Способ измерения скорости звука и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к акустическим измерениям, а именно к прецизионным измерениям абсолютных значений скорости распространения звука в жидкостях в частности в морской воде, а также в газах.

Цель изобретения - повышение точности измерения скорости звука за счет исключения погрешностей от дифракции звука в точке его приема.

На чертеже представлено устройство, реализующее способ измерения

Устройство состоит из измерительной камеры 1, представляющей собой, например, сосуд из коррозионностойкого материала, подвижного штока 2 с укрепленным на нем отражателем звука 3. уплотнителей (направляющих) 4, в которых перемещается шток 2 и механизма 5 продольного перемещения штока 2, например, винтовой пары, приводимой в движение электромотором через редуктор. Шток 2 связан с измерителем 6 продольного перемещения штока-2; в качестве измерителя 6 может быть использован, например, серийно выпускаемый лазерный измеритель перемещений типа ИПЛ-ЗОК В камере 1 установлен электроакустический излучатель 7, например, выполненный в виде диска из пьезокерамики типа ЦТС или пьезокварца. В состав устройства также входит оптический интерферометр 8 Майкельсона с фотоэлектрической регистрацией. Оптический интерферометр 8 в свою очередь состоит из источника 9 когерентного непрерывного монохроматического света (например, гелий-неонового лазера с расширителем пучка), светоделителя 10 (например, светоделительного куба с полупрозрачным слоем ВВ), короткофокусного объектива 11 (например, фотообъектива с фокусным расстоянием 50 мм), вогнутого сферического зеркала 12 (например, с наружным покрытием) и с таким же фокусным расстоянием и углом раскрыва, как и у объектива 11, и зеркала 13, установленного в опорном плече. Для смещения зеркала 13 служит блок 14, выполненный в

(Л

С

о

V4

g

Ю

сл

виде пьезоэлектрического или магнито- стрикционного столбика. Интерферометр 8 также содержит фотоэлектрический приемник 15 (например, фотодиод или ФЭУ), фильтры низких 16 и высоких 17 частот (например, RC-фильтры), усилитель 18 низких частот (операционный усилитель), усилитель-формирователь 19 (например, операционный усилитель с компаратором), измеритель 20 временного интервала (между импульсами, поступающими с выхода усилителя-формирователя 19) в цифровом коде,

В состав устройства входяг вычислительный блок 21 и регистратор 22 (например, цифропечать или графопостроитель).

Позицией 23 показан схематически акустический импульс, распространяющийся от преобразователя 7 до отражателя 3 и обратно. Позицией U0 обозначено опорное напряжение смещения усилителя 18. Позицией L обозначено продольное перемещение штока 2. Позицией 24 обозначена исследуемая среда - газ или жидкость, например морская вода. Позицией F обозначен фокус (фокальное пятно) в рабочем плече оптического интерферометра, образованном объективом 11 и зеркалом 12. Генератор 25 подключен к излучателю 7. Позициями а и б обозначены крайние положения отражателя 3 звука.

Фотоэлектрический приемник 15 соединен с входами фильтров 16, 17, выход фильтра 16 соединен с входом усилшеля 18, выход усилителя 18 соединен с блоком 14, а выход фильтра 17 соединен с входом усилителя 19, выход усилителя 19 соединен с входом блока 20, выход блока 20 подключен к вычислительному блоку 21.

Измерительное плечо оптического интерферометра 8 размещено в исследуемой среде 24 в камере 1 между преобразователем 7 и отражателем звука 3 и образовано лежащими на одной оптической оси один против другого короткофокусным объективом 11 и вогнутым сферическим зеркалом 12 так, что фокусы объектива 11 и зеркала со вмещены, этот их общий фокус F размещен на оси акустического пучка, а оптическая ось этого плеча интерферометра 8 ориентирована нормально оси акустического пучка, при этом ширина акустического ПУЧКЕ не поееышает расстояние между обьективом и сферическим зеркалом для устранения отражений

Позицией Сброс обозначена цепь, соединяющая первый вход усилителя 18 с землей, т.е. обнуляющая его потенциал по сигналу с зыхсдз вычислителя 2.. Она выполнена в виде ключа, управляющий вход

которого соединен с отдельным выходом вычислителя 21.

Способ осуществляют следующим образом.

В исследуемую среду излучают акустические импульсы и регистрируют время прохождения или заданного расстояния по моментам изменения фазы световой волны, сфокусированного на оси акустического излучения когерентного излучения, перпендикулярного направлению акустического излучения.

