Способ измерения приращения скорости распространения акустических колебаний в среде

 

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для определения приращения скорости распространения акустических волн в движущихся средах. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей - достигается за счет одновременного измерения изменений фазы колебаний, принимаемых первым (излучающим) и вторым преобразователями, образующими плоский резонатор в исследуемой среде. Изобретение может быть применено для изучения конвекции в жидкости и газе.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„SU „„1504521 (51)4 С 01 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ где U, Ы ампли туд а; частота; начальная фаз а подав аемо го напряжения, i= 1 время.

К-- Ч =V+V

1 о r

1 (3) U U exp(i(et+ ч,) j, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2!) 4357750/25-28 (22) 04.01.88 (46) 30.08,89, Бюл. У 32 (71) Белорусский институт механизации сельского хозяйства (72) В.И.Крылович и А.С.Рубанов (53) 534,22(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 1221499, кл. С Ol H 5/00, 1985 ° (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ IIPHPAI|IEHHH СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ

КОЛЕБАНИЙ В СРЕДЕ (57) Изобретение относится к области

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения приращения скорости распространения акустических волн в движущихся средах.

Цель изобретения — повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения скорости течения исследуемой среды.

Способ измерения приращения скорости распространения акустических колебаний может быть осуществлен следующим Образом.

Излучают первым электроакустическим плоским преобразователем акустические гармонические колебания в исследуемую среду. Для этого на вход преобразователя подается гармоническое напряжение вида

2 акустических измерений и может быть использовано для определения приращения скорости распространения акустических волн в движущихся средах.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей — достигается за счет одновременного измерения изменений фазы колебаний, принимаемых первым (излучающйм)и вторым преобразователями, образующими плоский резонатор в исследуемой среде. Изобретение может быть применено для изучения конвекции в жидкости и газе °

Тогда вдоль оси О„, направленной по нормали от излучающей поверхности преобразователя, будут распространяться акустические гармонические колебания, уравнение которых запишется так:

g (х, t) =а11 ехр (— dx) exp (i (vt-К, х+

+,+ср)), (2) где а ехр (i 4) = g (О, t) /U; а и — константы линейного (прямого) электроакустического преобразователя;

d — - коэффициент поглощения акустических волн в среде

1504521 где V — скорость распространения аку0 стических волн в невозмущенной среде;

V, — скорость течения среды вдоль 5 оси Ох °

Формируют в среде между первым и вторым преобразователями поле квазистоячих акустических волн, Дйя этого на пути иэлученных пер- 10 вым преобразователем колебаний на некотором расстоянии Ь от него располагают второй плоский электроакустический преобразователь, плоская поверхность которого перпендикулярна 15 направлению распространения колебаний, с коэффициентом отражения г ехр(id ).

Тогда отраженная от второго преоб разователя акустическая волна будет описываться уравнением

Учитывая многократные отражения волн от первого и второго преобразователей, исходя из формул (4) и (5), можно получить уравнение, описывающее колебания в любой точке резонатора аБо ехр -d х) м(х, t)w

1-2R cos (2К,Ь- d,-ä,)+К ?

° exp(i(t-K,х+ Ч,+y)) 1 1+г.?ехр (-2Ы(Ь—

-х)) ехр f-i(2K,(L-х)- d )I-R exp (i (2Ko L- d,- d?)) -г К exp(2o((L-хЦехрli(2К,х- <Р,) 7 э (7) где r „exp (i d,) — коэффициент отражения волн от первого преобразователя, R=r,r ехр(-2a(L) . (8) Принимают вторым преобразователем акустические колебания, На выходе второго преобразователя в силу линейности обратного электроакустического преобразования возни-! кает напряжение

g "(х, t) а11ог, ехр (ъ(Ь) ехр (-о((1-х) 3 "

«ехр 1(et-K„L-К (Ь-х)+ q,+4+ Я (4) 25 (5) Ы где К = — V =--Ч -V ? Ч 1 ? о т ° ?

U1=агехр (1 Ч2) (™, t), где а? и с - константы этого преобр азо в ания .

Из (7) получаем выражения для амплитуды напряжения

При V ((Чо из (3) и (5) следует

К,=К.(1 -×ò )1 К.= .(1+ -- )1 (6) 30

V VT о

Чo

К +К =2Ко, 1U< а а U exp (-d 1.)" (9) 1-R дЯ к 1-2R cos(2K L- d,— dz)+R

V 1 МЬ ЫЧтЬ

-2 — - ЬЧ+ = Vo Ч V

Или, учитывая, что ЬЧ /V c(1 г шЬ

Д((а

1-2R сов(2К Ь-Д „- cP?)+R? Ч

aV+

V (11) о

Ко1 d1 d 2 2ЯЯе mOâ 1, 2ý ° ° ° в (12) а максимальное значение крутизны будет определяться выражением

DU 1+К L

4ы) екс ) -1? Ч (3) Выбирают частоту излучаемых колебаний или акустическую базу измеТогда вместо выражения (11) получим и его фазы ц?.?

r тз?.п<Р?-К(з1п(2КоЬ вЂ” Р„-. А)+г?здп(2К Ь- А) Т

К Ь) — — — (— -(- - — — (° (10)

