Устройство для решения задач теории поля Советский патент 1986 года по МПК G06G7/42 

I Изобретение относится к аналогово вычислительной технике и предназначе но для исследования физических полей в частности акустических шумов обте кания тел, методом электролитическо ванны. Цель изобретения - повышение точ ности И расширение класса решаемых задач за счет моделирования акустического квадруполя. . На чертеже изображено предлагаем устройство. Устройство содержит генератор 1 синусоидального сигнала, задающий электрод 2, электролитическую ванну 3, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7, пятый 8 и шестой 9 измерительные электроды, усилитель 10, дифференциальньй усилитель 11, первый 12 и второй 13 суммирующие усилители, первьй 14, второй 15, третий 16, четвертый 17, пятый 18, шестой 19, седьмой 20, восьмой 21, девятый 22 и десятый 23 блоки умножения, блок 24 формирования обратной функции, блок моделирования распространения акустического поля, выпол ненный в виде генератора 25 пилообразного напряжения, блок задания частоты акустического поля, выполнен ный в виде делителя 26 напряжения, первый 27, второй 28, третий 29, четвертый 30 и пятый 31 сумматоры, первый 32 и второй 33 блоки формиро вания функции косинуса, блок 34 фор мирования сдвига фазы, блок задания соотношения моментов продольной и поперечной составляющих квадруполя, выполненный в виде делителя 35 напряжения, блок 36 суммирования, пер вый 37 и второй 38 квадраторы и бло 39 регистрации. В известном устройстве удается моделировать акустическое поле давлений дипольного излучателя, расположенного в безграничной среде, описываемое формулой: (- fz} Г k ( -k.- )) k ,7 . )-cos(,2- +ut 4-iiyq, Y потенциал электрического поля точечного источника; Ч. разрядность потенциалов электрического поля точечного источника на единичной дос таточно малой базе dx в направлении оси х; акустический момент диполя; производительность (или объемная скорость) пульсирующего источника звука (монополя); расположенная вдоль оси X база акустического диполя; расстояние между измерительными электродами;волновое число, угловая частота пульсации источника; скорость звука в среде;удельное акустическое сопротивление моделируемой среды; удельная электрическая проводимость электролита ванны; время; ток точечного источника (питающего электрода); расстояние от источника поля до точки определения поля. ление акустического , расположенного в еде, описывается форQ .рол ляющая квадрупольного момента; продольная составляющая квадрупольного момента. (l), известное устечивает решения заия акустического поботает следующим об31Для доказательства работоспособности изобретения .преобразуем выраже ние (2) по формуле Эйлера для комплексных чисел и получим действительную часть давления акустического поля квадруполя; .-;;; -kr)- I cos(ot-kr)+Qxx (I - ,- cos(ut-kr)-b - (1- 4) + lGin(Qt-kr)l(3 r JJJ Напряженность электрического пол точечного источника в направлении оси X определяется соотношением Р - f - 1.- (4 их 41ГГ г производные от которой в направлени осей хну соответственно равны ЭЕ, j, r-jilL . (5 4«y IE, . -. Зху ЗУ 4- у г - VV соотношения (4)-(б) можно приближен выразить через разности потенциалов точек, отнесенные к достаточно малым расстояниям dx,, dx и dy между ними: .,,.Г(,.,,,, J.(,-c..)-(.,-.)dx,- dxj - --p-((|.-cf.M.-q.) 1 dx,.dy4 Тогда (З) перепишется для давления акустического поля квадруполя в аналоговой форме, введя обозначения про изведений величин, независящих от времени t, потенциала поля Cf, и pasностей потенциалов поля cf, -(, cf иср5-(б:.. д PQ (l-Q)A(if,-CFj-Ccp -t e) (-цГг- -1 с Г Р с т «:os(- +u)t- )- cos(«t- -)J + , (. )-(5-M4) cos( ((,, -(р)-(с,,-ч,,)1/Ц.р(- ---| ч} IT С 1 cos(- +Ut- -) , (10) де Q -AlLl-.. Как видно из сравнения выражений () и (Ю) электрический аналог акустического давления квадруполя Рд, моделируемый при помощи изобретения, с точностью до постоянного множителя отличается от электрического аналога акустического давления Р диполя, моделируемого известным устройством, наличем двух слагаемых, пропорциональных поперечной Q у и продольной Q,,j составляющих момента квадруполя,, вместо одной составляющей, пропорциональной моменту диполя, причем первое слагаемое является функцией не только потенциала электрического поля задающего электрода, но и его поперечного изменения продольной напряженности, а второе слагаемое является функцией потенциала, npo-f дольной напряженности и продольного изменения этой напряженности, что свидетельствует о невозможности моделирования поля акустического квадруполя в электрической ванне известным устройством и является его недостатком. Для устранения известного недостатка в изобретении введены следующие блоки, соединенные надлежащим образом. На вход блока 24 формирования обратной функции С/(f, через усилитель ; 10 подан сигнал от первого измерительного электрода 4, Выход блока задания частоты (и акустического поля, выполненный в виде делителя 26 напряжения, подключен к входу г;енератора 25 пилообразного напряжения, вырабатывающего сигнал Qt, пропорциональный времени t, который подан на первый вход первого сумматора 27 сигналов cot и C/Cf, . Выход первого сумматора 27 через первый блок 32 фЬрмирования функции косинуса cos({irtС X - -, подключен к первому входу перЧг( вого блока 14 умножения сигналов cos(ut- ) и ,-cpj)-(cf,-q) . Выход усилителя 10 сигнала через блок 24 формирования обратной функции С/Ч, соединен с вторым входом первого сумматора 27. Второй измерительньй электрод 5, размещенный в электролитической ванне 3, соединен с первым входом дифференциального усилителя 1 1 сигналов Cf, и cf . Выход первого сумматора 27 через блок 34 формирования сдвига фазы сигнала

