Способ измерения приращения скорости распространения акустических колебаний в среде Советский патент 1989 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения приращения скорости распространения акустических волн в движущихся средах.

Цель изобретения - повьппение точности измерений и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения скорости течения исследуемой среды.

Способ измерения приращения скорости распространения акустических колебаний может быть осуществлен следующим Образом.

Излучают первым электроакустическим плоским преобразователем акустические гармонические колебания в исследуемую среду. Для этого на вход преобразователя подается гармоническое напряжение вида

U-U..(u)t+4 o) С)

о

W

где Цд - амплитуда; частота;

начальная фаза подаваемого напряжения, ; время.

/„ t Тогда вдоль оси 0, направленной по нормали от излучающей поверхности преобразователя, будут распространяться акустические гармонические колебания, уравнение которых запишется так:

(x,t)aUoexp( - dx)(cot-K,x+ .+ M «-t-i).(2)

где а exp(it/) (0,t)/U;

а и t/ - константы линейного (прямого) электроакустического преобразователя; d - коэффициент поглощения

акустических волн в среде

ы

К, - ; v,

(3)

31504521

где V - скорость распространения акустических волн в невозмущенной среде;

Учитывая многократные отражения волн от первого и второго преобразователей, исходя из формул (А) и (5),

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для определения приращения скорости распространения акустических волн в движущихся средах. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей - достигается за счет одновременного измерения изменений фазы колебаний, принимаемых первым (излучающим) и вторым преобразователями, образующими плоский резонатор в исследуемой среде. Изобретение может быть применено для изучения конвекции в жидкости и газе.

1 - скорость течения среды вдоль j можно получить уравнение, описываюоси Од

Формируют в среде между первым и вторым преобразователями поле квазистоячих акустических волн,

Дйя этого на пути излученных пер- 10 вым преобразователем колебаний на некотором расстоянии L от него располагают второй плоский электроакустический преобразователь, плоская поверхность которого перпендикулярна 15 направлению распространения колебаний, с коэффициентом отражения r,iexp(,j).

Тогда отраженная от второго преоб разователя акустическая волна будет 20 описываться уравнением

щее колебания в любой точке резонатора

г(х t) ...

1-2R cos(2K,)+R

(wt-K,x+4 e+4 ) ((L- -х)ехр{-1Г2Коа-х), 5- -R (2KoL-cf,)-r,R (L- -x)(2K x-c/ ,) ,(7)

где (1сУ,) - коэффициент отражения волн от первого преобразователя,

г exp(-2o(L).

(8)

Принимают вторым преобразователем акустические колебания.

(x,t)aUor,exp()(l-x) texp({;u)t-K,L-K,a-x) + 4 -i-MH-, (4)

где K,f ; V Vo-Vi..

(5)

(iif) -1((L, t),

где а константы этого преоб- 30разования.

Из (7)получаем выражения для

амплитудынапряжения

При VT«VO из (3) и (5) следует

,(l- 1); (1+ 1); (6)

О О

К,+К,2К,. I и, I -а а

и его фазы Ч а

te(c/ -u)t- /-a-c/fK L) H- iS- I&i§iBi2KcLij.ii Olrasini2K L3,n

i, ,LJ n.r cos«/ t-R co8(2KeL-c/ ,-A)+raCos(2K,L-)

В отсутствие течения среды . рительной системы, соответствующими

Если изменяется с течением времени .40 локальному максимуму крутизны завискорость распространения колебаний

IT / /т |1- -2Г ,СОЗ(С7+Г 2XQ4

U,exp()x -2f--- -- - :- - ;--,- (9)

симости фазы принимаемых вторым преобразователем колебаний от частоты излучаемых колебаний. V и возникает движение среды, то в соответствии с соотношениями (6), (10) фаза принимаемых вторым преобразователем колебаний получит прира щение,

II п

.

-2R cos (,- )

Vr 1 u)L .у. WVrL -2--J dV. --,Или, учитывая, что )dV|/Vo«l

1-R

loL

l H2rcos (2K;L-d c/ J+R vy

(П)

о

Выбирают частоту излучаемых колебаний или акустическую базу измещее колебания в любой точке резонатора

г(х t) ...

1-2R cos(2K,)+R

(wt-K,x+4 e+4 ) ((L- -х)ехр{-1Г2Коа-х), 5- -R (2KoL-cf,)-r,R (L- -x)(2K x-c/ ,) ,(7)

где (1сУ,) - коэффициент отражения волн от первого преобразователя,

г exp(-2o(L).

(8)

Принимают вторым преобразователем акустические колебания.

