ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ
Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для измерения вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в естественных водоемах.
Известны 1-3 измерители скорости звука в воде для естественных водоемов. Так в статье 1 приведены технические характеристики судового измерителя скорости звука, состоящего из измерительного зонда, погружаемого в воду на кабель-тросе посредством палубной лебедки, и береговой приемно-регистрирующей аппаратуры. Зонд содержит частотные датчики скорости звука и глубины, а также сумматор сигналов этих датчиков.
Бортовая аппаратура включает в себя входной усилитель, канал скорости звука и канал глубины. Каждый канал состоит из последовательно вкдпоченных разделительного фильтра, умножителя частоты, цифрового частотомера и преобразователя частота-код-напряжение. Выходы каналов подсоединены к соответствующим входам двухкоординатного самописца.
Достоинством данного измерителя скорости звука является высокая точность отображения результатов измерения вертикального распределения скорости звука в воде на цифровых индикаторах и диаграммной бумаге двухкоординатного самописца.
К его недостаткам следует отнести сложность бортовой аппаратуры и отсутствие автоматической связи с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ).
В работе 2 описан измеритель скорости звука в море, у которого измерительный зонд содержит цифровые датчики скорости звука и глубины. Выходные сигналы датчиков в виде соответствующих кодов по кабелю передаются в бортовую аппаратуру, состоящую из цифровых преобразователей кодов и соответствующих цифровых индикаторов измеренных значений скорости звука и глубины погружения зонда.
Достоинством этого измерителя скорости звука является относительная простота бортовой аппаратуры. К его недостаткам следует отнести сложность выполнения измерительного зонда с цифровыми датчиками скорости звука и глубины, а также отсутствие автоматической связи с ЭВМ.
Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является измеритель скорости звука, разработанный авторами статьи 3. Устройство состоит из погружаемого в воду на кабеле измерительного зонда и бортовой аппаратуры. Зонд включает в себя частотные датчики скорости звука и глубины, выходы которых подсоединены к соответствующим входам амплитудного модулятора, подключенного к кабелю.
G01 Н5/00
скорости звука и к входу канала (детектора) глубины. Выходы каналов подключены к соответствующим электронно-счетным частотомерам, на цифровых индикаторах которых одновременно в реальном масштабе времени отображаются измеренные значения скорости звука и глубины погружения зонда.
Достоинством данного измерителя скорости звука в воде является относительная простота его вьшолнения при высокой точности индикации измеренных параметров.
К недостаткам измерителя следует отнести отсутствие каких либо средств (автоматической регистрации на носителе, долговременной памяти и т.п.) запоминания измеренных данных по скорости звука и глубине погружения зонда. В процессе измерений снятие и запись показаний с цифровых индикаторов производится вручную.
Целью настоящей полезной модели является создание измерителя скорости звука в жидких средах (преимущественно для естественных водоемов) с автоматической индикацией, регистрацией и запоминанием измеренных данных и одновременно с возможностью их первичной обработки для повышения точности и интерполяции измеренного ВРСЗ.
Поставленная цель достигается тем, что к входам канала скорости звука и канала глубины через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) подключают персональную вычислительную машину (ПВМ), а выход амплитудного модулятора измерительного зонда и вход канала скорости звука и канала глубины бортовой аппаратуры подключают к кабелю соответственно через первую и вторую схему разделения постоянной и переменной составляющих сигнала.
Сущность полезной модели поясняется фигурами. Па фиг.1 изображена структурная схема измерителя скорости звука в жидкой среде. Па фиг.2 представлена блок-схема алгоритма определения ВРСЗ.
Предлагаемый измеритель скорости звука состоит (фиг.1) из измерительного зонда 1, в котором размещены частотный датчик скорости звука 2 и частотный датчик глубины 3. Пх выходы подсоединены к соответствующим входам амплитудного модулятора 4, подключенного через схему 5 разделения постоянной и переменной составляющих сигнала к кабелю 6. В зонде 1 размещен также вторичный источник питания 7.
Другим концом кабель подключен к бортовой аппаратуре 8 измерителя скорости звука, состоящей из канала скорости звука 9 и канала глубины 10. Входы каналов через схему 11 разделения постоянной и переменной составляющих сигнала подсоединены к кабелю 6.
