Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01H5/00 

ластях. Целью изобретения является повышение точности измерения величины и направления скорости движения среды и скорости распространения звука в среде за счет введения регулируемого эталонного канала в функции изменяющихся параметров. В устройстве помимо трех расположенных взаимно- перпендикулярно измерительных каналов 1, 2, 3 используется четвертый эталонный канал 4, аналогичный первым трем, который находится в тех же условиях, что и измерительные, но зищищен от воздействия ветра. Длины акустических баз всех каналов уста- навливаются одинаковыми. Через воздушную среду пропускают в одном направлении ультразвуковые колебания, про

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и средствам определения скорости распространения звука в среде и скорости движения среды, и может быть использовано в системах навигации, метрологии и других областях.

Цель изобретения - повьш ение точности измерения величины и направления скорости движения среды и скорости распространения звука в среде за счет введения регулируемого эталонного канала в функции изменяющих- ся параметров,

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство для определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, содержит четьфе акустических канала 1-4, три из которых 1, 2 и 3 распо- ложены во взаимно перпендикулярньпс -направлениях, а четвертый канал 4 - в произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, включаюЕще в себя последовательно электроакустически соединенны излучающий 5-8 и приемный 9-12 преобразователи, полосовой усилитель 13-16, амплитудный детектбр 17-20,

модулированные по амплитуде звуковой частотой. Частота модуляции изменяется таким образом, что разность фаз колебаний этой частоты на излучателе 8 и приемнике 12 эталонного канала поддерживается равной . Если в процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность, давление, газовый состав) изменяются то в эталонном канале 4 формируется сигнал рассогласования, управляющий частотой задаклцего генератора 33. При этом эталонный канал 4 позволяет определить скорость звука в воздухе, а измерительные каналы - составляющие скорости ветра в трех взаимно перпендикулярных направлениях. 2. си 1 з . п, ф-лы, 1 ил.

5

л

0

5

амплитудный дискриминатор 21-24 и формирователь 25-28, первь й 29 и второй 30 блоки вычислений, первый 31 и второй 32 индикаторы, подключенные соответственно к выходам первого 29 и второго 30 блоков вычислений, генератор 33 зондирующих импульсов, состоящий из последовательно соединенных вЕ 1сокочастотного опорного генератора 34, первого 35 и второго 36 делителей частоты, первого полосового фильтра 37 и модулятора 38, выход которого подключен к излучающим преобразователям 5-8, второго полосового фильтра 39, входом подключенного к выходу первого делителя 35 частоты, а выходом - к второму входу модулятора 38, подключенные в каждом из трех взаимно перпендикулярных каналов 1„ 2, 3 последовательно соединенные временной селектор 40, 41, 42, первый выход которого подключен к выходу формирователя 25, 26, 27 акустического канала 1, 2, 3, а второй вход подключен к выходу формирователя 28 четвертого акустического канала 4, схему И 43, 44, 45, вторым входом подключенную к выходу высокочастотного опорного генератора 34, счетчик 46, 47, 48, третий блок 49 вычислений, входами Подключенный

к выходам первого блока 29 вычислени и счетчиков А6, А7, 48,а выходами - к входам второго блока 30 вычислений четвертый блок 50 вычислений, входами подключенный к выходам третьего блока 49 вычислений, и временных селекторов 40, 41, 42, третий индикатор 51, входом подключенный к выходу четвертого блока 50 вычислений, частотомер 52, входом подключенный к выходу второго делителя 36 частоты, а выходом - к входу первого блока 29 вычислений, и блок 53 автоматического регулирования частоты, выполненный в виде последовательно соеди- венных пятого формирователя 54, вхо- . дом подключенного к выходу второго делителя 36 частоты, триггера 55, вторым входом подключенного к выходу формирователя 28 четвертого акусти- ческого канала 4, четвертой схемы И 56, вторым входом подключенной к выходу высокочастотного опорного генератора 34, четвертого счетчика 54, схемы 58 сравнения и интегратора 59, выходом подключенного к входу высокочастотного опорного генератора 34, и запоминающего блока 60, выходом подключенного к второму входу схемы 58 сравнения.

