СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКИХ СРЕДАХ
METHOD OF DEFINING SOUND VELOCITY IN FLUIDS

Изобретение относится к акустическим измерениям и предназначено для использования в ультразвуковой технике, где необходимо знание скорости ультразвука.
Известны импульсные способы измерения скорости звука, основанные на определении временного интервала между моментами излучения и приема акустических импульсов при фиксированном времени распространения [RU 2208223]. Их основной недостаток - погрешность определения задержки принимаемого сигнала из-за изменения формы импульса при фиксированном пороге срабатывания, а также отсутствие учета изменения размера базы (расстояния между излучателем и приемником, или расстояния между акустоэлектрическим преобразователем и отражающем экраном) из-за температуры.
Известны частотно-временные измерители скорости звука в жидкостях [ПТЭ, 2003, №1, с.105-109], построенные по принципу следящего уравновешивания времени распространения акустического импульса в исследуемой среде на базовом расстоянии периодом импульса, кратным периоду колебаний управляемого генератора. Их недостатки в сложности достижения уравновешивания из-за паразитных задержек и отсутствия учета воздействия внешних факторов.
Существует двухчастотный способ измерения времени прохождения звуковой волной заданной базы, а соответственно, и скорости [DE 19841154]. Частоты выбираются достаточно близко, чтобы разностная частота обеспечивала однозначное определение скорости или времени распространения звука в заданном временном интервале. Полученная точность определения фазы таким способом не выше чем, например, в [RU 2208223, ПТЭ, 2003, №1, с.105-109].
Известны способы определения скорости при непрерывном излучении и приеме отраженной волны [SU 1797038]. Недостатком способов является неопределенность фазы сигнала при отражении от экрана.
Известен измеритель скорости звука, использующий непрерывное излучение с перестройкой частоты [Geophysics, v. 40, №6,1975, p.955-960]. В нем нет возможности исключить переотражения без существенного затухания в среде. Разность фаз и значения фазы, кратные 2π за счет изменения частоты, определяются на осциллографе по фигурам Лиссажу, что замедляет процесс измерения и уменьшает точность определения фазы. Наличие приемника и передатчика акустических сигналов усложняет конструкцию прибора.
Недостатком, присущим всем рассмотренным выше способам, является отсутствие контроля температуры исследуемой жидкой среды и учет влияния этой температуры на результаты измерений. Скорость звука в жидких средах при прочих равных условиях сильно зависит от температуры. Например, при измерениях скорости в морской воде, если за время проведения измерений произойдет изменение температуры на 1°С, скорость в воде может измениться на 0.25%, что приведет к увеличению относительной погрешности при измерении значения скорости звука (см. Справочник по гидроакустике/А.П.Евтютов и др. Л.: Судостроение, 1982, с.46). Кроме этого при проведении измерений появляется дополнительная погрешность из-за воздействия температуры на элементы конструкции, задающие базу измерения. Поэтому для проведения достоверных измерений скорости необходимо осуществлять контроль над температурой во время измерений.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения скорости ультразвука в жидких средах [RU 2193760]. В предложенном прототипе пьезопреобразователем излучается и принимается ультразвуковая волна от движущегося на фиксированное расстояние поршня отражателя. Непрерывно определяется величина доплеровского смещения частоты отраженной волны, с помощью которого при известном размере перемещения поршня определяется скорость звука. За счет неравномерного движения поршня-отражателя исключается неопределенность фазы сигнала при отражении. Недостатком прототипа является необходимость механического движения отражателя и притом неравномерного, требующего управления движением от ЭВМ по заданному закону, что не только усложняет конструкцию, но и приводит к недостаточно точному знанию размера базы и увеличивает время проведения измерений. Отсутствует возможность контроля температуры. Все эти факторы уменьшают точность измерения скорости звука.
При создании заявляемого способа была поставлена задача - исключить недостатки большинства других методов измерения скорости в жидкостях, такие как погрешность измерения из-за неопределенности фазы на излучателе и отражателе, отсутствие контроля температуры в исследуемой жидкой среде за время проведения измерений, погрешность измерения из-за воздействия температуры на элементы конструкции, задающие базу измерения. Исключения данных источников погрешности позволит повысить точность измерения скорости звука.