Канал скорости звука 9 включает в себя последовательно включенные усилитель-ограничитель 12 и полосовой фильтр 13.
Канал глубины 10 включает в себя последовательно включенные амплитудный детектор 14, усилитель-ограничитель 15 и фильтр низких частот 16.
Выход фильтра 13 канала скорости звука и выход фильтра 16 канала глубины через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 17 подключены к соответствующим входам персональной вычислительной машины (ПВМ) 18. В бортовой аппаратуре 8 измерителя скорости звука размещен также вторичный источник питания 19.
Предлагаемый измеритель скорости звука в жидкой среде функционирует следующим образом.
Измерительный контейнер 1 на кабеле 6 опускается в жидкую среду (воду). По мере его погружения частотный датчик скорости звука 2 преобразует измеренные величины скорости звука в воде С в
соответствующие значения частоты выходного электрического сигнала
а частотный датчик глубины 3 преобразует величины гидростатического давления (глубины погружения //) в соответствующие значения частоты выходного электрического сигнала F{Hj.
В амплитудном модуляторе 4 зонда 1 выходной сигнал f{C) датчика скорости звука 2 модулируется по амплитуде более низкочастотным выходным сигналом Р(Н) датчика глубины 3. Амплитудномодулированный сигнал через конденсатор Cj схемы 5 разделения постоянной и переменной составляющих сигнала подается на кабель 6, с которого одновременно через индуктивность L схемы 5 поступает постоянное напряжение U. на вторичный
источник питания 7, преобразующий его в напряжения U, необходимые для
электропитания датчиков скорости звука 2 и глубины 3.
По кабелю 6 амплитудномодулированный сигнал от зонда 1 передается в бортовую аппаратуру 8 измерителя скорости звука и через конденсатор С
схемы 11 разделения постоянной и переменной составляющих сигнала поступает на канал скорости звука 9 и канал глубины 10.
В канале скорости звука 9 амплитудномодулированный сигнал усилителем-ограничителем 12 ограничивается сверху и снизу до полного снятия амплитудной модуляции и преобразуется в непрерывную последовательность симметричных прямоугольных импульсов (меандр), из которой полосовой фильтр 13 выделяет тональную составляющую частотой ), пропорциональной измеряемой скорости звука в воде.
В канале глубины 10 амплитудный детектор 14 выделяет огибающую амплитудномодулированного сигнала, которая усилителем-ограничителем 15 преобразуется в непрерывную последовательность симметричных прямоугольных импульсов (меандр), из которой фильтр низких частот 16 выделяет тональную составляющую частотой ), пропорциональной глубине Н погружения измерительного зонда 1.
с выходов каналов скорости звука 9 и глубины 10 тональные сигналы f(C) и F(H) через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 17 подаются па соответствующие входы персональной вычислительной машины (ПВМ) 18.
Вторичный источник питания 19 преобразует напряжение U бортовой
сети в напряжения U для электропитания канала скорости звука 9 и канала
глубины 10, а также в напряжение t/, которое через индуктивность L схемы
11 разделения постоянной и переменной составляющих сигнала поступает через кабель 6 в измерительный зонд 1.
АЦП 17 преобразуют непрерывные тональные сигналы с выходов канала скорости звука 9 и канала глубины 10 в последовательность отсчетов, каждый из которых является текущим дискретным значением соответствз ощего сигнала. Эти последовательности отсчетов по каждому каналу считываются ПВМ в цикле. Па каждом цикле считывается Nt отсчетов с частотой
К.
квантования
Далее ПВМ определяет текущие значения частот ) и ) сигналов каналов скорости звука и глубины, а затем находит соответствующие им измеренные значения величин скорости звука С и глубины Н, то есть значения  - вертикального распределения скорости звука ВРС).
Блок-схема используемого в ПВМ алгоритма приведена на фиг.2. Согласно этому алгоритму определение частот f vi F производится посредством нахождения числа переходов сигналов через ноль, номеров и значений ближайших отсчетов у первого и последнего переходов сигналов через ноль. Затем вычисляются временные интервалы между первым и последним переходом сигнала через ноль по формулам
€ 2- 011F.
