Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде



Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде
Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде
Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде
Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде

 


Владельцы патента RU 2456554:

Микушин Игорь Иванович (RU)

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах. Техническим результатом изобретения является упрощение проведения измерений. Согласно способу облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают рассеянный обратно от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, соответствующие им времена распространения акустического сигнала от источника звуковых колебаний до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику. При этом облучают сильный одиночный акустический рассеиватель звуковыми колебаниями последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на фиксированном горизонте. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника, углов наклона одной характеристики направленности источника и приемника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала от источника до рассеивателя и обратно, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкой среды и n значений скорости звука на них, решением системы из n+1 уравнений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах.

Известны способы измерения распределения скорости звука в жидких средах. Так в способе, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [1], характеристика направленности источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности акустического приемника. К приемнику распространяются акустические сигналы, рассеянные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих рассеивающих объемов и обратно к акустическому приемнику, углам наклона характеристик направленности акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и приемником звука, находят горизонты рассеивающих объемов и значения скорости звука на них.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование большого количества относительно мелких естественных акустических рассеивателей (в море - крупного зоопланктона, мелких рыб) в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и приемника звуковых колебаний. В морской среде для некоторых сезонов года и времени суток на ряде горизонтов требуемого количества естественных рассеивателей может не быть. Для зондирования мелких естественных акустических рассеивателей требуется значительная мощность излучаемого акустического сигнала.

В способе, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [2], характеристика направленности совмещенного с первым акустическим приемником источника звуковых колебаний пересекается с веером характеристик направленности второго акустического приемника. К приемникам распространяются акустические сигналы, отраженные от границ неоднородных слоев жидкой среды, находящихся в объемах, ограниченных характеристиками направленности источника и второго акустического приемника. По измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, временам распространения акустических сигналов от источника до соответствующих границ неоднородных слоев жидкой среды и обратно к акустическим приемникам, разности между значениями несущих частот сигналов излучаемого и принятого вторым акустическим приемником, углам наклона характеристик направленности второго акустического приемника и известному расстоянию между расположенными на одном горизонте источником и вторым акустическим приемником, находят горизонты границ неоднородных слоев жидкой среды и значения скорости звука на них.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является использование рассеивающего звук неоднородного слоя в каждом из объемов жидкой среды, ограниченных характеристиками направленности источника и второго приемника звуковых колебаний. В реальной морской среде такая ситуация маловероятна. Рассеивающая способность неоднородных слоев мала. Для их зондирования требуется значительная мощность излучаемого акустического сигнала.

Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде по авторскому свидетельству [3]. В исследуемую среду источником излучают акустические колебания, которые рассеиваются от n искусственных отражателей (рассеивателей), прикрепленных к тросу на n фиксированных горизонтах, и распространяются далее к акустическим приемникам звука. Источник звука и акустические приемники располагаются на одном фиксированном горизонте. По измеренным значениям времен распространения звуковых колебаний от источника звука до n отражателей и от них до акустических приемников, скорости звука на горизонте источника и приемников звуковых колебаний, известным расстояниям между источником звука и акустическими приемниками находят распределение скорости звука в жидкой среде.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является необходимость крепления к тросу значительного количества искусственных акустических отражателей, выполнение фиксированными расстояний между акустическими приемниками, а также возможность функционирования измерительного устройства на основе этого способа только в стационарных условиях.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в функционировании в жидкой среде устройства на основе предлагаемого способа без использования измерительного зонда, искусственных отражателей, большого количества естественных акустических рассеивателей или неоднородных слоев, малая требуемая мощность акустического излучения.

Для достижения технического результата в предлагаемом способе измерения распределения скорости звука в жидкой среде облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают обратно рассеянный от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, время распространения акустического сигнала до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику. Введены новые признаки - облучают звуковыми колебаниями сильный одиночный акустический рассеиватель последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на одном фиксированном горизонте. По измеренным значениям скорости звука на горизонте совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, углов наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала до рассеивателя и обратно к совмещенному с акустическим приемником источнику звуковых колебаний, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкости и n значений скорости звука на них решением системы из n+1 уравнений,

В частности, при определении значений горизонтов и скорости звука на них используют априорную информацию о распределении скорости звука в жидкости.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1 и 2. На фиг.1 представлена схема облучения звуковыми колебаниями одиночного акустического рассеивателя. На фиг.2 в графическом виде представлены результаты компьютерного моделирования восстановления известного вертикального распределения скорости звука в жидкой среде.

