СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ЗВУКА И ПРОФИЛЯ СКОРОСТИ ПОТОКА В ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ СРЕДАХ
DETERMINATION OF SOUND AND FLOW VELOCITY PROFILE IN GASES AND FLUIDS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрометеорологии для измерения профилей скорости звука и профилей скорости ветра в атмосфере и течения в водных потоках.
Известны способ и устройство измерения профиля скорости потока, использующие зависимость доплеровского смещения частоты отраженного от неодиородно-стей среды по трассе акустического сигнала от отношения встречной или попутной составляющей скорости потока к скорости звука в среде [1]. В этом способе не измеряет ся профиль скорости звука, которая предполагается известной и постоянной.
В реальной среде скорость звука зависит от стратификации и может изменятьсяпо акустической трассе в море, водоеме и в атмосфере на десятки процентов. Это приводит как к погрешностям измерения скорости потока, так и к погрешностям пространственной привязки по трассе результатов измерения.
Кроме того, профиль скорости звука представляет самостоятельный интерес.
Известные способы и устройства не обеспечивают одновременного измерения профиля скорости потока и профиля скорости звука.,,
Известен способ определения скорости потока в среде, использованный в измерителе WindSonic [2], выбранный в качестве прототипа, в котором, как и в заявленном техническом решении, используют отражатель и подключенные к блоку электроники четыре акустических преобразователя, размещенных в горизонтальной плоскости н вершинах квадрата, формируют поочередные передачу и прием отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, и фиксируют времена прихода отраженных сигналов.
Прототип не обеспечивает одновременного измерения профиля скорости по тока и профиля скорости звука.
В основу изобретения поставлена задача создания способа определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается технический результат возможность одновременного измерения профиля составляющих горизонтального вектора скорости потока и профиля скорости звука в среде и повышение точности измерений скорости потока и пространственной привязки профиля скорости потока.
Поставленная задача решается тем, что используют четыре акустических преобразователя, размещенных полярно на одной диагонали в горизонтальной плоскости в первой и второй, и в третьей и четвертой вершинах квадрата, и цепочку из η акустических отражателей, размещенных последовательно на держателе на оси, перпендикулярной плоскости квадрата и проходящей через центр квадрата, ориентируют акустические преобразователи на цепочку отражателей так, чтобы все отражатели 'нйходйлйЪь в области диаграммы направленности каждого из акустических преобразователей, формируют поочередные передачу и прием отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, фиксируют времена прихода последовательности сигналов, отраженных от цепочки отражателей, определяют ортогональные составляющие игоризонтального вектора скорости потока и значения скорости звука': и по осям х и у в слое между (i-1)-м и i-м отражателями по формулам
где  - времена прихода сигнала, излученного 1-м преобразователем,
отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 2-м преобразователем;
- времена прихода сигнала, излученного 2-м преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 1-м преобразователем;
- времена прихода сигнала, излученного 3-м преобразователем,.Отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 4-м преобразователем;
- времена прихода сигнала, излученного 4-м преобразователем,
отраженного соответственно (i-l)-M и i-м отражателями и принятого 3-м преобразователем;
- углы между горизонталью и направлением на соответственно (i-1)-й и i-й отражатели от каждого из преобразователей;
- расстояние по оси χ между 1-ми 2-м преобразователями и по оси у между 3 и 4 преобразователями;
Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстраций, на которых изображено:
фиг. 1 - схема перекрытия диаграмм направленности пары акустических преобразователей  (или пары преобразователей  на цепочке отражателей; фиг. 2 - схема акустических трасс преобразователей  фиг. 3 - схема профиля вектора скорости потока;
фиг. 4 - диаграммы последовательностей отраженных сигналов при работе пар акустических преобразователей
1
4
фиг. 5 - структурная схема устройства для реализации заявленного способа, которое содержит: 1 - блок электроники; 2 - подключенные к блоку электроники четыре акустических преобразователя  (соответственно Π-П); 3 сторона квадрата, в вершинах которого размещены преобразователи, при этом диагонали квадрата имеют длину  и ориентированы по осям х и у прямоугольной системы координат; 4 - держатель, установленный в центре квадрата по оси z; -n акустических отражателей закрепленных на держателе 4; фиг. 6 - 8 - примеры постановки в потоке устройства, реализующего заявленный способ.