л..с

(-.-Г +Ut-,- -Г-) подключен на вход вто 41

рого блока 33 формирования функции косинуса cos(-2- +Wt- ). Выход второ сумматора 28 сигналов ,-i)() cos(wt- ) и Е (q.,-cf)(,)F(-%,-f cos(f .- -I-) Соединен с вторым входом второго бло ка умножения на сигнал C/tf, . Выход первого блока 14 умножения подключен к второму входу второго сумматора 28. Первый измерительный электрод 4 соединен с вторым входом первого диф ференциального усилителя 11, Третий измерительный электрод 6, погруженный в электролитическую, ванну 3, сое динен с первым вычитающим входом пер вого суммирующего усилителя 12 сигна лов и ty , выход которого подключен к первому входу третьего блока 16 умножения сигналов (cij-yz)-{q;,-Lp)3 и if, , выход которого подключен к первому входу третьего сумматора 29 сигналов Е(С, - ql)-((OCP (У f t, и F(------) . Выход третьего сумматора 29 подключен к первому входу пятого блока 18 умножения сигналовE(4,-c,)-(cp,-C|,)c;,F(-%-- f и cos(-- +tjt- -,.--), выход которого под 2. Ч ;ключен к первому вхфду второго сумматора 28. Четвертый измерительный электрод 7, погруженный в электролитическую ванну 3, соединен с первым суммирующим входом первого суммирующего усилителя 12. Пятый измерительный электрод 8, погруженньй в электролитическую ванну 3, соединен с пер вым вычитающим входом второго суммирующего усилителя 13 сигналов tj и (f , выход которого подключен к перво му входу восьмого блока 21 умножения сигналов (q),-аг)-(д5-{рб) и (-|- -1 )cos(| +(Л- 5--)- -- cos(a)tс Л - выход КОТОРОГО подключен к выход которого подключен к первому входу девятого блока 22 умно жения сигналов (tp, - q)-(u5-q)j X Г, В . , / f С . С -1 )COS(Y +wt,- -Q-)- If )4:os(tJt- ) и (l-Q,x). Выход