Устройство работает следующим образом.

Источник с) излучает параллельный пучок когерентного монохроматического света длиной волны АО в вакууме, Этот пучок света направляется на светоделитель 10, где делится на две части. Одна часть проходит через светоделитель 10 прямо к короткофокусному объективу 11. посредством которого пучком фокусируется в исследуемой среде в точке F на акустической оси преобразователя 7 Пройдя фокус F в рабочем измерительном плече оптического интерферометра 8, пучок света попадает на поверхность сферического зеркала 12, отразившись которой он снова собирается в фокусе F, проходит в обратном направлении

через объектив 11 и возвращается в светоделитель 10, где отразившись от полупрозрачного слоя ВВ, направляется в фотоприемник 15 Другая часть светового пучка от источника 9 направляется светоделителем 10 на зеркало 13 установленное в опорном плече интерферометра Отраженный от зеркала 13 опорный пучок света направляется обратно через светоделитель 10 в фотоприемник 15. В плоскости фотоприемника 15 опорное оптическое излучение интерферирует с пучком света, поступившим из рабочего плеча. Фотоприемник 15 преобразует интенсивность света в электрический сигнал, который поступает на вход

фильтра 16 низкой частоты с полосой пропускания, например 0 1 кГц. С выхода фильтра 16 электрический сигнал поступает на один из входов операционного усилителя 18. на другой вход которого подается опорное напряжение U0 Выходное напряжение усилителя 18 посредством устройства 14 управляет положением зеркала 13 в опорном плече интерферсметра, образуя оптикоз- лектрическую цепь отрицательной обратной связи. Напряжение Uc устанавливают такой величины, чтобы при замкнутом контакте Сброс перед началом цикла измерений средняя интенсивность I света, регистрируемая Фотоприемником 15. соответствовала середине линейного участка интерференционной картины те 0,5(lmax + + I min), что соответствует случаю, когда интерферирующие опорный и рабочий световые пучки находятся в квадратуре (сдвиг по азетг/2 или 90 ) Таким образом эта оптико- электрическая цепь отрицательной обрат- ной связи автоматически компенсирует медленные изменения разности оптических длин рабочего и опорного плеч интерферометра поддерживая ее постоянной на уровне л/2

Пусть в начале цикла измерений скоро сти звука в исследуемой жидкости 2ч например воде механизм 5 г зр мемает шток 2 в направляющих 4 и устанавливает отражатель звука 3 в исходное положение а, например верхнее После зтог о возбуждается излучатель 7, от изучающей поверхности которого в исспедуемой среде 24 распространяется в сторону отражателя 3 короткий акустический импульс 23 например биимпульс длительность Гц - 1 мкс Распространяясь в среде 24 от излучателя 7 в сторону отражателя чвука 3 в прямим на правлении, звуковой импульс 23 пересекает объем занимаемый сфокусированным световым пучком в paf Mt-м плече интерферометра (обозначе 1 итриловыми лигами)

При прохождении звуковым импульсом фокальной области F изменяется преломпен1 р А п СВРТЗ в исследуемой среде за счег воздействия на нее звукового давления Это изменение описывается со отношением

Д., (| ЛР

где частная производи ЭР -

Лп 6Р

10 10 Па 1 для воды

-1,4

Д Р - амплитуда звукового давпения в акустическом импульсе

Приращение фазы г твои ьилны в рабочей плече оптического интерферометра определяется выражением

д (n

Яо

д Р

АР

гдейфф - эффективная дл ча взаимодействия звука и света в рабочем плече интерферометра

порядок величины &фф 10 м Пусть интенсивность звукового импульса G 104 Вт/м тогда в воде где плотность р - 10 и скорость звука С 1.5 103 м/с амплитуда звукового давления будет

V

2рС G - v 2 10J 1 5 10J 10Ч

0

0

1,7 105Па используем гелий-неоновой

0,63

лазер с , то

Если

длиной световой волны АО

для эфф Ю м получим

А 2 1 4 1 7 Ю5 -

063-10 б

-7,5-

долей периода (или долей интерференционной полосы)

Переводя в радианы и угловые градусы, получим 7 5 10 2 360° угл 26°угл. или р 1 5 Ю2 -2 тг рад -0,5 рад, что может быть легко зарегистрировано

