ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к области метрологии и измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для определения скорости звука в жидких средах.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука, заключающийся в формировании базы измерения с помощью двух расположенный напротив друг друга пьезопреобразователей - передающего и принимающего звуковые импульсы [Авторское свидетельство СССР, СССР, №1483285, кл. GOIH 5/00, 1987] [1].

Известно устройство для реализации способа, содержащее передающий пьезопреобразователь, приемный пьезопреобразователь, генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов, подключенные соответственно к передающему и приемному пьезопреобразователю [1].

Недостатком известных способа и устройства является низкая точность задания базы измерения, а значит, и низкая точность определения скорости звука в среде.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,_Р один от другого, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прихода которых судят о скорости звука в жидкой среде [И.Л. Кузнецов. A.M. Молоков, Ф.П. Шнитман. Анализ точности времяпролетного преобразователя скорости звука в воде. Сб. Научн. трудов ВНИИФТРИ. Гидрофизические измерения. М., 1985. С.33-39] [2].

Известно устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед (далее - параллелепипед) длиной L_t,_Р с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним торцом на основании, рабочий измерительный объем, электрически последовательно соединенные генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь (далее - пьезопреобразователь), установленный напротив свободного торца стержня и основания, и измеритель временных интервалов, поключенный к пьезопреобразователю [2].

Данные способ и устройство приняты за прототипы. Недостатком прототипов являются недостаточно высокая точность определения скорости звука в жидкой среде, связанная с погрешностями из-за дифракционных (краевых) эффектов разделения звукового луча по сечению на два, изменений температуры и давления среды, а также отсутствием элементов юстировки, от которых зависит параллельность базы измерения и направления перемещения звуковых импульсов.

Первый вид погрешности связан с тем, что в прототипе один преобразователь одной половиной расположен над параллелепипедом, задающим базу измерения, а второй половиной - над звукоотражающим основанием рабочего измерительного объема, что неизбежно вызывает дифракционные эффекты на краю параллелепипеда. Второй вид погрешности связан с отсутствием средств юстировки звукоотражающего основания относительно направления оси диаграммы направленности излучения пьезопреобразователя, что приводит к неточному формированию длины базы измерения.

Кроме того, в прототипе пьезопреобразователь непосредственно контактирует с жидкой средой, которая может находиться под высоким давлением и при высокой температуре. Это неизбежно влияет на характеристики пьезопреобразователя и точность измерения времени распространения звуковых импульсов, а значит, и точность определения скорости звука.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является устранение указанных недостатков, то есть повышение точности определения скорости звука.

Данный технический результат достигается тем, что в известном времяпролетном способе определения скорости звука в жидкой среде, заключающемся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых сигналов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,_Р один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерения L_t,_Р судят о скорости звука в жидкой среде, используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₂ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₃ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₄ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₅ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ₆ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ₇ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ₈ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения:

$$C=\frac{2L_{t,P}\pm \Delta L_{tP}}{\left[\frac{\left({\tau }_2-{\tau }_1\right)+\left({\tau }_4-{\tau }_3\right)}{2}\right]-\left[\frac{\left({\tau }_6-{\tau }_5\right)+\left({\tau }_8-{\tau }_7\right)}{2}\right]},\text{ (1)}$$

где ±ΔL_t,P - поправка на допускаемую недоюстировку.

В части устройства технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, параллелепипед длиной L_t,P с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, рабочий измерительный объем, генератор электрических импульсов и пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца стержня и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, дополнительно введены плоскопараллельная пластина, установленная в верхней части устройства, три дополнительных пьезопреобразователя, электрически подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличье колесо, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведены основные элементы устройства, на фиг.2 - расположение пьезопреобразователей относительно плоскопараллельной пластины, на фиг.3 - диаграмма, поясняющая принцип реализации способа, на фиг.4 - временная диаграмма, поясняющая существо способа.

Устройство содержит параллелепипед 1 с плоскопараллельными полированными звукоотражающими торцами 2, 3, задающими базу измерения L_t,P. Параллелепипед 1 закреплен одним из торцов, например торцом 3, на звукоотражающем основании 4 рабочего измерительного объема 5 с жидкой средой.

