударных волн. Кроме этого недостатком известных способов измерения избыточного давления ударных волн является необходимость предварительного тарирования первичного преобразователя, воспринимающего воздействие ударной волны, чем также снижается точность измерения и требует использования дополнительного оборудования.

В связи с отсутствием в уровне техники средств, совпадающих с заявляемыми изобретениями по назначению (определение давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник) предлагается считать заявленные способ и устройство как изобретения, не имеющие аналогов.

Целью изобретения является создание устройства и способа, позволяющих одновременно находить параметры ударных волн, характеристик среды их распространения и направление на источник, генерирующий ударные волны, без предварительного тарирования первичных преобразователей, что существенно повышает достоверность и точность измерений.

Цель достигается тем, что устройство Селеткова для определения давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник, включает четыре первичных преобразователя, центры которых размещены относительно друг друга в углах пирамиды, боковые грани которой выполнены в виде прямоугольных треугольников с равными между собой катетами.

Поставленная цель достигается также тем, что в способе Селеткова для определения давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник, включающий установку в месте измерения четырех первичных преобразователей, генерирование последними при нагружении измеряемыми ударными волнами сигналов, преобразование этих сигналов в измерительной цепи, регистрацию максимальных значений сигналов, соответствующих максимальным нагружениям первичного преобразователя ударными волнами, генерирование при одинаковых внешних условиях дополнительной ударной волны с нагружением первичного преобразователя, отличающимся от максимального значения нагружения измеряемой ударной волной и определение времени движения измеряемых ударных волн между преобразователями, при этом фиксируют периоды времени движения ударной волны от первичного преобразователя, нагружаемого ударной волной первым до трех других первичных преобразователей, определяют последовательность прохождения ударной волной углов пирамиды, вычисляют по зафиксированным периодам времени время движения ударных волн от вершины до других углов, вычисляют среднее значение скорости движения ударных волн на отрезке расположения преобразователей по формуле:

находят углы между вектором, перпендикулярным к плоскости ударной волны, и катетами прямоугольных треугольников - боковых граней пирамиды по зависимостям:

причем при прохождении ударной волной сначала угла пирамиды, а затем вершины пирамиды в формуле подставляется знак минус, находят отношение максимальной амплитуды электрического сигнала, поступающего от нагружения измерительной ударной волной к амплитуде электрического сигнала от нагружения дополнительной ударной волной, определяют скорость звука в среде распространения ударных волн по формуле:

определяют максимальные значения избыточного давления в измеряемой и дополнительной ударных волнах по формулам:

В формулах (1)-(4) обозначено:
Δp₁, Δp₂- максимальное избыточное давление в измеряемой и дополнительной ударных волнах;
p - барометрическое давление;
k - коэффициент адиабаты среды распространения ударных волн;
u, а - средняя скорость движения ударной волны на контрольном отрезке ударной трубы и скорость звука в среде движения волны;
В - размер катетов прямоугольных треугольников - граней прямоугольной пирамиды;
t_A1 , t_A2, t_A3 - периоды времени движения ударной волны от первичного преобразователя, расположенного в вершине пирамиды, до первичных преобразователей в других углах пирамиды;
π₁₂= A₁/A₂, где A₁, A₂ - амплитуды электрических сигналов при нагружении первичного преобразователя соответственно измерительной и дополнительной ударными волнами.

При изучении известных технических решений в данной области техники по назначению и признакам, сравнение их с назначением и признаками заявляемых изобретений обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведено устройство Селеткова для определения давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник.

Оно содержит четыре первичных преобразователя, размещенных относительно друг друга в углах пирамиды А 123, имеющей боковые грани в виде прямоугольных треугольников с равными между собой катетами.

На фиг. 2 приведен рисунок типичной осциллограммы, получаемой на экране запоминающего осциллографа, на котором изображены сигналы, поступающие с первичного преобразователя при нагрузке его ударными волнами: измеряемой (амплитуда сигнала - A₁) и дополнительной (амплитуда сигнала - А₂).