2658116

вятого блока 22умножения подключен

к первому входупятого сумматора 31 сигналов (I-Q, ) (cf,-CfJ-Cqi -Ufe) (Г -D Л i. С , С / . С ч cos (-2 +Wt- -(у)- cos(u)t- --); Qxt §;-р(1,-qi,)-(Q,-c) cos(wt--J -) + + Е(Ч, -,}-(-,}, +E( S С л к cos(-- +ut- , выход которого соединен с входом блока 39 регистрации. Шестой измерительный электрод 9, погруженный в электролитическую ванну 3, соединен с первым суммирующим входом второго суммирующего усилителя 13, выход дифференциального усилителя 11 соедицен с первым входом четвертого блока 17 умножения сигналов (ср,-) и С/д, , выход которого через первый квадратор 37 соединен с вторым входом третьего сумматора 29. Выход усилителя ю подключен к второму входу третьего блока 16 умножения. Выход блока 24 формирования обратной функции одновременно соединен с вторым входом четвертого блока 17 умножения, с первым входом второго блока 15 умножения, с первым входом шестого блока 19 умножения сигналов C/Cf, и COS (cot- jj-) и соединен последовательно через второй квадратор 38 сигнала B/q и через блок 36 суммирования с первым входом седьмого блока 20 умножения сигналов ( -1) и Д С , 1 cos (.у +Ut- (T-j , выход которого подключен к первому входу четвертого сумматора 30 сигналов (-f -1)х ir р С С к СОБ(-„- +ut- -) и - -- cos(ot- --). tpi Я- 41 Выход четвертого сумматора 30 подключен к второму входу восьмого блока 21 умножения сигналов Г(--,-)« cos(- +(ot- J--)- |- cos(ut- -) и (Ч,-(fJ-rCqi.-q ) . Выход - -о первого «„ от , °-1 блока 32 формирования функции косинуса подключен к второму входу шестого блока 19 умножения. Выход второго блока 33 формирования функции косинуса одновременно соединен с вторыми входами пятого и седьмого блоков 18 и 20 умножения сигналов E(,(,,-tf,). / Ь , ч . (-,-r-l) и cos(-2- + 03t- --} cos(-- +ut- ---) соответственно. Пер 41 ВЫЙ выход блока задания соотношения моментов Ьродольной и поперечной со тавляющих акустического квадруполя, выполненного в виде делителя 35 напряжения, соединен с вторым входом девятого блока 22 умножения, а второй его выход соединен с первым входом десятого блока 23 умножения сигналов Q,, и ((;,-0,)-(м,-(р,) cos(cOt- -J-) + ((,- i;J-(4,-q,j(f, Л с X cosi-;,- +tJt- -.„-) , выход которого подключен к второму входу пятого сумматора 31. Выход вт рого блока 15 умножения сигналов С/ ft Б(Ч|,-4).i)-(q),-q)) cos(cjt- q,--) + (c|.-Cf,)-(q,,-cj,)t;, +F( --Ч X COs(x- +Ut подключен к второму входу десятого блока 23 умножения. Выход шестого блока 19 умножения подключен к второму входу четвертого сумматора 30. Введение третьего 6 и четвертого 7 измерительных электродов, расположен ных на расстоянии (1х„ от первого 4 и второго 5 измерительных электродов соответственно на одной с ними прямо в направлении оси х и соединение их с входами первого 12 и второго 13 суммирующих усилителей, выходы которых подключены соответственно к входам блока 14 и 21 умножения, позволя ют смоделировать питающим электродом 2 сигнал пропорциональный потенциалу электрического поля продольного квадруполя,описываемому управлением Лапласса. А введение пятого 8 и шестого 9 измерительных электродов, располо-, женньпс на расстоянии dy от первого 4 и второго 5 измерительных электродов соответственно в направлении оси у, нормальной оси х, и соединение их с входами первого и второго суммирующих усилителей 12 и 13, поз воляют смоделировать питающим электЧ II8 иодом 2 сигнал, пропорциональный потенциалу электрического поля поперечного квадруполя, описываемому уравнением Лапласса. Наличие генератора 25 пилообразных напряжений, т.е. генератора развертки по оси времени, напряжение которого изменяется во времени равномерно с различным коэффициентом наклона, обеспечивает с одной стороны моделирование акустического поля различной частоты колебания квадруполя, а с другой стороны позволяет легко изменять масштаб времени t, что, в свою очередь, обеспечивает удобство согласования работы блока 39 регистрации со скоростью передвижения измерительных электродов 4-9, когда вектор dx продольного смещения квадруполя остается коллинеарным оси х и вектор dy поперечного смещения квадруполя остается нормальным оси х, а устройство в целом позволяет моделировать акустическое поле квадруполя различной ориентации его смещений как в реальном времени, так и в масштабированнюм времени. Выход генератора 1 подключен к входу задающего электрода 2. подключенного своей поверхностью Допущен в электролит) к электролиту ванны 3. К этому же электролиту,но в других точках, подключены своей поверхностью (опущены в электролит) первый измерительный электрод 4 и смещенные относительно него второй 5 третий 6, четвертый 7, пятый 8 и шестой 9 измерительные электроды. Устройство содержит три группы блоков. Первая группа блоков II, 10, 24,26,25,27 ,32,34,33 подготавли вает игналы для второй группы блоков 12,16,17,37,29,14,28,18,15, которая ырабатывает сигнал, пропорциональый продольной составляющей акустиеского квадруполя, и для третьей группы, блоков 13, 38,36,19,20,30,21,. оторая вырабатывает сигнал, проорциональный поперечной составляюей акустического квадруполя. Блок 5 задания соотношения моментов проольного и поперечного составляющих вадруполя вырабатывает два сигнала/ а которые умножают в блоках 23 и 24 езультаты моделирования акустичесого давления продольной и поперечой составляющих квадруполя. Сигналы выходов блоков 23 и 24 суммируютя блоком 31. Таким образом, на выходе пятого блока 31 суммирования образуется сигнал, пропорциональный давлению акустического поля квадруполя с различной ориентациеГг смещений его составляющих монополей и диполей в безграничной среде с учетом особенностей пространственных и частотновременных характеристик, описываемых уравнением Гельмгольца. Использование изобретения позволит легко моделировать акустическое поле квадруполя аналоговым методом, в то время как непосредственное создание акустического поля квадруполя наталкивается на трудно преодолимые преграды, основные из которых связаны с конструкцией акустического квадруполя , с плохоустранимым отражением акустического поля от границ бассейна , а также в связи с наличием резко го затухания поля с расстоянием. Формула изобретения Устройство для решения задач теории поля, содержащее блок регистрации, блок моделирования среды, выпол ненный в виде электролитической ванны, генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен к задаю щему электроду, погруженному в элект ролитическую ванну, в которой расположен первый измерительный электрод, который соединен с входом усилителя , блок моделирования распространения акустического поля, выполнен ный в виде генератора пилообразного напряжения, блок формирования обратной функции, первый сумматор, первый блок формирования функции косинуса, первый блок умножения, блок задания частоты акустического поля, выполнен ный в виде делителя напряжения, выхо которого подключен к входу задания наклона пилы генератора пилообразно го напряжения, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого через первый блок формирования функции косинуса подклю чен к первому входу первого блока ум ножения, выход усилителя через блок формирования обратной функции соединен с вторым входом первого сумматора, дифференциальный усилитель, второй сумматор, второй блок умножения блок формирования сдвига фазы, второй блок формирования функции косину са, второй измерительный электрод, размещенный п электролитической ван1110не и соединенн1,1Й с первым входом дифференциалыюго усилителя, выход первого сумматора через блок формирования сдвига фазы соединен с входом второго блока формирования функции косинуса, выход второго сумматора соединен с первым входом второго блока умножения, выход первого блока умножения подключен к первому входу второго сумматора, первьй измерительный электрод соединен с вторым входом дифференциального усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены третий, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй суммирующие усилители, третий, четвертьй, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый блоки умножения, первый и второй квадраторы, блок суммирования, блок задания соотношения моментов продольной и поперечной составляющих квадруполя, выполненный в виде делителя напряжения, третий, четвертый, пятый и шестой измерительные электроды, размещенные внутри электролитической ванны, третий и четвертый измерительные электроды соединены соответственно с первым вычитающим входом и с первым суммирующим входом первого суммирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего блока умножения , выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, пятый и шестой измерительные электроды соединены соответственно с первым вычитающим входом и первым суммирующим входом второгосуммирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом восьмого блока умножения, выход которого подключен к первому входу девятого блока умножения, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, выход которого подключен к входу блока регистрации, первый измерительный электрод соединен с вторыми суммирующими входами первого и второго суммирующих усилителей, вторые вычитающие входы которых подключены к второму измерительному электроду, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход которого II через первый квадратор подключен к второму входу третьего сумматора, ,выход усилителя соединен с вторым входом третьего блока .умножения, выход блока формирования обратной функ ции непосредственно подключен к второму входу четвертого блока умножения, к второму входу второго блока умножения и к первому входу шестого блока умножения и через второй квадратор соединен с первым входом блока cyммиpoвaн fЯ, второй вход которого является вхбдом задания постоянного напряжения смещения устройства, выхо блока суммирования подключен к перво му входу седьмого блока умножения, выход которого соединен с первым вхо |ДОм четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу шестого 11 блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого блока формирования функцией косинуса, выход четвертого сумматора подключен к второму входу восьмого блока умножения, выход второго блока формирования функции косинуса соединен с вторыми входами пятого и седьмого блоков умножения первый и второй выводы делителя напряжения блока задания соотношений продольной и поперечной составляющих квадруполя соединены соответственно с вторым входом девятого блока умножения и с первым входом десятого блока умножения, выход второго блока умножения подключен к второму входу десятого блока умножения, выход которого соединен с вторым входом пятого сумматора.

