Способ определения скорости звука в среде и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01H5/00 

ми соединенный с выходами сумматоров, а выходом - с управляющим входом процессора, второй вход первого сумматора 10 соединен с выходом усилителя 7 с регулируемым коэффициентом усиления, а второй вход второго сумматора 14 соединен с выходом интегратора 9.

Существенной особенностью изобретения является измерение мгновенных значений звукового давления и его градиента практически в одной точке. Это достигается тем, что используется акустический преобразователь, в котором совмещены приемник звукового давления и приемник градиента давления. Приемная система располагается от излучателя на таком расстоянии г, чтобы выполнялось условие плоской звуковой волны,.при использовании точечного излучателя должно выполняться условие , где к - волновое число.

В плоской звуковой волне давление и градиент звукового давления связаны следующим известным соотношением.

c /fЈdt p,

где с - скорость звука в среде.

Учитывая это, можно записать сумму и разность между звуковым давлением и его градиентом в среде с неизвестной скоростью звука в следующем виде

р - сх dt - a; р + Сх b.

Константа выбирается из условия, когда среднее проинтегрированное значение ра в- но нулю. Далее усредняя квадраты этих значений за время т, кратное или существенно больше периода колебаний, чем время Т. Отношение этих величин будет

(P-Cx/| dt) (P+cx/f dt)

Это отношение с учетом (1), если с Со известная скорость звука в заданной среде, можно преобразовать к следующему виду

Сх Со г dp

Р-ТГ/ г-Ч# 1 +

сх

с;

(p+ /ffdt r -1-g

Тогда искомую величину сх можно определить из следующего соотношения с учетом того, что она может принимать значения как больше известной скорости звука в сре- де, так и меньше.

1 ±УД

ТтЖ

(2)

Ю Верхние знаки в числителе и знаменателе выбираются в случае, если разность фаз между суммой и разностью мгновенных значений звукового давления и проинтегрированным значением градиента давления

15 равна л, в противном случае выбираются нижние знаки в числителе и знаменателе.

Работа устройства для осуществления способа определения скорости звука в среде заключается в следующем.

20 Частота, на которой осуществляется изме- , рение, и горизонтальное расстояние между излучателем и приемной системой выбираются из условия существования плоской звуковой волны или дальнего поля (kr

25 3). Приемная система состоит из совмещенного в одном корпусе ненаправленного приемника 4 звукового давления и приемника 6 градиента звукового давления, имеющего, косинусную характеристику направленно30 сти и ориентированного максимумом характеристики направленности на излучатель, В среде с известной скоростью звука с, например, в водной среде принятый сигнал с приемников 4 и 6 поступает соответственно на ;

35 интегратор 9 и инвертор 13 и далее на сум- маторы 10 и 14, на выходе которых образуется сигнал, пропорциональный разности и сумме между давлением и его градиентом. С учетом характеристик направленности

40 приемников 4 и б на выходе сумматора формируется характеристика направленности кардиоидного типа с минимумом, направленным на излучатель. Предварительным усилителем с регулируемым коэффициен 5 том усиления, добиваются минимума (практически нулевого значения сигнала) напряжения на выходе блока деления 12. Следует отметить, что экспериментальное значение отношения разности между звуко50 вым давлением и его градиентом к их сумме на фиксированной частоте звукового сигнала при кардиоидной характеристике направленности может достигать 35-40 дБ. Именно этой величиной определяются по55 тенциальные возможности способа определения скорости звука в среде. С выходов сумматоров сигнал поступает на фазометр 16, который измеряет разность фаз мгно венных значений между суммой и разно

стью звукового давления и проинтегрированным значением его градиента. Измеренное значение разности фаз подается на процессор, с учетом которого вычисляется искомая величина. В среде с неизвестной скоростью звука будет другое значение отношения разности между звуковым давлением и его градиентом к их сумме, с учетом которого в соответствии с формулой (2) в процессоре определяется искомое эначе- ние скорости звука. На фиг.2 приведена теоретическая зависимость значений Л, выраженных в децибелах, от изменения отношения Сх/Со. Как следует из приведенного графика наибольшая точность определения скорости звука в среде предложенным способом реализуется при изменении Сх/Со в пределах 0.4 сх/с0 3так, например, при изменении Сх/Со на 10% величина А изменяется на 7-10 дБ, что в реальных условиях вполне измеряемая величина.

Формула изобретения 1. Способ определения скорости звука в среде, заключающийся в том, что в среду излучают звуковой сигнал, принимают прошедший через нее сигнал, измеряют звуковое давление и сигнал, пропорциональный колебательной скорости, по которым судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности, измеряют разность фаз между звуковым давлением и сигналом, пропорциональным колебательной скоро- сти, формируют зависимости разности и

суммы измеренных параметров с учетом разности фаз между ними, измеряют разность фаз сформированных зависимостей, а скорость звука в среде определяют с учетом отношения сформированных зависимостей и разности фаз между ними.

2. Устройство определения скорости звука в среде, содержащее последовательно соединенные звуковой генератор, усилитель мощности и излучатель звукового сигнала, последовательно соединенные приемник звукового давления и усилитель, последовательно соединенные приемник градиента звукового давления, ориентированный максимумом направленности на излучатель звука; и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и процессор, о т- личающееся тем, что, оно снабжено подключенными к выходу усилителя последовательно соединенными интегратором, первым сумматором, первым квадратичным детектором и блоком деления, выходом соединенным с входом процессора, подключенными к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления последовательно соединенными инвертором, вторым сумматором и вторым квадратичным детектором/соединенным с вторым входом блока деления/и фазометром, входами соединенным с выходами сумматоров, а выходом - с управляющим входом процессора, второй вход первого сумматора соединен с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а второй вход второго сумматора соединен с выходом интегратора.

Фиг.}

j---tC

fe.

Ри8,2