Суть предложенного способа заключается в следующем.

Для измерения распределения скорости звука в жидкости, например вертикального распределения скорости звука в море, совмещенный с акустическим приемником источник звука ИП (фиг.1), располагают на фиксированном горизонте 0. Акустический источник-приемник ИП последовательно излучает n+1 раз звуковые колебания под углами наклона одной характеристики направленности αj, j=1, 2, …, n, n+1, αj≤π/2 в сторону сильного одиночного акустического рассеивателя Р, расположенного на фиксированном горизонте Z. При этом n равно количеству слоев с постоянными вертикальными градиентами скорости звука, на которые разбивается водная среда от горизонта 0 до горизонта Z. Рассеянные от сильного одиночного рассеивателя Р акустические сигналы распространяются к акустическому приемнику ИП, совмещенному с источником звука. В качестве сильного рассеивателя в жидкой среде может быть, например, крупная рыба. На фиг.1 символами Zi, i=1, 2, …, n-1, n, Zn=Z обозначены горизонты нижних границ слоев. Измеряют времена распространения tj, j=1, 2, …, n, n+1, акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП. Далее по измеренному значению скорости звука С0 на горизонте источника-приемника звука ИП, измеренным значениям углов наклона характеристики направленности αj источника-приемника звука ИП, соответствующим им измеренным значениям времен tj, находят значение горизонта рассеивателя Z, значения горизонтов Zi нижних границ слоев и значения скорости звука Ci, i=1, 2, …, n-1, n на них.

Значения Zi, i=1, 2, …, n-1, n, горизонтов нижних границ слоев определяется из соотношения

Здесь ki·Z=Zi-Zi-1 - толщина i-го водного слоя с постоянным вертикальным градиентом скорости звука, ki=(Zi-Zi-1)/Z - коэффициент, по которому определяют толщину слоя ki≤1, , если k1=k2=ki=kn, то ki=1/n.

Значение Z и значения скорости звука Ci, i=1, 2, …, n-1, n, на нижних границах слоев при облучении звуковыми колебаниями одиночного акустического рассеивателя по схеме фиг.1, находятся решением системы из n+1 уравнений

Здесь t1(π/2) - время распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП для αj=π/2;

Ci - значение скорости звука на нижней границе i-го слоя;

αi+1,j - угол выхода луча из i-го слоя при j-м угле наклона характеристики направленности акустического источника-приемника ИП находят из соотношения

где αj - угол наклона характеристики направленности акустического источника-приемника ИП.

При определении значений горизонтов Zi и решении системы уравнений необходимо знание количества слоев n водной среды и соответственно количества n и значения коэффициентов ki, начальное приблизительные значение горизонта рассеивателя Z и начальные приблизительные значения скорости звука Ci на нижних границах слоев. Начальное приблизительное значение Z можно определить по судовому эхолоту или по времени t1(π/2) распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к акустическому рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП для αj=π/2, принимая за приближенное среднее значение скорости звука по глубине измеренное значение С0.

Количество слоев водной среды и соответственно количество коэффициентов ki и их значений в общем случае произвольны. Однако при увеличении количества слоев увеличивается число уравнений системы, усложняется и понижается точность ее решения.

Начальные приблизительные значения скоростей звука Ci на нижних границах слоев можно найти итерационным подбором на ЭВМ, полагая, что они отличаются не более чем на ±10% от измеренного значения С0 [4]. Итерационный подбор усложняет решение системы уравнений.

Значительно упрощается определение количества слоев водной среды и соответственно количества и значений коэффициентов ki, начальных приблизительных значений Z и Ci при использовании априорной информации о вертикальном распределении скорости звука - результатов предварительных измерений другим способом, например аппаратурой с погружающимся зондом, или материалов банка океанографических данных. Априорная информация используется только один раз перед первым измерением распределения скорости звука предлагаемым способом. Далее при следующих измерениях распределения скорости звука в данном районе моря предлагаемым способом количество слоев, коэффициентов ki и их значений остаются неизменными, а в качестве начальных приблизительных значений Z и Ci используются их предыдущие измеренные значения.

