ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
TIME-OF-FLIGHT METHOD OF DETERMINING SOUND SPEED IN LIQUID MEDIUM AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к области метрологии и измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для определения скорости звука в жидких средах.
Известен времяпролетный способ определения скорости звука, заключающийся в формировании базы измерения с помощью двух расположенный напротив друг друга пьезопреобразователей - передающего и принимающего звуковые импульсы [Авторское свидетельство СССР, СССР, №1483285, кл. GOIH 5/00, 1987] [1].
Известно устройство для реализации способа, содержащее передающий пьезопреобразователь, приемный пьезопреобразователь, генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов, подключенные соответственно к передающему и приемному пьезопреобразователю [1].
Недостатком известных способа и устройства является низкая точность задания базы измерения, а значит, и низкая точность определения скорости звука в среде.
t
Р
Известен времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L, один от другого, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прихода которых судят о скорости звука в жидкой среде [И.Л. Кузнецов. A.M. Молоков, Ф.П. Шнитман. Анализ точности времяпролетного преобразователя скорости звука в воде. Сб. Научн. трудов ВНИИФТРИ. Гидрофизические измерения. М., 1985. С.33-39] [2].
t
Р
Известно устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед (далее - параллелепипед) длиной L, с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним торцом на основании, рабочий измерительный объем, электрически последовательно соединенные генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь (далее - пьезопреобразователь), установленный напротив свободного торца стержня и основания, и измеритель временных интервалов, поключенный к пьезопреобразователю [2].
Данные способ и устройство приняты за прототипы. Недостатком прототипов являются недостаточно высокая точность определения скорости звука в жидкой среде, связанная с погрешностями из-за дифракционных (краевых) эффектов разделения звукового луча по сечению на два, изменений температуры и давления среды, а также отсутствием элементов юстировки, от которых зависит параллельность базы измерения и направления перемещения звуковых импульсов.
Первый вид погрешности связан с тем, что в прототипе один преобразователь одной половиной расположен над параллелепипедом, задающим базу измерения, а второй половиной - над звукоотражающим основанием рабочего измерительного объема, что неизбежно вызывает дифракционные эффекты на краю параллелепипеда. Второй вид погрешности связан с отсутствием средств юстировки звукоотражающего основания относительно направления оси диаграммы направленности излучения пьезопреобразователя, что приводит к неточному формированию длины базы измерения.
Кроме того, в прототипе пьезопреобразователь непосредственно контактирует с жидкой средой, которая может находиться под высоким давлением и при высокой температуре. Это неизбежно влияет на характеристики пьезопреобразователя и точность измерения времени распространения звуковых импульсов, а значит, и точность определения скорости звука.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является устранение указанных недостатков, то есть повышение точности определения скорости звука.
t
Р
t
Р
1
2
3
4
5
6
7
8
Данный технический результат достигается тем, что в известном времяпролетном способе определения скорости звука в жидкой среде, заключающемся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых сигналов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L, один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерения L, судят о скорости звука в жидкой среде, используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения:
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>L</mi><mrow><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>P</mi></mrow></msub><mo>±</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>L</mi><mrow><mi>t</mi><mi>P</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>4</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>6</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>8</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                          (1)</mtext></mrow>
t,P
где ±ΔL - поправка на допускаемую недоюстировку.
t,P
В части устройства технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, параллелепипед длиной L с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, рабочий измерительный объем, генератор электрических импульсов и пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца стержня и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, дополнительно введены плоскопараллельная пластина, установленная в верхней части устройства, три дополнительных пьезопреобразователя, электрически подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличье колесо, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведены основные элементы устройства, на фиг.2 - расположение пьезопреобразователей относительно плоскопараллельной пластины, на фиг.3 - диаграмма, поясняющая принцип реализации способа, на фиг.4 - временная диаграмма, поясняющая существо способа.
t,P
Устройство содержит параллелепипед 1 с плоскопараллельными полированными звукоотражающими торцами 2, 3, задающими базу измерения L. Параллелепипед 1 закреплен одним из торцов, например торцом 3, на звукоотражающем основании 4 рабочего измерительного объема 5 с жидкой средой.
Связующим звеном основания и верхних частей устройства является беличье колесо 6 и элементы юстировки (являющиеся элементами ноу-хау в части устройства заявителя) параллелепипеда 1 относительно направления распространения звуковых сигналов. Через отверстия беличьего колеса 6 жидкая среда проникает в зону измерения скорости звука. Объем 5 закрыт крышкой в виде плоскопараллельной пластины 7, установленной на беличьем колесе 6 параллельно звукоотражающему основанию 4. На плоскопараллельной пластине 7 снаружи установлено четыре пьезопреобразователя 8, …, 11 (фиг.1, 2). Пьезопреобразователи 8, 9 и 10, 11 расположены на периферии пластины 7 диаметрально противоположно, как показано на фиг.2.
При этом звукоотражающие поверхности торца 2 параллелепипеда 1 и основание 4 рабочего объема 5 выполнены из одного материала, например, нержавеющей стали.
Устройство также включает в себя генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов (на чертеже не показаны), подключенные к преобразователям 8, …, 11.
