СПОСОБ И ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЙ ВЕЛИЧИН МАЛЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ Советский патент 1932 года по МПК G01S13/02 

Предлагается способ определения отношений величин малых промежутков времени, в течение которых волнообразное колебательное движение проходит в данных средах определенные пути, в применении к измерению расстояний на земной поверхности и изучению свойств различных сред. Как способ, так и прибор для его осуществления, основаны на принципе интерференции волнообразного колебательного движения. Все инертные, материальные механизмы устранены из прибора и заменены безьинертными электрическими устройствами, благодаря чему предполагается разрешить задачу оперирования со столь малыми промежутками времени.

На чертеже фиг. 1 изображает принципиальную схему прибора; фиг. 2 - прием определения расстояния при помощи предлагаемого способа; фиг. 3 - прием наблюдения за изменением скорости распространения звука; фиг. 4 - видоизменение прибора, в котором двухэлектродные лампы заменены трехэлектродными.

Предлагаемый способ предназначен для определения относительных величин чрезвычайно малых (порядка 10^-7 сек и менее) промежутков времени в течение которых волнообразное колебательное движение (свет, звук, электромагнитные волны) проходит в какой-либо среде пути s, s_1; s₂, s₃.

Если скорость распространения колебательного движения ν в данной среде постоянна, то и, следовательно, определив прибором отношения величин t, t₁, t₂, t₃ и установив непосредственным измерением за основание (базис) величину, например, s=пути, проходимому волнообразным движением за время t, - возможно определить и величины s₁, s₂, s₃.

Если найти отношения величин малых промежутков времени t, t₁, t₂, t₃, в течение которых колебательное движение проходит в различных средах один и тот же путь s, то тем самым будут известны отношения скоростей в этих средах. Подобным же путем возможно определить все изменения величины скорости распространения колебательного движения в одной и той же среде, если таковая меняется под влиянием каких-либо причин. На фиг. 1 изображена принципиальная схема прибора, для осуществления предлагаемого способа. В цепи батарей 1, 2 соответствующих напряжений включены чувствительные фотоэлементы 3 и 4, так что, при освещении их прерывистым светом, в цепи батарей появляется некоторый ток, усиливающийся при помощи усилителей 5 и 6; напряжение же его повышается трансформаторами 7 и 8 и затем ток выпрямляется двухламповыми выпрямителями 9, 10 и 11, 12, так что на зажимах конденсаторов 13 и 14 появляется пульсирующий ток высокого напряжения.

Колебательные контуры I и III соединены последовательно с двухэлектродными лампами 17 и 18, так что обе цепи I, 19, 17, 15 и III, 20, 18, 16 представляют собою, каждая, „клапан Флеминга". Если анодам обеих ламп сообщить некоторое весьма слабое напряжение, доставляемое батареями 19, 20 накала нити, так, чтобы аноды имели очень малый положительный потенциал по отношению к своим нитям, то в контурах I и III появится слабый электрический ток.

В момент освещения фотоэлементов 3 и 4, когда анодам ламп 17 и 18 будет сообщен по отношению к своим нитям высокий отрицательный потенциал, контуры I и III придут в колебание. В момент между двумя последовательными освещениями фотоэлементов, когда напряжение на зажимах конденсаторов 13 и 14 равняется нулю, так как они разряжены через сопротивления 15 и 16, в колебательных контурах опять появится ток.

Если число перерывов света, освещающего фотоэлементы, равно n в секунду, то процесс колебательного разряда контуров повторится также n раз в секунду. Необходимо только подобрать затухание контуров I и III так, чтобы продолжительность колебательного разряда их была меньше, чем продолжительность момента освещения. Сопротивления 15 и 16 и емкость конденсаторов 13 и 14 должны быть тоже подобраны так, чтобы последние успели разрядиться в промежуток времени между двумя последовательными освещениями.

Оба контура I и III настроены на одну и ту же длину волны L. Контур II связан с контурами I и III.

Очевидно, что колебания контура I интерферируют с колебаниями контура III, при чем в контуре II будет действовать некоторый результирующий электрический ток (21), который, будучи выпрямленным и в высокой степени усиленным, попадает в телефон 22 или какой-либо другой прибор, могущий служить показателем интенсивности колебаний контура II.

Сила звучания телефона или максимум показаний измерительного прибора будет зависеть от разности фаз интерферирующих колебаний. В свою очередь разность фаз, в случае неодновременного освещения фотоэлементов (в различные моменты времени для каждого), будет зависеть от промежутка времени t между этими моментами.

Если , где Т - период колебаний контуров, а n - некоторое целое число, то сила звука в телефоне будет наибольшей. Если , где n - целое нечетное число, то звук в телефоне выпадает.

В этом случае амплитуда колебаний контура II теоретически равна нулю, так как в период заряжения контуров I и III на анодах катодных ламп 17 и 18 подбирается одинаковое напряжение, а батареи 19 и 20 дают одинаковую силу тока, так что амплитуды интерферирующих колебаний равны.

При всех остальных значениях для t сила звука в телефоне получит некоторое значение между максимумом и нулем.

Затухание колебаний контуров I и III, а также связь этих контуров с контуром II, должны быть подобраны так, чтобы при интерференции не получалось никаких биений или, по крайней мере, эти биения были бы чрезвычайно медленными. Практически этого возможно достигнуть, не прибегая к излишне точной настройке контуров I и III на одну и ту же длину волны так, что амплитуда колебаний контура II, при постоянном t, будет оставаться также постоянной, по крайней мере в пределах, необходимых для достижения поставленной задачи - по изменениям амплитуды колебаний контура II определять изменения t.

Предлагаемый для осуществления способа прибор так же, как и все хронографы и хроноскопы, состоит из двух главнейших частей: „отметчика", т.-е. той части прибора, которая отмечает начало и конец явления, продолжительность которого во времени измеряют, и какой-либо движущейся части, например, ленты, на которой „отметчик" делает свои отметки. По расстоянию между двумя отметками на ленте, принимая во внимание скорость ее движения, имеют суждение о продолжительности явления.

В предлагаемом приборе, вместо механической движущейся части употребляется высокочастотный электромагнитный процесс колебаний контуров I и III, а вместо механического „отметчика" - почти безъинертный катодный механизм.

Допустим, что при помощи предлагаемого прибора необходимо измерить промежуток времени, в течение которого световые волны пройдут путь s от точки А до точки В, при чем в начале этого пути свет падает на фотоэлемент 3, а в конце - на фотоэлемент 4.

По аналогии с обыкновенными хронографами и хроноскопами, момент падения света на фотоэлемент 3 является началом измеряемого явления; приведение в колебание контура I является отметкой начала явления; момент падения света на фотоэлемент 4 - концом явления и приведение в колебание контура III - отметкой конца явления.

Показание прибора 22 определяет время t, протекшее между началом и концом явления, т.-е., по вышеприведенной аналогии „расстояние на ленте" между двумя отметками.

Пока фотоэлемент 3 не освещен, напряжение на зажимах конденсатора. 13 равно нулю и в цепи 15, 17, 19 и I проходит некоторый, хотя и весьма слабый, электрический ток. Как только свет упадет на фотоэлемент 3, в цепи последнего мгновенно возникает ток, достигающий своего максимума через некоторый малый промежуток времени Тогда напряжение на зажимах конденсатора 13 будет нарастать также постепенно и достигнет своей наибольшей величины ν вольт, только через тот же промежуток времени

Для начала же колебательного разряда контура I требуется гораздо меньший промежуток времени, именно он придет в колебание через сек после момента падения света на фотоэлемент 3, где - напряжение в вольтах на аноде лампы 17 по отношению к ее нити.

Примем что технически вполне допустимо; - 100 вольт, что также возможно при мощных усилителях. В радиоприемнике изображений на расстояние системы Каролус - Телефункен употребляется конденсатор Керра, на зажимах которого создают переменное напряжение в сотни вольт, при чем этим напряжением управляют при помощи кратковременных электрических импульсов чрезвычайно малой интенсивности, порядка интенсивности фотоэлектрических токов. Если принять вольт, обыкновенное напряжение, под которым находится анод в „клапане-Флеминга", то промежуток времени между моментами падения света на фотоэлемент 3 и приведением в действие колебательного контура I будет порядка 10^-7 сек. Таким образом отметчик для приведения его в действие требует чрезвычайно короткого промежутка времени, в то время как инерция всех механических отметчиков требует для приведения их в действие периода времени не менее 2^-4-3^-4 сек.

Один из возможных приемов определения расстояний при помощи предлагаемого способа и прибора пояснен на фиг. 2. Обозначим расстояние между точками А и B через s, расстояние между В и С через s₁. Допустим, что s нам известно (базис); требуется определить s₁.

В точке А установлен интенсивный источник света, например, электрический прожектор, свет от которого прерывается n раз в секунду и бросается слева направо в плоскости чертежа. Вблизи прожектора помещают всю установку, изображенную на фиг. 1, так что на фотоэлементах 3 и 4, при помощи зрительных трубок 23 и 24, может быть сконцентрирован свет, отраженный от любой точки земной поверхности, освещаемой прожектором. Направляют зрительную трубку 23 непосредственно на прожектор, а трубку 24 - на точку В. Пока прожектор не бросает света, в цепи фотоэлементов тока нет или по крайней мере он постоянен (последнее - в случае, если фотоэлементы освещены еще каким-либо источником света, помимо прожектора). Как только вспыхнет лампа прожектора, свет от нее мгновенно упадет через зрительную трубку 23 на фотоэлемент 3 и, таким образом, в цепи последнего мгновенно возникнет (или усилится) ток. Через сек, после падения света на фотоэлемент, начнет колебаться контур I и, таким образом, произойдет отметка начала явления. Через некоторый малый промежуток времени свет распространится от прожектора до точки В и, отразившись, упадет через зрительную трубку 24 на фотоэлемент 4. Это будет отметкой конца явления, при чем в столь же короткий промежуток времени сек. приведется в колебание контур III.

Так как свет прожектора прерывается n раз в секунду, то в телефоне 22 появится звук высотой n колебаний в секунду.

Интенсивность звука в телефоне зависит от промежутка времени t, в течение которого свет проходит путь = 2s (расстояние от А до фотоэлемента 3 или 4 ничтожно, а потому им пренебрегаем).

Обозначим амплитуду колебаний в контуре II при направлении обеих трубок 23 и 24 на точку А через а; при направлении трубки 23 на точку А и трубки 24 на точку В, обозначим амплитуду через a₁; при направлении трубки 23 на точку А и трубки 24 на точку С обозначим амплитуду через а₂. Допустим, что

тогда

и

При постоянном, за время наблюдения, L можно допустить, что

Если s нам известно (базис), то, определив a : а₁ : а₂, тем самым определим s₁.

Отношения амплитуд колебаний в контуре II при разных положениях зрительных трубок с достаточной точностью возможно определить при помощи обыкновенных радиоизмерительных приемов.

Если расстояние велико по сравнению , то возможно употребить следующий прием: обе трубки направляют на прожектор (на точку А); тогда амплитуда = а. Затем трубку 24 передвигают вправо (фиг. 2) так, чтобы, по мере ее движения, в нее попадал свет от всех точек земной поверхности, расположенных по прямой линии, соединяющей точки А, В и С. При таком передвижении трубки 24, в некотором ее положении, звук в телефоне совсем выпадет, т.-е. амплитуда будет равна нулю. При дальнейшем передвижении этой трубки таким же образом звук появится опять, опять выпадет и т.д.

Предположим, что первое выпадение звука произошло как раз при направлении трубки 24 прямо в точку В. Тогда расстояние от А до В . Продолжая передвижение трубки вправо до точки С, замечаем, сколько раз выпадет звук; допустим, что число выпадений = х; тогда, если последнее выпадение совпало как - раз с направлением зрительной 'трубки 24 на точку С, то . Если же последнее выпадение звука замечено в некоторой точке, расположенной ближе к прожектору, нежели точка С, то

где у - некоторое расстояние, меньшее которое можно определить приемом, описанным выше (для случая, когда

Необходимо отметить, что контуры I и III могут быть настраиваемы на любую L (с помощью переменных емкостей и самоиндукций), которая выбирается в зависимости от величины определяемых нами расстояний, точности, с какой мы желаем их определить, и приемов, какими мы пользуемся.

При использовании звуковых волн для измерения расстояний, а также для измерения скорости распространения звука в различных средах или наблюдения за изменением скорости распространения звука в одной и той же среде под влиянием каких-либо причин, вместо фотоэлементов 3 и 4 употребляют микрофоны 3 и 4 (фиг. 3), при чем конструкция прибора и действие его остаются во всем соответствующими вышеприведенному описанию, за исключением следующего: при пользовании звуками, распространяющимися отдельными импульсами (взрывы, звуки от ударов твердых тел), телефон заменяют каким-либо измерительным прибором. При пользовании музыкальными звукам, вполне пригоден телефон, но двухламповые выпрямители 9, 10, 11, 12 заменяются одноламповыми, иначе конденсаторы 13 и 14 не будут периодически принимать состояние нулевого потенциала, какое необходимо для периодической зарядки контура I и III.

На фиг. 3 поясняется один из возможных приемов для наблюдения за изменением скорости распространения звука, допустим, в твердом стержне A¹B¹ под влиянием каких-либо нам известных изменений его физического состояния, например-, температуры или развивающихся в нем напряжении.

Приложим звучащий камертон тона n колебаний в секунду к одному из концов стержня; тогда в телефоне 22 появится звук тона n колебаний в 1 секунду.

Незначительным передвижением микрофона 4 в ту или другую сторону регулируем звук в телефоне так, что он становится максимальным; тогда, очевидно, разность хода обоих интерферирующих в контуре II , где m - некоторое четное число, a L - длина волны, на которую настроены контуры I и III.

В свою очередь, , где - длина отрезка стержня между микрофонами 3 и 4, - скорость света и - скорость звука в стержне.

Если принять м; L=100 м, , то m=2000. Отсюда видно, что изменение , допустим, на 1,5 м/сек или на 1/2000 прежней своей величины, уже вызовет выпадение звука в телефоне, так как разность хода изменится на• Но, так как ухо в телефоне в состоянии уловить не только переход от максимума звука к полному его выпадению, а также и изменение его интенсивности, допустим, на 0,1, то, при помощи описываемого приема, возможно отметить изменение разности хода на , а следовательно, заметить изменение на 1/20.000 или на 1,5 см в секунду.

При использовании для измерения расстояний или изучения свойств различных - сред электромагнитных волн частоты порядка радиочастот, возможно воспользоваться обыкновенным источником затухающих или не затухающих радиоволн, излучение которых прерывается определенное число раз в секунду.

В качестве приемников, вместо фотоэлементов и микрофонов, возможно воспользоваться обыкновенными антеннами; переменная разность потенциалов антенной катушки усиливается обычным образом, переменный ток выпрямляется и создает пульсирующее напряжение на зажимах конденсаторов 13 и 14 совершенно так, как это описывается для случаев применения световых и звуковых волн.

На фиг. 4 изображен вариант прибора, в котором двухэлектродные лампы 17 и 18 заменены трехэлектродными лампами. В этом случае добавочный постоянный потенциал сеток трехэлектродных ламп отрегулировывается так, чтобы рабочая точка характеристик соответствовала началу появления анодного тока; тогда при нулевом потенциале на обкладках конденсатора 13 (фиг. 4) в цепи 15, I проходит незначительный электрический ток. Как только конденсатор заряжается, сетка получает отрицательный заряд, ток прерывается и контур I приходит в колебание; то же самое относительно контура III.

1. Способ определения отношений величин малых промежутков времени, в течение которых волноообразное колебательное движение проходит в данных средах определенные пути, в применении к измерению расстояний на земной поверхности и изучению свойств различных сред, отличающийся тем, что означенные отношения определяют по амплитудам колебаний электромагнитного колебательного контура II, в котором интерферируют колебания настроенных на одну и ту же длину волны контуров I и III, при чем в начале каждого из промежутков времени t, t₁, t₂, t₃ приводится в колебание один из контуров I, III, а в конце - другой так, что разность фаз интерферирующих колебаний, а следовательно, и амплитуда колебаний контура II зависит от величин t, t₁, t₂, t₃.

2. При указанном в п. 1 способе применение в качестве приспособления для приведения в колебание контуров I и III фотоэлементов 3 и 4 (фиг. 1) или микрофонов 3 и 4 (фиг. 2), или иных приборов, реагирующих на световые, звуковые или электромагнитные колебания, расположенных так, что на один из них падает колебательное движение в начале своего пути, проходимого за время t, t₁, t₂, t₃, и на другой - в конце, при чем образующийся под влиянием световых, звуковых или электромагнитных импульсов в цепях 1, 3, 5 и 2, 4, 6 электрический ток, усиленный и выпрямленный обычным образом, создает на зажимах конденсаторов 13 и 14, присоединенных к анодам двухэлектродных ламп 17 и 18, отрицательное напряжение, под влиянием коего цепи 15, 17, 19, I и 16, 18, 20, III, в которых при отсутствии импульсов циркулирует электрический ток незначительной силы от батарей накала 19, 20, размыкаются, и контуры I и III, каждый в соответствующий ему момент времени, приходят в колебание.

3. Видоизменение охарактеризованного в п. 2 приспособления, отличающееся применением вместо двухэлектродных ламп 17 и 18 - трехэлектродных, при чем добавочный постоянный потенциал сеток этих последних отрегулировывается так, чтобы рабочая точка характеристики соответствовала началу появления анодного тока.