ЦИКЛИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ Советский патент 2008 года по МПК G01N5/00 

Введение

Предлагаемый измеритель скорости распространения звука в жидких средах относится к области гидроакустической техники и может быть использован для океанографических и гидролого-акустических исследований, а также при разработке навигационной гидроакустической аппаратуры.

Известный циклический измеритель скорости звука в море (см. "Подводная акустика" М., изд. "Мир" 1965 г., стр.105÷121) состоит из акустической линии задержки, включающей в себя излучатель 1, отражатель 2, приемник 3 и исследуемую жидкость, усилитель 4, генератор импульсов 5 и измеритель частоты 6 (фиг.1). При этом излучатель и приемник акустической линии задержки выполнены раздельно и расположены под некоторым углом α относительно оси отражателя (фиг.2).

Измеритель работает следующим образом. Акустические колебания, излученные излучателем 1, распространяются в жидкости со скоростью c и, отразившись от отражателя 2, достигают приемника 3, где преобразуются в электрические. В усилителе 4 сигнал усиливается до уровня, необходимого для запуска генератора импульсов 5, и цикл повторяется вновь. Таким образом, в электроакустическом кольце "излучатель-отражатель-приемник-усилитель-генератор" непрерывно существует последовательность импульсов, частота следования которых равна

где L - длина акустической линии задержки, равная геометрическому расстоянию излучатель-отражатель-приемник.

Основным источником инструментальных погрешностей в данном измерителе скорости звука является наличие электрических задержек сигнала в усилителе, кабеле, соединяющем приемник и излучатель с электрической схемой, и в схеме запуска генератора. Погрешность, связанная с этими задержками, определяется

где τ_з - электрические задержки в кабеле, усилителе и схеме запуска генератора;

с_макс - максимальное значение скорости звука в диапазоне калибровки;

с_мин - минимальное значение скорости звука в диапазоне калибровки;

с₀ - среднее значение скорости звука в диапазоне калибровки.

Если калибровка производилась при значении скорости звука, равном с₀, то максимальное значение погрешности на краях диапазона будут одинаковыми и равными

где Δс=с_макс-с_мин - диапазон калибровки скорости звука.

Таким образом, уменьшение погрешности может быть достигнуто либо увеличением длины базы L, либо уменьшением времени задержки τ_з. Поскольку в рассмотренном измерителе τ_з сведено к минимальному значению, то его точность можно повысить только за счет увеличения длины базы L, что приводит к увеличению конструкции прибора.

Другим недостатком рассматриваемого измерителя является наличие погрешности, вызванной наличием скорости относительного перемещения среды и измерителя V (фиг.2), величина которой в общем виде равна

где М - число Маха.

Для акустической линии задержки с отражателем величина этой погрешности будет

где β - угол между осью отражателя и направлением относительного перемещения среды и измерителя.

Исключить эту погрешность до минимума можно только в случае, когда α=0, т.е. совмещением излучателя и приемника в одной точке.

Предлагаемая схема циклического измерителя скорости распространения звука в жидкости позволяет повысить точность измерений за счет увеличения эффективной длины базы акустической линии задержки и исключить до минимума погрешность, вызванную относительным перемещением среды и измерителя.

В предлагаемом измерителе скорости звука поставленная задача достигается за счет применения общего электроакустического преобразователя, а также введением в электрическую схему коммутатора приемо-передачи и делителя частоты между усилителем и генератором.

Описание изобретения

Блок-схема предлагаемого измерителя скорости распространения звука приведена на фиг.3.

Обозначения на чертеже:

1 - акустическая линия задержки;

2 - коммутатор прием-передача;

3 - усилитель;

4 - делитель частоты;

5 - генератор;

6 - измеритель частоты.

Поскольку применен совмещенный приемо-излучатель, то на входе электрической схемы имеется коммутатор 2, производящий переключение "прием-передача". Коммутатор 2 выполнен по схеме бесконтактного переключения на двух полупроводниковых диодах. В усилителе 3 происходит усиление сигнала до величины, необходимой для отпирания генератора 5. Между усилителем 3 и генератором 5 имеется схема деления частоты, которая позволяет запустить генератор 5 и не первым отраженным импульсом, а любым последующим, что эквивалентно увеличению длины базы акустической линии задержки излучатель-отражатель-приемник. В качестве оконечного устройства используется измеритель частоты 6, где производится измерение частоты, пропорциональной скорости распространения звука в жидкости.

Эффективность измерителя

Предлагаемый прибор изготовлен и испытан в лабораторных и натурных условиях. Акустическая линия задержки и электрическая часть выполнены в виде единой конструкции так, что длина провода от приемо-излучателя до входа электрической схемы составляет 70 мм, а до выхода - 300 мм. Длина пробега акустического луча в линии задержки составляет 480 мм. В качестве делителя частоты применен однокаскадный усилитель с подпором, выделяющий импульс по величине его амплитуды. При этом уверенная работа делителя частоты обеспечивается при коэффициенте деления n=6. При использовании более сложной схемы делителя возможно дальнейшее увеличение коэффициента деления.

Испытания в спокойной воде (ванна) и в реальных условиях на море при снятии гидрологических разрезов показали возможность измерения скорости звука с меньшими погрешностями при перемещении прибора со скоростью до 15 м/с.

Циклический измеритель скорости распространения звука в жидкой среде содержит акустическую линию задержки с отражателем, усилитель, генератор импульсов и измеритель частоты импульсов. В качестве излучателя и приемника акустической линии задержки использован электроакустический преобразователь, вход которого соединен с усилителем через коммутатор приемо-передачи, связанный с генератором импульсов. Между усилителем и генератором импульсов включен делитель частоты с коэффициентом деления, равным заданному количеству циклов пробега акустического импульса между электроакустическим преобразователем и отражателем. Технический результат - повышение точности. 3 ил.

Циклический измеритель скорости распространения звука в жидкой среде, содержащий акустическую линию задержки с отражателем, усилитель, генератор импульсов и измеритель частоты импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в нем в качестве излучателя и приемника акустической линии задержки использован электроакустический преобразователь, вход которого соединен с усилителем через коммутатор приемо-передачи, связанный с генератором импульсов, а между усилителем и генератором импульсов включен делитель частоты с коэффициентом деления, равным заданному количеству циклов пробега акустического импульса между электроакустическим преобразователем и отражателем.