Сущность способа состоит в том, что помимо трех расположенных взаимно перпендикулярно в открытом воздухе измерительных каналов дополнительно используется .четвертый, ана- логичный первым трем, эталонный канал, который находится в таких же условиях, как и измерительные, но защищен от воздействия ветра. Измеряются разности фаз между низкочас- тотными огибающими принятых сигналов в эталонном и в каждом из измерительных каналов. При этом длины акустических баз всех четырех каналов устанавливаются одинаковыми. В этом

случае измеряемые разности фаз прямо пропорциональны соответствующим составляющим вектора скорости ветра. Для обеспечения помехозащищенности от естественных шумов в звуковом диапазоне частот через воздушную среду пропускаются в одном направлении ультразвуковые колебания, про- модулированные по амплитуде звуковой частотой. Частота амплитудной моду- ляции изменяется таким образом, что разность фаз колебаний этой частоты на излучателе и приемнике эталонного канала поддерживается равной п.

Способ осуществляется следующим образом. Формируются высокочастотные колебания, частота которых выбирается из условия

2

N S,

(1)

где J - длина волны высокочастотных колебаний

S - акустическая 6asaj

N - целое число.

Например, при S 0,5 м, V 344 м/с (скорость звука в воздухе при t +20, С) и N 10000, используя соотношение

.f.

(2)

где f - частота ультразвуковых колебаний i

С - скорость ультразвука , Д - длина ультразвуковой волны, получаем f 3,4-10 Гц. Сигнал (иьшульсный) этой частоты использует ся в качестве опорного и определяет цену младшего дискретного разряда при измерении разности фаз низкочастотных колебаний измерительных и эталонного принимаемых сигналов,, Это же сигнал частоты f преобразуется в гармонические электрические колебани частоты fp /10 и , поступаю- шJie на модулятор, с выхода которого амплитудно-модулированный сигнал с несущей ультразвуковой частотой и звуковой частотой амплитудной модуляции с помощью электроакустических преобразователей излучается в воздушную среду. При этом разность фаз излученных и принятых колебаний в эта- лонном канале равна А . Если Б процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность давление, газовый состав) изменяются, то условие йФз /i нарушается. В этом случае в эталонном канале формируется сигнал рассогласования, который используется для управления частотой задающего генератора. В результате автоподстройки частоты разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном канапе все время остается равной .

Taки образом, эталонный канал позволяет определить скорость звука в воздухе, а измерительные каналы вместе с эталонным - составляющие скорости ветра в трех взаимно перпендикулярных направлениях, которые пропорциональны измеряемой разности фаз между сигналами, принятыми в каждом из измерительных и эталонном каналах.

Вычисления величины и направления скорости движения среды проводятся по следующим формулам:

ЧК2+К2)2 4К2 4К2 4К ;

23 „

+

(4)

оС arctg

Vs. V,

(8)

arctg

Sv/ + v|

(9)

где

С - скорость звука в воздухе, f - звуковая частота модуляции,S - длина акустической базы; V V ,V - составляющие скорости движения среды в трех взаимно перпендикулярных направлениях;

у.

х (

к,-Т-дЧ-з

К2 + т

ч

кь

дЧ, iVg, 4 Ч д - разность фаз между

сигналами на приемниках в канале с неподвижной воздушной средой и в соответствующем измерительном канале, V - скорость ветра, ot - угол, образованный проек1Д1ей вектора скорости йетра на

о

горизонтальную плоскость с выбранным базовым направлением; - угол,образованный вектором

скорости ветра с вертикальным направлением.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 34 работает на

условия

задающего генератора 34 высокочастотные электрические импульсы поступают на вход первого делителя 35 частоты, на выходе

10 частоте f , определяемой из (2). С выхода

15 рого получаем сигнал fg/IO, т

котое.

несущую ультразвуковую частоту, подлежащую излучению, которая с помощью второго полосового фильтра 39 преобразуется в синусоидальный сигнал и поступает на модулятор 38. Здесь она модулируется низкой, звуковой частотой синусоидальной формы, которую мы получаем с помощью второго делителя 36 частоты, на

30

выходе которого имеем сигнал и первого полосового фильтра 37. Длина волны сигнала звуковой частоты составляет 2S. Устройство и принцип работы каждого из каналов 1, 2, 3 аналогичны. Рассмотрим работу одного из каналов 1, 2, 3. Амплитудно-модулированный сигнал с выхода модулятора 38 поступает на излучающий преобразователь 5р где происходит преобразование электрических сигналов в звуковые. На приемном преобразователе 9 происходит преобразование принятых акустических сигналов в электрические. Принятые колебания с помощью полосового усилителя 13 усиливаются, детектор 17 вьщеляет низкочастотную огибающую ультразвуковых колебаний, которая амплитудным .дискриминатором 21 преобразуется в прямоугольные импульсы j5 той же частоты, а формирователь 25 по переднему фронту этого импульса формирует короткий импульс.

35

40

Аналогичные преобразования претер- 50 певает сигнал в эталонном канале 4,

который изолирован от воздействия ветра. Звуковая частота выбирается таким образом, что половина длины ее волны точно укладывается на длине 55 акустической базы. В результате разность фаз сигналов на излучаемом преобразователе 8 и приемном преобразователе 12 в эталонном канале 4 постоянна и равна /Г .

В результате того, что в измерительном канале 1 звуковые колебания распространяются в движущейся среде а в эталонном канале 4 - в неподвижной, короткие импульсы с выхода формирователей 25 и 28 будут приходить не одновременно. Если скорость ультразвука и скорость движения ветра в канале 1 по направлению совпадают, то сигнал с выхода формирователя 25 появится раньше, чем сигнал с выхода формирователя 28, и временной селектор 40, на входы которого подаются оба эти сигнала, формирует импульс, длительность которого равна временной разности поступления этих сигналов. Сигнал с выхода временного селектора 40 поступает на схему И 43 открывает ее, и на вход счетчика 46 поступают счетные импульсы с выхода генератора 34. В результате в счетчике 46 оказывается записанным с высокой точностью цифровой эквивалент разности фаз сигналов измерительного канала -1 и эталонного канала 4, код которого поступает на второй блок 49 вычислений. Кроме того, на втором выходе (.плюсовом временного селектора 40 появится сигнал, инфЬрмирующий о положительном знаке составляющей скорости ветра V. , который поступает в четвертьй блок 50 .вычислений.. Если скорость ультразву- ка и скорость движения ветра направлены навстречу друг другу,то задерж- .ка в измерительном канале 1 будет больше, чем в эталонном канале 4, и сигнал с выхода формирователя 28 появится раньше, чем с формирователя 25, и временной селектор 40 опять формирует импульс длительностью, равной временному запаздыванию одного импульса относительно другого, который открывает схему И 43,и в

счетчике 46 с высокой точностью запи- 45 ние частоты генератора такой, что

сывается цифровой :эквивалент разности фаз, код которого поступает во второй блок 49 вычислений, а на третьем выходе (минусовом) временного селектора появится сигнал, инфор- 50 мируюш 1й от отрицательном направлении V , который поступает в четвертый блок 50 вычислений. Измерительные каналы 2 и 3 для измерения V и

на длине акустической базы S всегда будет укладываться постоянное число импульсов, значение которого опре I

N

делается числом - в формуле (1) . Таким образом, блок 53 автоматического регулирования частоты так у1 равляет .частотой генератора 34, что половина

V- составляющих скорости ветра рабо- 55 волны точно укладывается

на длине акустической базы S вне зависимости от состояния среды и разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном, а также в каж

тают аналогично.

Дпя компенсации зависимости скорости распространения звуковых колебаний от параметров воздушной среды (температуры, влажности, давления, газового состава) и соответственно для увеличения точности, в устройстве используется блок 53 автоматического регулирования частоты.

Блок 53 работает следующим образом. Импульсом с выхода формирователя 54, входом подключенного к выходу

второго делителя 36 частоты, триггер 55 опрокидывается и в счетчик 57 через схему И 56 поступают счетные импульсы. Импульсом с выхода формирователя 28 триггер 55 возвращается в

исходное состояние и в счетчике 57 оказывается записанным цифровой эквивалент разности фаз в эталонном канале между акустическими колебаниями на излучателе и приемнике, код

0 которого сравнивается в схеме 58

- сравнения с кодом фиксированного эталонного числа, записанного в запоминающем блоке 60. В случае изменения параметров воздушной среды происходит изменение скорости распространения звуковых колебаний, а следовательно, и разности фаз между сигналами на излучателе и приемнике, в результате чего код эталонного числа в запоминающем блоке 60 отличает- ся от кода числа в счетчике 57. Поэтому схема 58 сравнения вьщает си1- налы рассогласования Больше или Меньше, которые интегратором 59

5 преобразуются в управляющее напряжение, с помощью которого происходит изменение частоты высокочастотного опорного генератора 34 в соответствующую сторону. При совпадении кодов

0 указанных чисел схема 58 сравнения не выдает сигнала рассогласования. Система автоматического регулирования на основе схемы 58 сравнения и интегратора 59 обеспечивает поддержа-.

5

0

на длине акустической базы S всегда будет укладываться постоянное число импульсов, значение которого опре- I

N

делается числом - в формуле (1) . Таким образом, блок 53 автоматического регулирования частоты так у1 равляет .частотой генератора 34, что половина

волны точно укладывается

на длине акустической базы S вне зависимости от состояния среды и разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном, а также в каждом из измерительньгх каналов, в aiy- чае отсутствия ветра, остается постоянной и равной If , Устройство обеспечивает высокую точность скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды.

Формула изобретения

1. Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, включающий размещение пар излучающих и приемных преобразователей в двух взаимно перпендикулярных направлениях на фиксированном расстоянии, излуче ние и прием ультразвуковых колебаний и измерение времени задержки при прохождении фиксированного расстояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, излучают модулированные ультразвуковые сигналы в трех взаимно перпендикулярных направлениях и в четвертом, произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, определяют разность фаз между сигналами, прошедшими среду в трех взаимно перпендикулярных направлениях относительно сигнала, прошедшего в четвертом, произвольном направлении, в котором разность фаз излучаемым и принимаемым сигналами поддерживают постоянной и равной S , и с учетом измеренных величин определяют

..

искомые параметры.

, 35 автоматического регулирования час

2. Устройство для определения ско ты, первым входом подключенным к

рости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, содержащее четыре акустических канала, три из которых расположены во взаимно перпендикулярных направлениях, а четвертый - в произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, и включающие в себя последовательно электроакустически соединенные излучающий и приемный преобразователи, полосовой усилитель, амплитудный детектор, амплитудный дискриминатор и формирователь, первый и второй блоки вычислений, первый и второй индикаторы, подключенные соответственно к выходам первого,и второго блоков вычислений, и генератор зондирующих импульсов, выходом подключенный к- излучаю- 55 мирователя, вторые входы четвертой

щим преобразователям, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений,, генератор зондирующих импульсов выполнен в

Ш

J5

349210

виде последовательно соединенных высокочастотного опорного генератора, первого и второго делителей частоты, первого полосового фильтра и модулятора, выход которого является выходом генератора.зондирующих импульсов, и второго полосового фильтра, входом подключенного к выходу первого делителя частоты, а выходом - к второму входу модулятора, устройст- во снабжено подключенными к каждому из трех взаимно перпендикулярных каналов последовательно соединенными временным селектором, первый вход которого подключен к выходу формирователя акустического канала, а второй вход подключен к выходу формирователя четвертого акустического канала, схемой И, вторым входом подключенной к выходу высокочастотного опорного генератора, и счетчиком, третьим блоком вьгаислений, входами подключенным к выходам первого блока вычислений и счетчиков, а выходами - к входам второго блока вычислений, четвертым блоком вычислений, входами подключенных к выходам третьего блока вычислений и временных селекторов, третьим индикатором, .входом подключенным к выходу, четвертого блока вычислений, частотомером, входом подключенным к выходу второго делителя частоты, а выходом - к входу первого блока вычислений и блоком

20

25

30

, 35 автоматического регулирования частовыходу второго делителя частоты, вторым входом - к выходу высокочастотного опорного генератора, треть- им входом - к выходу формирователя четвертого акустического канала, а выходом - к входу высокочастотного опорного генератора.

3. Устройство по п. 2, о т л и- чающееся тем, что блок автоматического регулирования частоты выполнен в виде последовательно соеиненных пятого формирователя, триггера, четвертой схемы И, четвертого счетчика, схемы сравнения и интегратора, и запоминающего блока, выходом подключенного к второму входу схемы сравнения, причем вход пятого форсхемы И и триггера.являются первым, вторьм и третьим входами, а выход интегратора - выходом блока автоматического регулирования частоты.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и средствам определения скорости распространения звука в среде и скорости движения среды, и может быть широко использовано в системах навигации, метеорологии и других об.,1гИ (/)