На выходе второго преобразователя в силу линейности обратного электро- акустического преобразования возникает напряжение

(iif) -1((L, t),

где а константы этого преоб- разования.

Из (7)получаем выражения для

амплитудынапряжения

симости фазы принимаемых вторым преобразователем колебаний от частоты излучаемых колебаний. Из анализа выражения (10) для фазы принимаемых колебаний вторьм преобразователем следует, что при о «К указанное выше условие выбора часто- ть1 ы излучаемых колебаний впи акустической базы L соотэ.етствует условию

2KoL- с/,-d 2 ilm, m-0,1,2,..., (12)

а максимальное значение крутизны будет определяться выражением

1+R T-R

L

v;

(13)

Тогда вместо выражения (II) получим

(14)

Измеряют изменение фазы принимаемых вторым преобразователем коле- баний.

Как видно из формулы (14), изменение 41 принимаемых вторым преобразователем колебаний обусловлено как возникновением течения среды со ско- ростью так и приращением дУ скорости распространения колебаний за счет изменения каких-либо внешних условий (например, температуры).

Определяют приращение скорости ра пространения акустических волн в среде и одновременно измеряют скорость течения среды вдоЛь направления распространения колебаний; для этого формирование в среде между первым и вторым преобразователями поля квазистоячих акустических волн производят в соответствии с условиями

tg (4 1-wt-tfe-1(7)-

( 8iDl2KoL- r jliRRosin c( (2K L-crj)(2KoL- ,)

Так как точное значение Г, и г известно только в случае оптимизации параметров согласующих электрических цепей, то для достаточного определения связи между приращением фазы uif и приращением скорости &V (от скорости V течения среды, как врвдно из (17), фаза зависит) необходимо вьтолнение условия (15), что соответствует указанной оптимизации параметров. Тогда вместо (17) получим

. ,«- ,/ ,. Г,. 2Rosini2K L-) tg((/,-ut-(/,-i/,-V,)- - .Z

Отсюда легко можно получить выражение для приращения фазы лсл, на выходе первого преобразователя при выполнении условия (12)

Лд - R, L l-Rl VI

(18)

Таким образом, изменение фазы принимаемых первым преобразователем зависит только от приращения скорости распространения акустических волн в исследуемой среде и не зависит от скорости ее течения.,

Прирйщение t скорости распрост- ранеиия акустических волн в среде и скорость течения среды вдоль направ150A521

г 1; с 0,

(15)

L, -,

где г и с - соответственно модуль

и фаза коэффициента отражения акустических волн от первого преобразователя, измеряют изменение фазы принимаемых первым преобразователем колебаний. Аналогично изложенному, выше из формулы U a-exp(i M)V;(0,t), где а и Q - константы обратного линейного преобразования в первом преобразователе, и выражения (7) получаем выражения для амплитуды напряжения

и,

I UJ -а а

«lUo i--

R.

R

TI

Jb- J - . . 1

2R cos(2KeL- /,-cr2)+R (16)

и его фазы i/,

(17)

30 ления распространения излучаемых ко лебаний определяют по формулам

35

и

V (20)

д( Формул

изобретения

Способ измерения приращения скорости распространения акустических колебаний в среде, заключающийся в

том, что в исследуемую среду при помощи первого акустического преобразователя излучают гармонические акустические колебания, формируют в исследуемой среде между первым и

вторым акустическими преобразователями поле квазистоячих акустических волн, принимают акустические колебания, прошедшие через исследуемую среду при помощи второго акустического

преобразователя, выбирают частоту о) излучаемых колебаний или акустическую базу L, соответствующую локальному максимуму крутизны dif, /Вш.,...

i.

азочастотной характеристики второ- i

го акустического преобразователя, измеряют изменение t/. фазы принимаемых вторым акустическим преобразователем колебаний и определяют с его учетом приращение скорости распространения акустических колеб.аний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет учета скорости течения среды и расширения функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения скорости течения ис- спедуемой среды, поле квазистоячих акустических волн формируют в соот- ветствии с условиями , ,0, где Z и (fi- соответственно, модуль и фаза козффициента отражения акустических колебаний от первого акустического преобразователя, дополни-

тельно принимают акустические колебания при помощи первого акустического преобразователя, измеряют изменение л I/, их фазы, а приращение dV скорости распространения акустических колебаний и скорость V течения исследуемой среды вдоль направления излучения акустических колебаний определяют по формулам

,V.YL ,,-.с,;

vl

где V - начальная скорсгсть распространения акустических колебаний;

Vo (1)

L 1