Изобретение относится к области аналоговой вычислительной техники, а именно к электрическому моделирсмзлишо акустического поля квадрупольного источника, описываемого уравяе и1ем Гельмгольца-, и предназначено для исследования физических полей методом электролитической ванны. Hejn изобретения - повьпиение точности и расширение класса решаемых задач. Устройство содержит блок преобразования поте1п;иала, осевой составляющей напряженности и скорости изменения ее во взаимно ортогональных направлениях Ш1Я электрического поля точечного источника в виде генератора пилообразного {{апряжепия, пять суммато ров, десять блоков умножения, шесть измерительных электродов, усилитель, два суммирующих усилителя, блок.суммирования, блок формирования обратной функции, два делителя напряжения, два блока формирования функции косинуса, блок сдвига фазы, два квадратора. Новым в устройстве является то, что одна группа блоков подготавливает сигналы для другой группы блоков, которая вырабатывает сигнал, пропорциональный продольной составляющей (Л акустического квадруполя, и для третьей группы блоков, которая вырабатывает сигнал, пропорциональный поперечной составляющей акустического квадруполя, а на выходе устройства образуется сигнал, пропорциональный давлению акустического поля квадрупоIs5 ля с различной ориентацией смеп1ений 05 его составляющих монополей и дипосл лей. I ил. 00