Метод измерения скорости звука
SOUND SPEED MEASUREMENT METHOD

Изобретение относится к гидроакустике, а конкретно к устройствам для измерения скорости звука в текущих жидкостях и в воде, и может быть размещено как на стационарных, так и на подвижных объектах, движущихся с большими скоростями.
Скорость звука в жидких средах - одна из основных акустических характеристик среды, может быть определена непосредственно с помощью специальных приборов.
Известен измеритель скорости звука (ИСЗ), основанный на кольцевом методе измерения частоты следования импульсов, содержащий акустический приемопередающий преобразователь и отражатель, предварительный усилитель, усилитель мощности.
Известный ИСЗ погружается в исследуемую жидкую среду. При подаче напряжения электропитания на ИСЗ схема запуска излучения формирует электрический зондирующий сигнал, поступающий на акустический приемопередающий преобразователь, который формирует акустический зондирующий сигнал. Этот зондирующий сигнал, проходя через жидкую среду, достигает отражателя, отражается от него, достигает акустического приемопередающего преобразователя и преобразуется в электрический сигнал, который усиливается электронной схемой и снова подается на схему запуска излучения, и т.д. Таким образом, в ИСЗ устанавливается так называемый режим автоциркуляции. При этом электрический сигнал проходит путь: предварительный усилитель, электронный ключ, усилитель мощности, акустический приемопередающий преобразователь, далее акустический сигнал проходит в жидкой среде расстояние от акустического приемопередающего преобразователя до отражателя и обратно, преобразуется в электрический сигнал акустическим приемопередающим преобразователем и снова поступает на вход предварительного усилителя и т.д. Мультивибратор перезапускается сигналом от усилителя мощности и служит для поддержания автоколебательного режима при нахождении ИСЗ вне измеряемой жидкой среды (например, на воздухе), либо в случае прерывания акустического сигнала по каким-либо причинам (например, попадания посторонних предметов в жидкую среду между акустическим приемопередающим преобразователем и отражателем). Частота автогенерации (F) зависит от расстояния между акустическим приемопередающим преобразователем и отражателем, от скорости звука в жидкой среде и от задержек в электронной схеме устройства и рассчитана по известной в науке и технике формуле
где F - частота автогенерации, Гц;
V - скорость звука в жидкой среде, м/с;
L - расстояние между акустическим приемопередающим преобразователем и отражателем, м;
3
t - временная задержка импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, с.
Выходной триггер делит частоту автоциркуляции на 2 и подает ее на регистратор. Регистратор по частоте автоциркуляции (F) вычисляет значение скорости звука в жидкой среде (V) (Серавин Г.Н. Измерения скорости звука в океане. - М.: Гидрометеоиздат, 1979. - С. 84. - рис. 29 г.).
Недостатком этого устройства является наличие временной задержки импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, которая образуется при прохождении сигнала через предварительный усилитель, электронный ключ, усилитель мощности и которая приводит к нелинейной зависимости частоты следования импульсов от скорости звука, что, в конечном счете, вносит погрешность в значение скорости звука, полученную с помощью известного измерителя скорости звука.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является «Метод измерения скорости звука с использованием сигналов с несколькими несущими частотами», который предполагает следующие этапы: один элемент излучающей матрицы используется для излучения сигналов с несколькими несущими частотами, один элемент приемной матрицы получает сигналы и извлекает компоненты сигналов на разных несущих частотах, так что различная фазовая задержка, которая генерируется после могут быть получены компоненты сигнала, соответствующие разным несущим частотам, передаваемые на одно и то же расстояние; и извлеченные компоненты сигнала на множестве несущих частот используются для построения ковариационной матрицы, двумерный взвешенный вектор разрабатывается по измерению расстояния и измерению скорости звука; взвешенный вектор используется для выполнения двумерного сканирования ковариационной матрицы по измерению расстояния и измерению скорости звука, так что двухмерный выходной результат дает измерение расстояния и измерение скорости звука; и пиковое значение двумерного выходного результата ищется, и значение скорости звука в пиковом значении извлекается и принимается как результат измерения скорости звука. При использовании способа согласно изобретению не требуется точно знать расстояние передачи звука, также не требуется знать время передачи звука, и результат измерения с высокой точностью, близкий к истинному звуку, значение скорости может быть получено, так что в результате двумерного вывода получается размер расстояния и размер скорости звука; и пиковое значение двумерного выходного результата ищется, и значение скорости звука в пиковом значении извлекается и принимается как результат измерения скорости звука.
Недостатками этого устройства являются:
1) сложность конструкции, предполагающая наличие двух излучателей акустического сигнала на рабочих частотах со своими требованиями к конструкции;
2) сложность конструкции, предполагающая наличие двух приемников акустического сигнала на разных частотах со своими требованиями к конструкции;
3) Требования по идентичности параметров излучателя и приемника акустического сигнала для рабочих частот.