Lt,P
t,P
В основе любого времяпролетного способа определения скорости звука, в том числе в аналоге, прототипе и заявленном способе, лежит необходимость точного измерения величины базы измерения  и времени τ ее прохождения звуковыми импульсами. Использование в качестве базы измерения параллелепипеда 1 со звукоотражающими торцами 2, 3 позволяет при заданных температуре t и давлении P с большой точностью задать величину базы измерения при использовании современных образцовых средств измерения длины. Основные виды погрешностей в измерении величины базы измерения в этом случае будут проявляться из-за влияния температуры t и давления P, а также из-за недоюстировки устройства (не совпадения направлений вертикальных граней параллелепипеда 1 и направления движения звуковых импульсов). Способ определения последнего вида погрешности в величине (±ΔL) является ноу-хау заявителя в части способа.
Значения поправок на длину базы измерения при изменениях температуры t и давления P рассчитываются по известным зависимостям [А.А. Александров, Д.К. Ларкин. Экспериментальное определение скорости ультразвука в воде в широком диапазоне температур и давления. Теплоэнергетика, 1976, №2, 75-78]. Погрешность из-за разъюстировки устройства легко устраняется в предложенном техническом решении введением плоскопараллельной пластины 7 и пьезопреобразователей 8, …, 11.
С другой стороны, расположение пьезопреобразователей 8, …, 11 по внешней стороне пластины 6 по отношению к исследуемой среде позволяет исключить влияние среды на характеристики пьезопреобразователей, а значит, на измерение длины базы и времени распространения звука.
t,P
Однако введение данных признаков приводит к появлению на пути распространения звуковых импульсов четырех (а не двух, как в прототипе) звукоотражателей “а”, “б”, “в”, “г” (фиг.1) и, как следствие этого, к появлению двух отраженных от этих звукоотражателей звуковых импульсов на входе каждого пьезопреобразователя. В связи с этим определение времени τ прохождения звуковыми импульсами базы измерения L носит более сложный характер, чем в прототипе, в котором время τ равно разности времен прихода звуковых импульсов, отраженных от границ базы измерения.
1
2
3
4
5
6
7
8
На фиг.1 условно стрелками показаны звуковые импульсы τ, τ, τ, τ, последовательно поступившие на вход пьезопреобразователей 8, 9 после отражений от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, а также звуковые импульсы τ, τ, τ, τ, последовательно отразившиеся от звукоотражателей “б”, “в”, “б” и пришедшие на вход пьезопреобразователей 10, 11.
На фиг.3, 4 для ясности данные отражения показаны во временной последовательности.
1
Импульс τ условно характеризует интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 8).
2
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения последовательно от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, как следует из второй диаграммы на фиг.2 (пьезопреобразователь 8).
3
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 9).
4
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента их приема, когда они последовательно отражаются от звукоотражателей “а”, “в”, “а” (пьезопреобразователь 9).
5
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 10).
6
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 10).
7
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 11).
8
Импульс τ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 11).
Нетрудно заметить, что для пьезопреобразователей 8, 9 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “а” (фиг.1-4), будет равно
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mmultiscripts><mo>−</mo><mprescripts /><mn>4</mn><none /></mmultiscripts><msub><mi>τ</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mtext>                             (2)</mtext></mrow>
Аналогично для преобразователей 10, 11 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “б” (фиг.1-4), будет равно
<mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mn>6</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mmultiscripts><mo>−</mo><mprescripts /><mn>8</mn><none /></mmultiscripts><msub><mi>τ</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mtext>                             (3)</mtext></mrow>
t,P
Время прохода звуковым импульсом базового расстояния L в таком случае будет равно разности величин (2) и (3). Поделив на полученное время величину базы измерения, получим уравнение (1) для определения скорости звука предложенным способом.
Способ реализуется следующим образом.
Сначала с помощью пьезопреобразователей 8, …, 11 (фиг.2) и элементов юстировки осуществляют юстировку основания 4 относительно пластины 7 по равенству времен прохождения импульсом слоя жидкости в измерительном объеме. Разность между временами на практике не должна превышать 10 нc.
1
8
t,P
Последовательно или одновременно от пьезопреобразователей (8, 9) и (10, 11) к звукоотражателям “а” и “б”, соответственно, направляют звуковые импульсы с помощью генератора электрических импульсов и измеряют времена τ, …,τ и при известности базы измерения L по формуле (1) и при использовании ноу-хау в части способа определяют скорость звука в жидкой среде.
В данном способе отсутствуют погрешности, связанные с наличием дифракционных эффектов, поскольку звуковые импульсы не попадают на края параллелепипеда 1 в отличие от прототипа.
На результаты измерений не влияют изменения физических характеристик среды, поскольку пьезопреобразователи 7 и 8 не контактируют с ней.
С помощью элементов юстировки (ноу-хау в части устройства) и при использовании поправки (ноу-хау в части способа) с помощью заявленного устройства определяется скорость звука в жидкой среде с высокой точностью (0,01…0,05) м/с в диапазоне скоростей звука в жидкой среде (800…2000) м/с.
Этим достигается поставленный в заявке технический результат.