На фиг. 3 приведена схема измерительной цепи, состоящая из предложенного устройства с первичными преобразователями, усилителя сигналов, указателя очередности нагружения первичных преобразователей ударной волной, трех частотомеров (Ч1, Ч2, Ч3), позволяющих фиксировать промежутки времени прохождения ударной волной расстояния между первичными преобразователями по нормали к ударной волне, и запоминающий осциллограф, регистрирующий электрический сигнал, поступающий от одного из первичных преобразователей, пропорциональный величине его нагружения ударной волной.

При воздействии измеряемой ударной волны на устройство один из первичных преобразователей нагружается первым в зависимости от ориентации устройства относительно источника волны. При нагружении преобразователь генерирует электрический сигнал, который поступает в измерительную цепь и через усилитель запускает счетчики времени (частотомеры): Ч1, Ч2, Ч3, а также регистрирующий прибор (осциллограф), записывающий сигнал, пропорциональный нагружению его ударной волной. Ударная волна, проходя устройство, нагружает другие преобразователи, входящие в него, от которых также поступают сигналы в измерительную цепь, останавливающие счетчики времени. При этом каждый очередной сигнал, поступающий от первичного преобразователя, останавливает только один счетчик времени, а указатель очередности сигнала устанавливает соответствие между поступающими сигналами и первичными преобразователями. Таким образом определяются интервалы времени движения между первичными преобразователями, по которым находят время движения ударной волны от преобразователя, размещенного в вершине пирамиды, до трех других преобразователей в углах пирамиды. Далее по зависимостям (1) и (2) находят скорость движения волны и углы между катетами прямоугольных треугольников - боковых граней пирамиды и вектором, нормальным к ударной волне, по которым определяют направление на источник ударных волн. Если исследуемый источник ударных волн способен генерировать только одну ударную волну, то для определения давления в волне и скорости звука в среде ее распространения выполняется искусственно дополнительная генерация ударной волны от произвольного источника, произвольно расположенного относительно устройства измерения с нагружением преобразователей, отличающимся от нагружения при измерительной генерации. При дополнительной генерации ударной волны при одинаковых внешних условиях измеряется амплитуда сигнала, поступающего на экран регистрирующего прибора от того же первичного преобразователя, что и при регистрации измеряемой волны. Находится отношение π₁₂ амплитуд сигналов при измерительной и дополнительной генерации ударных волн, что позволяет по формулам (3) и (4) определить скорость звука в среде распространения ударных волн и максимальное избыточное давление в ударных волнах.

Предлагаемый способ реализован следующим образом.

Генерация ударных волн производится с использованием ударной трубы. Условно было принято, что одна из генераций является измерительной, а другая - дополнительной. Предлагаемое устройство измерения при указанных генерациях устанавливается на различном расстоянии (6 - 10 м) от среза ударной трубы - источника ударных волн, при различной ориентации относительно источника первичных преобразователей. Этим, в частности, достигается изменение интенсивности нагружения преобразователя, генерирующего сигнал, пропорциональный его нагружению. Первичные преобразователи размещаются относительно друг друга в углах пирамиды, боковые грани которой выполнены в виде прямоугольных треугольников с равными между собой катетами, длиной В = 0,2 м. При нагружении устройства ударной волной, от преобразователя, нагружаемого первым, в измерительную цепь поступает сигнал, где он усиливается и запускает регистрирующие приборы: частотомеры, типа Ч3-34А, указатель очередности нагружения первичных преобразователей и запоминающий осциллограф, типа С8-9А. С последнего снимается амплитуда сигнала при измерительной и дополнительной генерациях ударной волны. При нагружении других преобразователей ударной волной регистрируется время движения волны между первичными преобразователями. Указатель позволяет устанавливать соответствие между поступающими сигналами и первичными преобразователями. По полученным значениям времени t₁, t₂, t₃ и амплитуд A₁, A₂ находится отношение π₁₂ = A₁/A₂ и вычисляется скорость движения ударной волны по формуле (1); углы между катетами прямоугольных треугольников пирамиды и нормалью к ударной волне по формуле (2); скорость звука в среде распространения волны по формуле (3) и максимальное относительное избыточное давление в ударных волнах по формулам (4).