Если поперечный размер фокального пятна света d Л гдеЛ пространственная поотяженность звукового импульса в среде то приращение фазы Д у оптического интерферометра повторяет форму и длительность звукового импульса При длительности звукового импульса ги 1 мкс,Л с ги 1 5 мм Размер фокального пятна

5

0

света d -0,61 А

)

- длина волR

ны света в воде п - показатель преломления света в воде F - фокусное расстояние объектива (в воде) R - радиус отверстия

1,33, АО R 10 мм

(зрачка) объектива При п 10 3 мм Е - 50 мм

О 63

ПОЛУЧИМ

ь

0

5

0

5

-з

о -061 - 14 10

-3

О . 50

Тзз ю Таким образом условие d Л хорошо выполняется

следовательно при прохождении звуковым импульсом фокальной области F pa- 6oieiO измерительного плеча оптического интерферометра 8 на выходе фотоэлектрического приемника 15 возникает электрический импульс по форме и длительности повторяющий акустический импульс Этот короткий электрический импульс поступает на вход 17 высоких частот с поло- сои пропускания например 01-10 мГц, посте которого он усиливается в усилителе- формирователе 19 на выходе которого в момент перехода сигнала через ноль (в случае биимпульса) компаратор вырабатывает стартовый импульс, который поступает в измеритель 20 Прошедший фокальную область звуковой импульс 23 достигает поверхности отражателя 3 звука, от которой он отражается снова проходит фокальную область в обратном направлении, в результате чего на выходе усилителя-формирователя 19 вырабатывается стоповый1 импульс который поступает в измеритель 20 Он преобразует временной интервал п между стартовым и стоповым1 импульсами в

цифровой код, который поступает в вычислительный блок 21. где он записывается в запоминающее устройство.

После этого вырабатывается команда, по которой механизм 5 перемещает шток 2 с отражателем 3 в нижнее положение б (штриховые линии) на величину L Перемещение L измеряется измерителем бив циф ровом виде поступает в вычислительный блок 21, где записывается в запоминающее устройство.

Затем вырабатывается сигнал запуска генератора 25 и в исследуемой среде от излучателя 7 в сторону отражателя 3, находящегося в нижнем положении, начинает распространяться звуковой импульс. В результате пересечения им фокальной области F в прямом и обратном направлении на выходе усилителя-формирователя 19 вырабатываются стартовый и столовый импульсы с временным интервалом Г2 между ними. Преобразованный измерителем 20 временной интервал Г2 в цифровом коде поступает в блок 21 и записывается в его запоминающем устройстве. После этого рассчитывается скорость звука по формуле С 2L/ ( т - Тг ), а результаты расчета отображают на регистраторе 22. ,

Преимущество предложенных способа и устройства по сравнению с прототипом заключается в повышении точности измерений. Это обусловлено тем, что обеспечивается измерение скорости распространен1)

звука в режиме бегущих волн без возмущения акустического поля в точке приема Формула изобретения 1 Способ измерения скорости звука, заключающийся в том, что излучают акустические импульсы в исследуемую среду и регистрируют время прохождения ими заданного расстояния, по которому определяют скорость звука, отличающийся тем,

что, с целью повышения точности, регистрацию времени прохождения акустических импульсов осуществляют по моментам изменения фазы световой волны сфокусированного когерентного излучения,

перпендикулярного направлению акустического излучения.

2. Устройство для измерения скорости звука, содержащее измерительную камеру, установленные в ней электроакустический

излучатель и отражатель звука и последовательно соединенные измеритель временного интервала, вычислительный блок и регистратор, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим интерферометром

Майкельсона и подключенным к выходу его фотоприемника фильтром верхних частот, выход которого связан с входом измерителя временных интервалов, а измерительное плечо интерферометра

Майкельсона выполнено из короткофокусного обьектива и вогнутого сферического зеркала, имеющих общий фокус и установленных на одной отической оси, перпендикулярной к оси электроакустического излучателя.

n I I

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости звука. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения погрешности от дифракции звука в точке приема. В исследуемую среду излучают звуковые импульсы излучателем, регистрируют время прохождения ими заданного расстояния по моментам изменения фазы световой волны сфокусированного на оси излучателя когерентного излучения, перепендикулярного направлению излучения, по времени прохождения определяют скорость звука в среде. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Редактор А.Долинич

Техред М МоргенталКорректор С.Черни

Заказ 2739Тираж 306Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

f

Uo

H

13

55 Ј

h

ъHL