Перечисленные недостатки, присущие аналогу и прототипу, устранены в заявляемом техническом решении «Метод измерения скорости звука».
Цель изобретения - упрощение конструкции устройства, повышение быстродействия и точности измерения скорости звука в жидкой среде.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в использовании раздельной схемы формирования сигнала имеющей функцию создания импульсного сигнала с импульсного сигнала с собственной частотой заполнения и имеющего синфазную частоту огибания, при этом полученная фаза одной из частот является эквивалентом времени начала подачи сигнала и основанием для определения разности фаз между собственной частотой заполнения и частотой огибания полученного акустического импульса и соответственно для получения расчета замеренной скорости звука. Таким образом:
а) схема обработки импульсного акустического сигнала развязывается от акустических наводок и наводок в электрической схеме в виде сложного электрического сигнала (помеха), содержащего гармоники от принятых акустическим приемопередающим преобразователем акустических сигналов и преобразованных в электрические сигналы возникающих при совмещении схемы формирования сигнала и схемы обработки сигнала;
б) в получаемом импульсном акустическом сигнале нет n-отражений от отражателя;
в) кроме того, нет необходимости ждать окончания прихода ни отраженного импульсного акустического сигнала, ни п-отраженного импульсного акустического сигнала.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:
Признаки, указывающие что, схема формирования сигнала выполнена в виде схемы формирования сигнала имеющей функцию создания сигнала с информацией о том, что схема формирования сигнала имеет функцию создания импульсного сигнала импульсного сигнала с собственной частотой заполнения и имеющего синфазную частоту огибания, при этом полученная фаза частоты огибания является эквивалентом времени начала подачи сигнала и основанием для определения разности фаз между собственной частотой заполнения и частотой огибания частот полученного акустического импульса и соответственно для получения расчета замеренной скорости звука, при этом, схема обработки акустического сигнала полученного от приемника акустического сигнала, имеет функцию определения времени приема импульсного сигнала и функцию получения расчета замеренной скорости звука по разности информации о времени подачи сигнала и полученному времени приема цифрового сигнала с учетом запаздывания в линиях задержки. Таким образом, акустический сигнал выполняет двойную функцию как инициирующий элемент для считывания времени приема сигнала и как передаточный элемент информации о времени отправки сигнала, с упрощением как конструкции, так и уменьшением помех в среде измерения и с учетом наличия элемента синхронизации по отсчету времени как в схеме формирования сигнала, так и в схеме обработки акустического сигнала.
1
2
2
На Рис. 1 изображен ИСЗ, имеющий схему формирования сигнала 1, передатчик акустического сигнала 2, излучающий акустического сигнала 3 с собственной частотой заполнения f и имеющего частоту огибания f, при этом полученная фаза частоты огибания f является эквивалентом времени начала подачи сигнала и основанием для определения разности фаз частот полученного акустического импульса и соответственно, а также является эквивалентом времени нахождения акустического импульса в измеряемой среде 4. Далее акустический импульс 3 через измеряемую жидкую среду 4 и попадает на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6.
1
2
2
1
2
1
2
1
2
Метод измерения скорости звука работает следующим образом: Базисный принцип построения измерителя скорости звука определен согласно Рис. 1, когда схема формирования сигнала 1, через передатчик акустического сигнала 2, формирует и излучает импульсный акустический сигнал 3 с двумя функциями: когда метод измерения скорости звука работает следующим образом: схема формирования сигнала 1, через передатчик акустического сигнала 2, формирует и синфазно излучает импульсные акустические сигналы 3 с двумя функциями: а) с целью доставить импульсный акустический сигнал, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени приема акустического сигнала; б) с целью доставить импульсного сигнала 3 с собственной частотой заполнения f и имеющего отличную частоту огибания f, полученная фаза отличной частоты огибания f является эквивалентом времени начала подачи сигнала 3 и основанием для определения разности фаз приходящих частот f и f от передатчика акустического сигнала 2, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени отправки импульсного акустического сигнала. На схеме обработки акустического сигнала 6 происходит вычитание из фазы f фазы f принимаемого акустического сигнала 3, с последующим расчетом скорости звука. При этом фаза одной из акустических сигналов является эквивалентом временем подачи сигнала и соответственно является и самосинхронизатором акустического сигнала 3. Разность фаз f и f между принятого акустического сигнала 3 является значением для расчета времени прохождения сигнала и следовательно эквивалентом измеренной скорости звука, что и дает в свою очередь возможность дополнительно повысить соотношение сигнал/помеха.