Связующим звеном основания и верхних частей устройства является беличье колесо 6 и элементы юстировки (являющиеся элементами ноу-хау в части устройства заявителя) параллелепипеда 1 относительно направления распространения звуковых сигналов. Через отверстия беличьего колеса 6 жидкая среда проникает в зону измерения скорости звука. Объем 5 закрыт крышкой в виде плоскопараллельной пластины 7, установленной на беличьем колесе 6 параллельно звукоотражающему основанию 4. На плоскопараллельной пластине 7 снаружи установлено четыре пьезопреобразователя 8, …, 11 (фиг.1, 2). Пьезопреобразователи 8, 9 и 10, 11 расположены на периферии пластины 7 диаметрально противоположно, как показано на фиг.2.

При этом звукоотражающие поверхности торца 2 параллелепипеда 1 и основание 4 рабочего объема 5 выполнены из одного материала, например, нержавеющей стали.

Устройство также включает в себя генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов (на чертеже не показаны), подключенные к преобразователям 8, …, 11.

В основе любого времяпролетного способа определения скорости звука, в том числе в аналоге, прототипе и заявленном способе, лежит необходимость точного измерения величины базы измерения _Lt,P и времени τ ее прохождения звуковыми импульсами. Использование в качестве базы измерения параллелепипеда 1 со звукоотражающими торцами 2, 3 позволяет при заданных температуре t и давлении P с большой точностью задать величину базы измерения при использовании современных образцовых средств измерения длины. Основные виды погрешностей в измерении величины базы измерения в этом случае будут проявляться из-за влияния температуры t и давления P, а также из-за недоюстировки устройства (не совпадения направлений вертикальных граней параллелепипеда 1 и направления движения звуковых импульсов). Способ определения последнего вида погрешности в величине (±ΔL_t,P) является ноу-хау заявителя в части способа.

Значения поправок на длину базы измерения при изменениях температуры t и давления P рассчитываются по известным зависимостям [А.А. Александров, Д.К. Ларкин. Экспериментальное определение скорости ультразвука в воде в широком диапазоне температур и давления. Теплоэнергетика, 1976, №2, 75-78]. Погрешность из-за разъюстировки устройства легко устраняется в предложенном техническом решении введением плоскопараллельной пластины 7 и пьезопреобразователей 8, …, 11.

С другой стороны, расположение пьезопреобразователей 8, …, 11 по внешней стороне пластины 6 по отношению к исследуемой среде позволяет исключить влияние среды на характеристики пьезопреобразователей, а значит, на измерение длины базы и времени распространения звука.

Однако введение данных признаков приводит к появлению на пути распространения звуковых импульсов четырех (а не двух, как в прототипе) звукоотражателей “а”, “б”, “в”, “г” (фиг.1) и, как следствие этого, к появлению двух отраженных от этих звукоотражателей звуковых импульсов на входе каждого пьезопреобразователя. В связи с этим определение времени τ прохождения звуковыми импульсами базы измерения L_t,P носит более сложный характер, чем в прототипе, в котором время τ равно разности времен прихода звуковых импульсов, отраженных от границ базы измерения.

На фиг.1 условно стрелками показаны звуковые импульсы τ₁, τ₂, τ₃, τ₄, последовательно поступившие на вход пьезопреобразователей 8, 9 после отражений от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, а также звуковые импульсы τ₅, τ₆, τ₇, τ₈, последовательно отразившиеся от звукоотражателей “б”, “в”, “б” и пришедшие на вход пьезопреобразователей 10, 11.

На фиг.3, 4 для ясности данные отражения показаны во временной последовательности.

Импульс τ₁ условно характеризует интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 8).

Импульс τ₂ - интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения последовательно от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, как следует из второй диаграммы на фиг.2 (пьезопреобразователь 8).

Импульс τ₃ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 9).

Импульс τ₄ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента их приема, когда они последовательно отражаются от звукоотражателей “а”, “в”, “а” (пьезопреобразователь 9).

Импульс τ₅ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 10).