Техническим результатом заявляемого способа является увеличение точности измерения скорости звука.
0
к
0
к
Для достижения поставленной задачи способ определения скорости звука в жидких средах включает излучение с помощью электроакустического преобразователя ультразвуковой волны в жидкую среду и прием с помощью того же электроакустического преобразователя отраженной ультразвуковой волны от экрана, расположенного в жидкой среде на расстоянии L от электроакустического преобразователя. Дополнительно в способе электроакустический преобразователь выполняют широкополосным. И элементы конструкции, задающие расстояние L, выполняют таким образом, чтобы обеспечить изменение ΔL расстояния L в виде известной величины, которая зависит от температуры жидкой среды. Перед проведением измерений температуру жидкой среды и элементов конструкции, задающих расстояние L, уравнивают, а ультразвуковую волну формируют из непрерывного опорного гармонического сигнала в виде импульса с заполнением (радиоимпульс РИ) длительностью, меньшей времени распространения РИ от излучения до приема. При этом с помощью синхронизации обеспечивают одинаковость начальной фазы для опорного сигнала и сформированного радиоимпульса для всех частот заполнения. После приема отраженной ультразвуковой волны электроакустическим преобразователем определяют набег фазы отраженного сигнала относительно опорного синхронным детектированием путем умножения отраженного РИ на опорный сигнал и интегрированием по длительности РИ. Далее описанные измерения повторяют несколько раз и усредняют. При этом количество повторяемых измерений определяют исходя из требований точности измерений. После чего осуществляют запоминание полученного значения фазы. И данную последовательность операций повторяют для каждого шага дискретной перестройки частоты излучения в диапазоне перестройки частоты от минимальной F частоты до максимальной F. Шаг перестройки частоты берут таким, чтобы набег фазы за шаг перестройки не превышал π, для обеспечения однозначного определения фазы в интервале от 0 до 2π. Далее, используя последовательность записанных фаз при дискретном изменении частоты излучения, вычисляют полный набег фазы ΔФ при перестройке частоты от минимальной F до максимальной F. За весь интервал времени измерения скорости производят измерение средней температуры по всей области распространения ультразвука от электроакустического излучателя до отражающего экрана. И значение усредненной по времени и пространству температуры используют для вычисления ΔL изменения расстояния L в зависимости от температуры жидкой среды, а значение скорости звука определяют по формуле:
к
0
Относительная погрешность измерения скорости звука в данном способе определяется: точностью задания расстояния L, точностью определения изменения расстояния ΔL, стабильностью частот опорного сигнала и точностью определения полного набега фазы ΔФ, при этом, так как точность определения набега фазы в интервале от 0 до 2π всегда ограничена стабильностью частот опорного сигнала и точностью задания расстояния L, относительная точность определения полного набега фазы ΔФ увеличивается при увеличении разности между максимальной частотой F и минимальной F. Также относительная погрешность измерения скорости звука зависит от стабильности температуры в жидкости.
Предложенный способ измерения скорости звука основан на измерении фазового набега акустического сигнала, излучаемого на разных частотах в средах без дисперсии, то есть в средах, где нет зависимости скорости звука от частоты.
На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит электроакустический излучатель 1.1 и отражающий экран 1.2, помещенные в исследуемую жидкую среду 1.3 на расстоянии L, измеритель температуры 1.4, усилитель отраженного сигнала 2, синхронный детектор 3, интегратор с обнулением 4, устройство выборки и хранения сигнала 5, формирователь пачки импульсов и синхронизации 6, программируемый генератор 7, контроллер с АЦП 8.