Так, в испытаниях было зарегистрировано при выполнении измерительной генерации ударной волны: очередность нагружения волной первичных преобразователей: A-1-2-3; t₁ = 239,439 • 10^-6 с; t₂ = 390,874 • 10^-6 с; t₃ = 718,047 • 10^-6 с; A₁ = 71,12 мм. При выполнении дополнительной генерации ударной волны зарегистрировано: очередность нагружения первичных преобразователей: А-1-2-3; t₁ = 284,086 • 10^-6 с; t₂ = 284,091 • 10^-6 с; t₃ = 401,758 • 10^-6 с; A₂ = 39,29 мм.

Используя полученные данные, найдем для измеряемой ударной волны: время движения волны от угла пирамиды 1 до вершины A t_1A = 239,439 • 10^-6 с (в формулы подставляется t_A1 = -t_1A); от вершины A до угла пирамиды 2: t_A2 = t₂ - t₁ = 151,435 • 10^-6 с; от вершины A до угла пирамиды 3: t_A3 = t₃ - t₁ = 478,608 • 10^-6 с.

Для дополнительной ударной волны: t_A1 = t₁ = 284,086 • 10^-6 с; t_A2 = t₂ = 284,091 • 10^-6 с; t_A3 = t₃ = 401,758 • 10^-6 с. Отношение амплитуд сигналов π₁₂ = A₁/A₂ = 1,8101. По формуле (1) найдем скорости ударных волн в районе измерения u₁ = 359,6 м/с; u₂ = 352,0 м/с. Для измеряемой ударной волны углы наклона нормального вектора к ребрам-катетам: A1, A2, A3 определим по формуле (2): 115,5^o; 74,2^o; 30,6^o и для дополнительной ударной волны: 60^o; 60^o; 45^o соответственно. Скорость звука в воздушной среде распространения ударных волн по формуле (3) составила 342,4 м/с. При значении барометрического давления p = 1,01325 • 10⁵ Па, максимальное относительное избыточное давление в измеряемой ударной волне Δp₁ = 121,76 кПа, а в дополнительной волне Δp₂ = 67,27 кПа.

Для оценки точности измерения направления на источник генерации волны проведены статистические испытания. После выполнения 20 генераций ударной волны среднеквадратическое отклонение составило 0,08^o.

Использование предлагаемого устройства и способа определения давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник позволяет существенно повысить точность измерения давлений в ударных волнах, за счет комплексного и одновременного определения не только давления, но и скорости движения ударных волн и скорости звука в среде их распространения. При этом способ и устройство позволяют определять с достаточной для практики точностью направление на источник, генерирующий ударные волны.

Источники информации:
1. Прикладная аэродинамика.: Учебное пособие для втузов./ Под ред. Н.Ф. Краснова. - М.: "Высшая школа", 1974.- 732 с., ил. (с. 55, 150-151).

2. Измерения в промышленности/ Под ред. П. Профоса: Пер. с нем. - М.: "Металлургия", 1980.- 648 с. (с.383).

3. Солоухин Р.И. Ударные волны и детонация в газах. - М.: Наука, 1963. -С. 55-66.

4. А.с. 972285, G 01 L 23/10. Способ измерения давления ударной волны и устройство для его осуществления / Опубл. 07.11.82. - Бюл. N 41.

5. А. с. 1211611 СССР, МКИ G 01 H 5/00. Способ определения скорости звука/ Опубл. 1986.- Бюл. N 6. - С. 188.

6. А. с. 1314235, МКИ G 01 H 5/00. Способ и устройство для измерения скорости звука / Опубл. 30.05.1987 - Бюл. N 20. A
7. А. с. 868365 СССР, МКИ G 01 H 5/00. Способ измерения скорости распространения акустических колебаний в средах / Опубл. - 1981. - Бюл. N 36. - С. 158.