Импульс τ₆ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 10).

Импульс τ₇ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 11).

Импульс τ₈ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 11).

Нетрудно заметить, что для пьезопреобразователей 8, 9 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “а” (фиг.1-4), будет равно

$$\frac{\left({\tau }_2-{\tau }_1\right)+\left(\tau {}_4-{\tau }_3\right)}{2}\text{ (2)}$$

Аналогично для преобразователей 10, 11 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “б” (фиг.1-4), будет равно

$$\frac{\left({\tau }_6-{\tau }_5\right)+\left(\tau {}_8-{\tau }_7\right)}{2}\text{ (3)}$$

Время прохода звуковым импульсом базового расстояния L_t,P в таком случае будет равно разности величин (2) и (3). Поделив на полученное время величину базы измерения, получим уравнение (1) для определения скорости звука предложенным способом.

Способ реализуется следующим образом.

Сначала с помощью пьезопреобразователей 8, …, 11 (фиг.2) и элементов юстировки осуществляют юстировку основания 4 относительно пластины 7 по равенству времен прохождения импульсом слоя жидкости в измерительном объеме. Разность между временами на практике не должна превышать 10 нc.

Последовательно или одновременно от пьезопреобразователей (8, 9) и (10, 11) к звукоотражателям “а” и “б”, соответственно, направляют звуковые импульсы с помощью генератора электрических импульсов и измеряют времена τ₁, …,τ₈ и при известности базы измерения L_t,P по формуле (1) и при использовании ноу-хау в части способа определяют скорость звука в жидкой среде.

В данном способе отсутствуют погрешности, связанные с наличием дифракционных эффектов, поскольку звуковые импульсы не попадают на края параллелепипеда 1 в отличие от прототипа.

На результаты измерений не влияют изменения физических характеристик среды, поскольку пьезопреобразователи 7 и 8 не контактируют с ней.

С помощью элементов юстировки (ноу-хау в части устройства) и при использовании поправки (ноу-хау в части способа) с помощью заявленного устройства определяется скорость звука в жидкой среде с высокой точностью (0,01…0,05) м/с в диапазоне скоростей звука в жидкой среде (800…2000) м/с.

Этим достигается поставленный в заявке технический результат.

Изобретения относятся к области гидроакустической метрологии. Процедура измерения скорости звука времяпролетным способом предполагает задание базы измерения с помощью специальной меры длины, выполненной в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя полированными звукоотражающими поверхностями. Прямоугольный параллелепипед закрепляют вертикально на юстируемом основании рабочего измерительного объема, ограниченного крышкой в виде плоскопараллельной пластины. Напротив звукоотражающего торца прямоугольного параллелепипеда и звукоотражающего основания устанавливают приемно-передающие пьезопреобразователи, подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов. Пьезопреобразователи закрепляют на наружной поверхности плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы располагают на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом. Процедура измерения предполагает многократное переотражение звуковых импульсов. Оценка скорости звука производится по интервалам времени от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых формирователем, до момента приема звуковых импульсов с учетом поправки на допускаемую недоюстировку. Технический результат - повышение точности измерения скорости звука. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,P один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений L_t,P судят о скорости звука в жидкой среде, отличающийся тем, что используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₂ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₃ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₄ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₅ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ₆ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ₇ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ₈ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения:
$$C=\frac{2L_{t,P}\pm \Delta L_{tP}}{\left[\frac{\left({\tau }_2-{\tau }_1\right)+\left({\tau }_4-{\tau }_3\right)}{2}\right]-\left[\frac{\left({\tau }_6-{\tau }_5\right)+\left({\tau }_8-{\tau }_7\right)}{2}\right]}$$ ,
где ±ΔL_t,P - поправка на допускаемую недоюстировку.

2. Устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, выполненное звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед длиной L_t,p с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, измерительный объем, генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца прямоугольного параллелепипеда и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, отличающееся тем, что оно снабжено плоскопараллельной пластиной, установленной в верхней части устройства, тремя дополнительными приемно-передающими пьезопреобразователями, электрически подключенными к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличьим колесом, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом.