Устройство для определения скорости распространения упругих колебаний в твердых средах Советский патент 1936 года по МПК G01H5/00 

Точное определение скорости распространения упругих волн в массе твердых тел любой формы при небольших базах для измерений может иметь практическое применение, а именно:

1)при микросейсмической горной разведке, т. е. при сейсмической разведке, имеющей дело с небольшими глубинами залегания исслед емых объектов;

2)при изучении упругости строительных материалов и целых строительных сооружений.

Косвенные методы измерения скорости звука, исг7ользующие стоячие волны, npHMeHHr-ibi только к образцам твердого тела небольших размеров, ибо все они основаны на приведении в звучание струн, стержней, пластинок или трубок, вырезанных или изготовленных из веш,ества, скорость звука в котором требуется определить.

Для образцов небольших размеров, долженствующих сохранить естественные условия первоначального из залегания в массиве, а тем более в самих массивах, например, в почве или в каком-либо инженерном сооружении, косвенные методы, очевидно, непригодны.

Для этой цели единственно пригодными окажутся прямые методы, использующие бегущую волну и определяющие

(125)

скорость звука из формулы С - Де

С-скорость, 5-путь и t-время.

Эти методы пригодны для всяких тел любой формы, но здесь при ограниченных размерах твердого тела, скорость звука в котором требуется определить, встречаются с большими трудностями в измерении очень малых промежутков времени. В самом деле, для измерения скорости упругой волны с точностью хотя бы до , наприг ер, в почзе (принимая С 1000 сек}, при базе для измерения в 10 м, несоходямо измерять промежутки времени порядка сек. с точностью до сек. Та;-;ую точность у. не смогут дать обь:; ;огзеннь;е хронографы или осциллографы, предел для которых составляет . сек., причем перейти этот предел мохно только чрезкернь;м увел;1чен;-:см скэрост;-; движения светочувстЕителькоч (для осциллографос), что ведет ; труцно осуществимым на практике оптическим условиям работы.

Дальнейшее уменьшение базы для измерений потребует измерения еще меньших промежутков времени, что явно неосуществимо для всяких механических устройств вследствие неизбежной инерции всех их движущихся частей.

Существует один метод прямого определения скорости звука, не применяющий механических устройств, это метод Шмидта, основанный на бинауральном эффекте (см. Н. Geigeru. К. Scheel, Handbuch der Physik, 1927 13/Vlll s. 611 u. M. Reich u. O. Stierstadt „Mpssung der Schallgeschwindigkeit von Stoffen Physik. Zeitschr. 1931 N°№ 1 и 8.)

Бинауральный эффект дает возможность на слух весьма точно измерять очень малые промежутки времени, а потому метод Шмидта, усовершенствованный в дальнейшем Рейхом и Штирштадтом, дает большую точность в измерении С (до нескольких pro mille в твердых телах при базах порядка 1 метра).

Однако использовать бинауральный эффект для измерения скорости звука в сплошных массах твердых тел любой формы не представляется возможным из-за того, что на слух действует не только прямая (бегушзя) звуковая волна, но и отраженные волны, которые образуются на всех границах твердого тела с воздухом, а также от всех неоднородностей, имеющихся в твердой среде, так что целый ряд непрерывно следующих друг за другом отражений попадает в уши в самое различное время и локализация звука в средней плоскости (бинауральное центрирование) становится невозможным.

Только в твердых телах в форме длинных стержней (форма, дающая минимум отражений) Шмидту удавалось весьма точно (до нескольких pro mille) определять скорость звука, причем, чем слабее звуковые импульсы, задаваемые твердому телу, тем легче оказывалось возможным освободиться от мешающего действия отражений.

Предлагаемое специальное катодное устройство позволяет совершенно безъинертным и лишенным запаздывания способом отрезать от бегущей звуковой волны головную ее часть так, что все последующие за головной частью бегущей волны отраженные волны совершенно не подействуют на приемник (например, телефон).

Такое устройство и предлагается к применению для измерения скорости звука по методу бинаурального слушания в твердых телах любой формы. Схема его представлена на приложенном

чертеже, на котором /, 2, 5 представляют три электрических сейсмографа, например, микрофонные сейсмографы. Сейсмографы /, 2 установлены на твердом теле, скорость звука в котором измеряют, например, на почве, на расстоянии один от другого, равном базе для измерений, например 1-2 метра.

Сейсмограф 3 служит специально для отсечки отраженных волн и вообще нежелатепьных колебаний и находится на почве на расстоянии нескольких метров от сейсмографа 2.

На прямой, соединяющей все три сейсмографа, слева (зт сейсмографа 7 по почве задаются непрерывные и часто следующие друг за другом удары какимлибо орудием, например, трамбовкой.

Лампы // и /J и батареи J9 и 20 включены последовательно и образуют собой электрический мостик, в среднюю ветвь которого вкдючен промежуток сетка-нить лампы 72. При помощи потенциометра 23 на сетку лампы 72 можно задавать любой потенциал; задают ей такой отрицательный потенциал, чтобы рабочая точка характеристики этой лампы находилась у самого начала возникновения анодного тока; тогда через телефон 32, находящийся в анодной цепи эгой лампы, ток проходить не будет.

Как только головная часть упругой волны, распространяющейся на почве от места удара, достигнет микрофона 7, в электрической цепи последнего начнет возникать импульс электрического тока, который через трансформатор 4 подействует на сетку лампы 7/. Полярность батареи в цепи микрофона / должна быть подобрана так, чтобы первая полуволна от каждого удара по почве задавала на сетку лампы 77 всегда минус, а потому при подходе головной части упругой волны к микрофону 7 сопротивление лампы 77 в первый момент времени всегда увеличится; вследствие этого в тот же момент отрицательный потенциал на сетке лампы 72 уменьшится и в анодной цепи последней, а следовательно и через телефон 32 пройдет некоторый ток.

В следующий момент времени головная часть упругой волны подойдет по почве к микрофону 2 и вследствие такого же самого процесса, который описан

выше, но уже при посредстве ламп 75, /б, 17 и батарей 2/, 22 пройдет некоторый ток и через телефон 31.

Слухач у телефонов слышит удары по почве в оба телефона и известным способом, при помощи специального компенсатора добивается локализации звука в средней плоскости; по отсчету этого компенсатора, зная расстояние между сейсмографами / и 2, общеизвестным способом получают скорость звука в почве.

Сейсмограф 3 не допускает к телефонам мешающие бинауральному слушанию колебания следующим образом: через некоторый промежуток времени после попадания головной части упругой волны в микрофон 2 головная часть этой волны подойдет к микрофону J; величина этого промежутка времени зависит от расстояния между сейсмографами 2 и 3, 3 потому при малых расстояниях величина эта может быть взята очень малой, порядка тысячных долей секунды.

Чувствительность микрофона 3 при помощи регулировки реостатов S, 9 и W подбирается значительно большей, чем чувствительность любого из микрофонов /, 2.

В момент попадания головной части упругой волны Б микрофон 3 на сетках ламп 13 и /7 появится относительно большой отрицательный потенциал и сопротивление этих ламп значительно увеличится или даже они совсем окажутся „запертыми.

Вследствие этого в момент попадания головной части упругой волны в микрофон 3 на сетках ламп 12 и 16 отрицательный потенциал значительно увеличится и анодный ток в цепи этих ламп, появившийся под влиянием воздействия головной части упругой волны на микрофоны 7, 2, мгновенно исчезнет. Совершенно очевидно, что головная часть упругой волны, последовательно попадающей во все три микрофона, произведет в цепи телефонов 31 и 32 электрический импульс, длящийся только очень короткий промежуток времени, именно в цепи телефона 32 электрический импульс будет длиться от момента подхода головной части волны к микрофону / до момента подхода к микрофону 3, соответственно в цепи телефона 31-от момента подхода к микрофону 2 до момента подхода к микрофону 3.

После попадания головной части волны в микрофон 3 никакого тока в цепи телефонов не может быть, ибо на сетках ламп 72 и 16 находится большой отрицательный потенциал, а все последующие за головной частью упругой волны отраженные волны и вступления, составляющие мешающий бинауральному слушанию .хвост, только увеличивают и поддерживают отрицательный потенциал на сетках ламп 72 и 16, ибо через диоды 14 и 18 заряжают конденсаторы 25 VI 27 1л создают минус на сетках ламп 13 и 77.

В промежутках времени между каждыми двумя ударами по почве заряды конденсаторов 25 и 27 успевают стечь через сопротивления 25 и 25 и освободить все устройство для приема упругих волн от следующего удара по почве.

Осциллограммы (вместо телефонов 31 и 32 включаются осциллографы) показывают, что запись ударов по почве, воспринимаемых сейсмографами 7, 2, J, включенными в вышеописанную схему, не носят характера обычных сейсмограмм, на которых видно, что каждый удар по почве вызывает массу вступлений, но носят характер отдельных выбросов, не сопровождаемых „хвостом из вступлений.

Непосредственное выслушивание в телефоны, включенные в вышеописанную схему, показывает, что удары по почве слышатся, как очень резкие, отчетливые звуки, чрезвычайно пригодные для точного определения направлений, а следовательно и для пользования бинауральным методом.

Предмет изобретения.

Устройство для определения скорости распространения упругих колебаний в твердых средах при помощи бинаурального слушания, отличающееся тем, что, с тою целью, чтобы на приемные телефоны действовала только головная часть бегущей волны, действие же всех последующих за головной частью отраженных волн и прочих мешающих бинауральному слушанию колебаний устранялось, применены включенные последо«ательно триоды 7/, 13, потенциометр 23 в батареи 19 и 20, образующие электрический мостик, в среднюю ветвь котороfo включена сетка-нить лампы 12, так то при попадании головной части упругой волны в приемник 7, установленный на сетке лампы 12, отрицательный потенциал уменьшается и в цепи телефона 32 начинает нарастать электрический импульс.

.н.М-.

25 Я