Проверка возможности реализации предлагаемого способа производилась компьютерным моделированием восстановления известного вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) в море. В качестве известного было выбрано измеренное и аппроксимированное по трем слоям ВРСЗ, характерное для мелкого моря летом. Полагали, что звук отражается сильным рассеивателем, находящимся на глубине Z=220 м.

Исходные данные и результаты компьютерного моделирования представлены в таблицах 1…3 и на фиг.2.

Таблица 1
Известное ВРСЗ
Z, м 0 20 60 220
k - 0,091 0,182 0,727
C, м/с 1450 1451 1430 1460

Здесь Z, k и C - известные значения соответствующих величин.

По материалам банка океанографических данных для данного района моря были определены приближенные значения Z, k и C этих величин.

Таблица 2
Приближенные значения Z, k и C
Z, м 0 22 63 225
k=ki - 0,098 0,191 0,711
C, м/c 1450 1455 1445 1450

По исходным данным таблицы 1 определялись для 4-х углов наклона характеристики направленности αj четыре значения времен tj распространения акустического сигнала от источника-приемника звука ИП к рассеивателю Р и обратно до акустического приемника-источника звука ИП и далее с использованием исходных данных таблицы 2 на ЭВМ решалась система из 4-х уравнений.

Таблица 3
Результаты компьютерного моделирования восстановления известного ВРСЗ
αj, рад π/2 π/3 π/4 π/6
tj, с 0.304653 0.351331 0.429181 0.602459
Zi, м 0 21 63 220
Ci, м/с 1450 1452,9 1429,7 1459,6

На фиг.2 представлены результаты компьютерного моделирования восстановления известного вертикального распределения скорости звука в море в графическом виде. Сплошной линией обозначен известный ВРСЗ, а штриховой линией - восстановленный ВРСЗ.

СПИСОК БИБЛИОГРАФИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

1. А.с. 761845 СССР. G01H 5/00. 10.05.78. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Серавин Г.Н. Опубл. 07.09.80. Бюл. изобр. №33.

2. А.с. 1585691 СССР. G01H 5/00. 22.04.88. Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах / Наговицин В.А., Сысоев А.Г., Денисов А.Н., Фороща Е.С. Опубл. 15.08.90. Бюл. изобр. №30.

3. А.с. 1460619 СССР. G01H 5/00. 08.08.87. Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде / Серавин Г.Н., Пономаренко А.П. Опубл. 23.02.89. Бюл. изобр. №7.

4. Справочник по гидроакустике / Под ред. А.Е.Колесникова. Л.: Судостроение, 1982, 340 с.

1. Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде, состоящий в том, что облучают звуковыми колебаниями акустический рассеиватель, находящийся в жидкости на фиксированном горизонте, принимают рассеянный обратно от него акустический сигнал, измеряют скорость звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углы наклона характеристик направленности акустического приемника, соответствующие им времена распространения акустического сигнала от источника звуковых колебаний до рассеивателя и обратно к акустическому приемнику, отличающийся тем, что облучают сильный одиночный акустический рассеиватель звуковыми колебаниями последовательно по n+1 углам наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, расположенного на фиксированном горизонте, по измеренным значениям скорости звука на горизонте источника и приемника звуковых колебаний, углов наклона одной характеристики направленности совмещенного с акустическим приемником источника звуковых колебаний, соответствующих им временам распространения акустического сигнала от источника до рассеивателя и обратно к совмещенному с источником акустическому приемнику, находят значение горизонта рассеивателя, значения горизонтов n нижних границ n слоев жидкой среды и n значений скорости звука на них, решением системы из n+1 уравнений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определении значений горизонтов и скорости звука на них используют априорную информацию о распределении скорости звука в жидкой среде.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к акустическим измерениям и предназначено для использования в ультразвуковой технике. .

Изобретение относится к области испытания физических свойств материалов и предназначено для определения скорости звука в моно- и поликристаллах. .

Изобретение относится к устройствам для акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах.

Изобретение относится к области импульсной акустической измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости звука в неоднородных средах, преимущественно для томографии.

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам для измерения скорости звука в текущих жидкостях и в воде, и может быть размещено как на стационарных объектах, так и на подвижных объектах, движущихся с большими скоростями.

Изобретение относится к устройствам для акустических измерений. .

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля и может быть использовано для определения скорости ультразвука в углеродных нитях и жгутах и других функционально зависящих от скорости параметров, например динамического модуля упругости.