0
к
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Контроллер 8 задает частоту программируемому генератору 7, с которого непрерывные колебания подаются на формирователь пачки импульсов и синхронизации радиоимпульсов (РИ) 6, а далее РИ электроакустическим преобразователем 1.1 излучается в жидкую среду 1.3, отражается от экрана 1.2 и принимается тем же электроакустическим преобразователем 1.1. С усилителя отраженного сигнала 2 сигнал поступает на синхронный детектор 3, куда в качестве опорного подается из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 непрерывный сигнал программируемого генератора. На выходе синхронного детектора 3 получается разностная и суммарная частоты принятого и опорного сигналов. Разность фаз синхронного детектора 3 выделяется в интеграторе 4, представляющем собой пиковый детектор с обнулением. По синхроимпульсу из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 отбрасывается несколько начальных периодов РИ в пиковом детекторе 4 и после этого из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 приходит строб, равный длительности РИ и разрешающий работу синхронного детектора 3 на время строба в данной посылке. Результат накопления импульсов пачки в интеграторе с обнулением 4 передается при поступлении синхроимпульса из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 в устройство выборки и хранения сигнала 5. Полученное напряжение поступает на вход АЦП 8 и при поступлении соответствующего синхроимпульса от формирователя пачки импульсов и синхронизации 6, преобразуется в цифровую форму и запоминается в оперативно запоминающем устройстве (ОЗУ) контроллера 8. После этого из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 поступает синхроимпульс на обнуление накопленного сигнала в интеграторе 4. Такие измерения повторяются несколько раз и усредняются. Затем контроллер 8 увеличивает частоту программируемого генератора 7 на заданную величину, и описанная процедура повторяется снова. Частоту программируемого генератора 7 пошагово увеличивают до достижения максимальной частоты излучения. В результате в контроллере 8 получается массив значений выходных напряжений, характеризующий последовательность записанных фаз при дискретном изменении частоты излучения от минимальной F до максимальной F. Используя полученный массив определяется полный набег фазы ΔФ.
-6
-1
-6
Предлагаемый способ был реализован в устройстве, схема которого представлена на чертеже. Расстояние L в устройстве задавалось с помощью инваровых (ГОСТ14082-78) стержней, закрепленных между корпусом электроакустического излучателя 1.1 и экраном (отражателем) 1.2. Исходя из паспортных данных на инвар, в которых температурный коэффициент линейного расширения инвара составляет 1·10Кв диапазоне температур 20-80°С, осуществлялся расчет изменения ΔL расстояния L в зависимости от температуры. В качестве электроакустического излучателя 1.1 был использован пьезопреобразователь - ЦТС-19. Данное расстояние L составляло 120 мм, с относительной точностью не хуже 2·10 (измерение длины проводилось в дистиллированной воде при 20.00°С). При измерении скорости звука производился контроль температуры протяженным на размер базы термометром 1.4 с точностью 0.1°С. Точное измерение температуры в интервале времени проводилось для определения разброса температур dТ. Усредненная по времени температура использовалась для учета изменений L введением соответствующих поправок ΔL при обработке данных в микропроцессоре.
Измерения скорости звука производились в дистиллированной воде. Количество импульсов в пачке составляло 35, из которых 5 начальных отбрасывались. Частота следования - 1кГц, минимальная частота излучения - 1 МГц, максимальная частота излучения - 1.3 МГц. Шаг по частоте в 1.5 кГц был взят из условия, что при шаге изменения частоты ультразвука, равном 3.1 кГц, сдвиг фазы равняется π, а для однозначного определения фазы в интервале от 0 до 2π набег фазы за шаг перестройки частоты не должен превышать π. Перед проведением измерений было выдержано время, необходимое для уравнивания температур жидкости и элементов конструкции, задающих расстояние L. Время измерения одного значения скорости составляло около секунды. Температура жидкости во время измерений составляла 20.00±0.1°С, разброс измеренных значений температуры за время измерений не превышал величину погрешности термометра. Была получена точность измерения фазы не хуже 3°. Полученное значение скорости звука в дистиллированной воде составило С=1482.4±0.4 (при точности измерения температуры ±0.1°С). Относительная точность определения скорости звука составила:
-6
-6
где - относительная погрешность определения расстояния L, равная 2·10,  - относительная погрешность определения поправки ΔL, равная 1·10,
0
-6
- относительная погрешность определения частоты F, равная 1·10,
k
-6
- относительная погрешность определения частоты F, равная 1.3·10,
-5
- относительная погрешность определения полного набега фазы ΔФ, равная 9·10,
-4
- относительная погрешность, связанная со стабильностью температуры при измерениях, равная 2·10,
-1
- коэффициент, характеризующий изменение скорости в жидкости при изменении температуры на 1°К (для воды ≈2.8(м/с)·К), при измерениях dT=0.1K.