1
2
1
2
1
2
i
Для измерения составляющей вектора скорости, например  в направлении оси x так, как это показано на фиг. 1, акустические преобразователи Π и Π размещаются на оси x на расстоянии  друг от друга, цепочка отражателей О, устанавливается на держателе, проходящем через середину отрезка между преобразователями Π и Π перпендикулярно к оси χ вдоль профиля измеряемых величин по оси z, диаграммы направленности преобразователей Π и П выполняются такими и ориентируется так, чтобы все отражатели находились в их области. Расстояния между отражателями О и число отражателей n устанавливаются исходя из требований пространственного разрешения по оси z и числа точек на профиле. Направление от преобразователей на i-й отражатель определяется углом а,.
xi
1
1
i
2
1
Измерения V производят в два такта. В первом такте обеспечивают передачу импульсного акустического сигнала преобразователем П, прием сигнала преобразователем П и фиксацию времен прихода  последовательности отраженных от цепочки отражателей O сигналов. Во втором такте обеспечивают передачу сигнала преобразователем П, прием сигнала преобразователем Π и фиксацию времен прихода  последовательности отраженных сигналов.
Далее для определения составляющих  скорости потока и  скорости звука, соответствующих значениям средних величин в слое среды от горизонтали по оси х и i-ым отражателем по оси z, используют известный метод двух встречных акустических сигналов [2], суть которого для рассматриваемого способа поясняется фиг. 2, где представлена схема акустических трасс и составляющая  вектора скорости-потока
При прохождении сигналом трассы  к скорости звука  добавляется проекция составляющей  вектора скорости течения, равная  и суммарная скорость сигнала составляет
Время прохождения трассы составит
xi
При прохождении сигналом трассы  составляющая вектора скорости течения V направлена встречно направлению распространения сигнала, поэтому суммарная скорость сигнала составляет  а время прохождения трассы составит
Из выражений (5) и (6) получим для средних скоростей в /-м слое от 0 до /-го отражателя
Для получения профиля средних скоростей необходимо определить, среднее скорости и в слоях между отражателями (i-1)-μ и i-м. Можно записать
i
где z - координата i -го отражателя по оси z.
Из выражений (9) и (10) для профилей составляющих скоростей в плоскости χοζ получим
Для получения профилей составляющих  скоростей в плоскости  yoz аналогично используется вторая пара преобразователей  выполняется передача и прием встречных акустических сигналов, фиксируются времена прихода отраженных сигналов  и используются формулы
Поскольку исходными для вычислений являются геометрические параметры схемы расположения преобразователей  и  а также времена прихода отраженных сигналов  то целесообразно записать выражения для профилей скоростей в явном виде (1)-(4):
Скорость звука  не является векторной величиной, однако, если  то имеет место анизотропия скорости звука по осям х и у в слое между (i-1)-м и i-м отражателями
1
2
3
4
В заявленном способе диаграммы направленности акустических преобразователей ориентированы так, что они захватывают все отражатели, для преобразователей и 2 2 - в плоскости χοz, для преобразователей 2 и 2 - в плоскости yoz, и направления акустических трасс на i -й отражатель составляют с горизонталью угол. При работе устройства пары акустических, преобразователей  последовательно излучают встречно импульсные акустические сигналы и принимают отраженные блок электроники 1 фиксирует времена прихода отраженных сигналов  и определяет профили составляющих скорости звука  и доставляющих скорости потока  по формулам (1) - (4).
1
2
1
2
Для осуществления способа в качестве отражателей 5, могут использоваться круги, диски, сферы. Держателем 4 может быть стержень, трос, фал. Устройство, может использоваться в водной среде в виде буя на растяжках с отражателями на тросе и акустическими преобразователями Π - Π, размещенными на буе (фиг. 6), на дне (фиг. 7). При использовании устройства в воздухе держателем 4 отражателей может быть мачта, а акустические преобразователи Π - Π могут быть размещены на поверхности земли (фиг. 8).