С +Ис12 СМ
F.
см 2
:м2
СМ
Ah,
ЛМ2
hM2
hM
-временной интервал между первым и последним переходом сигнала через ноль по каналу скорости звука
-номер ближайшего отсчета после последнего перехода сигнала через ноль по каналу скорости звука;
-номер ближайшего отсчета перед первым переходом сигнала через ноль по каналу скорости звука; v4(jj А(2  см2  см  ,j hMi  А Частота сигн вычисляются по фо где М Ml По найденны вычисляются соотв Н, м погружения значение ближайшего отсчета перед первым переходом сигнала через ноль по каналу скорости звука; значение ближайшего отсчета после первого перехода сигнала через ноль по каналу скорости звука; значение ближайшего отсчета после последнего перехода сигнала через ноль по каналу скорости звука; значение ближайшего отсчета перед последним переходом сигнала через ноль по каналу скорости звука временной интервал между первым и последним переходом сигнала через ноль по каналу глубины; значение ближайшего отсчета после последнего перехода сигнала через ноль по каналу глубины; значение ближайшего отсчета перед первым переходом сигнала через ноль по каналу глубины; значение ближайшего отсчета перед первым переходом сигнала через ноль по каналу глубины; значение ближайшего отсчета после первого перехода сигнала через ноль по каналу глубины; значение ближайшего отсчета после последнего перехода сигнала через ноль по каналу глубины; значение ближайшего отсчета перед последним переходом сигнала через ноль по каналу глубины. алов по каналу скорости звука / и по каналу глубины F рмулам (М-1) (М1-1) число переходов сигнала через ноль за временной интервал t по каналу скорости звука; число переходов сигнала через ноль за временной интервал Т по каналу глубины. м текуш;им значениям частот / , Гц и / , Гц сигналов етствуюп ;ие им значения скорости звука С, м/с и глубины зонда по формулам 2/  2Г
H  (F-F,)/2K, где
FQ - значение частоты сигнала скорости звука нри И  0;
К - удельная нлотность воды в естественном водоеме, г/см .
С использованием вычисленных на каждом цикле считывания Nt отсчетов значений скорости звука С и глубины Н формируется С(Н) вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ).
Данные по измеренному ВРСЗ хранятся в долговременной памяти ПВМ и в любой момент могут быть выведены на дисплее, принтере или рекордере в виде таблицы или графика. Кроме того при необходимости ПВМ позволяет учесть в выведенных данных различные систематические погрешности измерения скорости звука и глубины погружения зонда, производить аппроксимацию и сглаживание значений С(Н).
Применение в бортовой аппаратуре 8 и измерительном зонде 1 схем 11 и 5 разделения постоянной и переменной составляющих сигнала позволяет передавать из бортовой аппаратуры 8 по кабелю 6 одновременно постоянное напряжение U в зонд 1 и переменные сигналы /(С) и F(H) от зонда 1 в
бортовую аппаратуру 8 по минимальному числу сигнальных жил. Достаточно использовать двухжильный кабель в пресной воде и одножильный - в морской воде. Это значительно расширяет функциональные возможности предлагаемого измерителя скорости звука и, в частности, упрощает оборудование для спуска (подъема) измерительного зонда.
Был разработан и изготовлен экспериментальный образец предлагаемого по данной полезной модели измерителя скорости звука в жидкой среде (воде). В качестве ПВМ был использован персональный компьютер IBM PC 486DX4/100 с многоканальной платой АЦП-ЦАП типа L-305 фирмы L-CARD.
Испытания в Ладожском озере показали удовлетворительное функционирование его в судовых условиях с заданными погрешностями измерения вертикального распределения скорости звука в воде.
ЛИТЕРАТУРА
1.Горская А.И., Жилина Н.А., Комляков В.А., Цветков В.А, Измерение скорости звука в морской воде. Геодезия и картография. 1982. N 6. С.52-54.
2.Sjnnd velocity profirer. Int. underwater Systems Design. 1986. N 2. c.44.
3.Бренев E.B., Кащеев А.И., Румянцев Д.П., Фороща B.C. Измеритель скорости звука в морской воде. Геодезия и картография. 1986. N 8. с.54-56.