Изобретение относится к исследованию характеристик звуковых ударных волн в сплошных средах и источников ударных волн. Устройство Селеткова содержит четыре первичных преобразователя, центры преобразователей размещены относительно друг друга в углах пирамиды, боковые грани которой выполнены в виде прямоугольных треугольников с равными между собой катетами. В способе Селеткова фиксируют периоды времени движения ударной волны от первичного преобразователя, нагружаемого волной первым, до трех других первичных преобразователей, определяют последовательность прохождения ударной волной углов пирамиды, вычисляют по зафиксированным периодам времени время движения волны от вершины пирамиды до других углов. Вычисляют среднее значение скорости движения ударных волн на отрезке расположения преобразователей, находят углы между вектором, перпендикулярным к плоскости ударной волны, и катетами прямоугольных треугольников. Находят отношение максимальной амплитуды электрического сигнала, поступающего от измерительного нагружения, к амплитуде сигнала дополнительного нагружения, определяют скорость звука в среде распространения ударных волн, максимальные значения избыточного давления в измеряемой и дополнительной ударных волнах по соответствующим зависимостям. Технический результат заключается в повышении достоверности и точности определения параметров ударных волн, характеристик среды их распространения и направления на источник, генерирующий ударные волны. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник включает четыре первичных преобразователя, центры которых размещены относительно друг друга в углах пирамиды, боковые грани которой выполнены в виде прямоугольных треугольников с равными между собой катетами. 2. Способ для определения давления и скорости движения ударных волн, скорости звука в среде их распространения и направления на звуковой источник, включающий установку в месте измерения четырех первичных преобразователей, генерирование последними при нагружении измеряемыми ударными волнами сигналов, преобразование этих сигналов в измерительной цепи, регистрацию максимальных значений сигналов, соответствующих максимальным нагружениям первичного преобразователя ударными волнами, генерирование при одинаковых внешних условиях дополнительной ударной волны с нагружением первичного преобразователя, отличающимся от максимального значения нагружения измеряемой ударной волной, и определение времени движения измеряемых ударных волн между преобразователями, при этом фиксируют периоды времени движения ударной волны от первичного преобразователя, нагружаемого ударной волной первым, до трех других первичных преобразователей, определяют последовательность прохождения ударной волной углов пирамиды, вычисляют по зафиксированным периодам времени время движения ударных волн от вершины до других углов, вычисляют среднее значение скорости движения ударных волн на отрезке расположения преобразователей по формуле

находят углы между вектором, перпендикулярным к плоскости ударной волны, и катетами прямоугольных треугольников - боковых граней пирамиды по зависимостям

причем при прохождении ударной волной сначала угла пирамиды, а затем вершины пирамиды в формуле подставляется знак минус, находят отношение максимальной амплитуды электрического сигнала, поступающего от нагружения измерительной ударной волной, к амплитуде электрического сигнала от нагружения дополнительной ударной волной, определяют скорость звука в среде распространения ударных волн по формуле

определяют максимальные значения избыточного давления в измеряемой и дополнительной ударных волнах по формулам


где Δp₁, Δp₂ - максимальное избыточное давление в измеряемой и дополнительной ударных волнах;
p - барометрическое давление;
k - коэффициент адиабаты среды распространения ударных волн;
u, a - средняя скорость движения ударной волны на контрольном отрезке ударной трубы и скорость звука в среде движения волны;
B - размер катетов прямоугольных треугольников - граней пирамиды;
t_A1, t_A2, t_A3 - периоды времени движения ударной волны от первичного преобразователя, расположенного в вершине пирамиды, до первичных преобразователей в других углах пирамиды;
π₁₂= A₁/A₂, где A₁, A₂ - амплитуды электрических сигналов при нагружении первичного преобразователя соответственно измерительной и дополнительной ударными волнами.