2 о 1 " 1+г cosdq-R(cos (2КоL- d d )+r cos (2КоЬ- 1))

В отсутствие течения среды K„=K. рительной системы, соответствующими

Если изменяется с течением времени . 40 локальному максимуму крутизны завискорость распространения колебаний симости фазы принимаемых вторым преV и возникает движение среды, то образователем колебаний от частоты о в соответствии с соотношениями (6), излучаемых колебаний. (10) фаза принимаемых вторым преобразователем колебаний получит прира- 45 Из анализа выражения (10) для фащение, зы принимаемых колебаний вторым преобразователем следует, что при с((аК указанное выше условие выбора частогь д излучаемых колебаний или акустической базы L соответствует условию! 50452 (15) IU„lа а,П

R =— о

1 и его фазы ц 1 (16) Ro sin (2K L-d2 -R sin 2К,1- А-d2 +ККо $1п, (17) 1+Rо cos (2Kо L- d 2) -R c os (2Ко L- d, - d 2) -RRî co s d, ч2 1чзв

CdL а

---- д( а2 ) (20) выра45 при (18) 5 ф =(--- nV+V ) — . !

+К ж?. (14)

1-R V

Измеряют изменение фазы принимаемых вторым преобразователем коле5 баний.

Как видно иэ формулы (14), изменение дс принимаемых вторым преобразователем колебаний обусловлено как возникновением течения среды со ско- 10 ростью Ч, так и приращением ьЧ скорости распространения колебаний за счет изменения каких-либо внешних условий (например, температуры).

Определяют приращение скорости рас-15 пространения акустических волн в среде и одновременно измеряют скорость течения среды вдоЛь направления рас1 пространения колебаний; для этого формирование в среде между первым и вторым преобразователями поля квазистоячих акустических волн производят в соответствии с условиями

Так как точное значение d и г 30

1 1 известно только в случае оптимизации параметров согласующих электрических цепей, то для достаточного определения связи между приращением фазы и приращением скорости ЮЧ (от скорос ти V> течения среды, как видно иэ (17), фаза (,не зависит) необходимо выполнение условия (15), что соответствует указанной оптимизации параметров. Тогда вместо (17) получим 40 () 2R, э1п (2К ?.- A)

1-R cos(гкт.-d ) .

Отсюда легко можно получить жение для прира1цения фазы и, 2 выходе первого преобразователя выполнении условия (12) dC! — — -1

4R о ЬЛ.

6Ч.

1 1-R Ч о о

Таким образом, изменение фазы принимаемых первым преобразователем зависит только от приращения скорости распространения акустических волн в исследуемой среде и не зависит от

55 скорости ее течения.

Приращение (.. скорости распространения акустических волн в среде и скорость течения среды вдоль направr =1 « =0

1 i э где r v Ф вЂ” соответственно модуль

1 1 и фаза коэффициента отражения акустических волн от первого преобразователя, измеряют изменение фазы принимаemlx первым преобразователем колебаний.

Аналогично изложенному, выше иэ формулы U,=а-exp(i c! „) $(0, t), где а и ц — константы обратного линей1 1 ного преобразования в первом преобразователе, и выражения (7) получаем выражения для амплитуды напряжения

U1 ления распространения излучаемых ко лебаний определяют по формулам

2 ч - ->- лц + - — av 1 т „оЬ (2 аГ-1

Формул а изобретения

Способ измерения приращения скорости распространения акустических колебаний в среде, заключающийся в том, что в исследуемую среду при помощи первого акустического преобразователя излучают гармонические акустические колебания, формируют в исследуемой среде между первым и вторым акустическими преобразователями поле квазистоячих акустических волн, принимают акустические колебания, прошедшие через исследуемую среду при помощи второго акустического преобразователя, выбирают частоту и)излучаемых колебаний или акустическую базу Е, соответствующую локальному максимуму крутизны 8 g2 /8cd фаэочастотной характеристики второ1504521

15

Составитель Д.Широчин

Редактор А.Долинич Техред Л.Кравчук

Корректор Т.Палий Заказ 5242/42 Тираж 511 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям н открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.ужгород, ул. Гагарина,101

ro акустического преобразователя, измеряют изменение gEf фазы прини2 маемых вторым акустическим преобразователем колебаний и определяют с его учетом приращение скорости распространения акустических колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений эа счет учета скорости течения среды и расшИрения функциональных возможностей за счет обеспечения воэможности измерения скорости течения исследуемой среды, поле кваэистоячих акустических волн формируют в соответствии с условиями Z, 1, сР, О, где Z, и д, — соответственно, модуль и фаза коэффициента отражения акустических колебаний от первого акустического преобразователя, дополнительно принимают акустические колебания при помощи первого акустического преобразователя, измеряют изменение d g их фазы, а приращение 4Ч скорости распространения акустических колебаний и скорость V, течения исследуемой среды вдоль направления излучения акустических колебаний определяют по формулам

Чо а аЧ -л- — Д С

dL а1 г 1

Vo а

V - — -(Д Р + — ДЧ,) ьй. а-1 где Ч вЂ” начальная скоржть распроо странения акустических колебаний; 4 1 а Ь д„, ма с