Изобретение относится к технике регистрации быстропротекающих однократных процессов (быстрое горение, взрыв, высокоскоростное взаимодействие материалов, распространение ударных волн и т.п.).

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения скорости звука в жидкостях и воде при исследованиях Мирового океана на движущихся объектах, а также в текущих жидкостях и сыпучих средах.

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при формировании оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) по его измеренному в некотором диапазоне глубин фрагменту. Сущность: в способе осуществляется достраивание полного профиля ВРСЗ на основе текущего замера ВРСЗ с привлечением априорной информации из базы данных многолетних измерений ВРСЗ, представленной в статистической форме. Для измеренного фрагмента ВРСЗ находится максимально правдоподобное априорное ВРСЗ из базы данных, после чего происходит достраивание точек ВРСЗ для глубин, лежащих выше и ниже границ замера ВРСЗ. При этом производится коррекция априорного профиля с учетом текущей глубины района плавания и, в случае необходимости, линейная интерполяция реперных точек на интересующие глубины. Технический результат: повышение достоверности гидрологических моделей, повышение точности решения прогнозных задач гидроакустики - расчета дальности действия гидроакустических систем, расчета оптимальной мощности излучения сонаров и т.п. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустической метрологии и может быть использовано для построения современных многолучевых эхолотов. Производят ненаправленное излучение зондирующего сигнала в сторону дна, прием отраженного сигнала веером статических характеристик направленности (ХН), измерение скорости звука на глубине их излучения, сигнал, отраженный от дна, принимают двумя парциальными ХН под углами меньше, чем 40 градусов от нормали, а их оси разнесены на углы порядка 2 градуса, измеряют углы направленности выбранных парциальных ХН, измеряют времена прихода сигналов, отраженных от дна, в выбранные парциальные ХН, определяют отношение времен распространения принятых сигналов, производят последовательный перебор возможных значений скорости звука на глубине у дна в диапазоне 30% от скорости звука, измеренной на глубине излучения с шагом 0,5 м/сек, а за оценку скорости звука на глубине принимают то значение, которое обеспечивает минимум разности. Техническим результатом является повышение точности измерения глубины многолучевым эхолотом. 1 ил.

Изобретения относятся к области гидроакустической метрологии. Процедура измерения скорости звука времяпролетным способом предполагает задание базы измерения с помощью специальной меры длины, выполненной в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя полированными звукоотражающими поверхностями. Прямоугольный параллелепипед закрепляют вертикально на юстируемом основании рабочего измерительного объема, ограниченного крышкой в виде плоскопараллельной пластины. Напротив звукоотражающего торца прямоугольного параллелепипеда и звукоотражающего основания устанавливают приемно-передающие пьезопреобразователи, подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов. Пьезопреобразователи закрепляют на наружной поверхности плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы располагают на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом. Процедура измерения предполагает многократное переотражение звуковых импульсов. Оценка скорости звука производится по интервалам времени от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых формирователем, до момента приема звуковых импульсов с учетом поправки на допускаемую недоюстировку. Технический результат - повышение точности измерения скорости звука. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах. Сущность: производят зондирование акустическим импульсным сигналом одиночного относительно сильного естественного акустического рассеивателя, находящегося в водном объеме, ограниченным характеристиками направленности акустических излучателя-приемника и двух приемников, оси характеристик направленности которых пересекаются на одном горизонте с осью характеристики направленности акустического излучателя-приемника. Последовательно изменяют углы наклона характеристик направленности первого и второго акустического приемников, которые расположены на фиксированных расстояниях от излучателя-приемника на одном горизонте с ним. Измеряют времена прихода принятых сигналов, определяют по их значениям, значению скорости звука на горизонте акустических источника и приемников, известным расстояниям между ними значения скорости звука в водоеме на заданных горизонтах. Излучают или монохроматический импульсный акустический сигнал малой длительности, или сложный импульсный акустический сигнал с гиперболической частотной модуляцией, при использовании которой времена прихода принятых сигналов определяют по временному положению максимумов взаимнокорреляционных функций излучаемого и принятых сигналов. Технический результат - повышение точности и глубины измерения скорости звука на заданных горизонтах в естественных водоемах дистанционным акустическим способом на ходу носителя аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерения параметров срабатывания средств инициирования детонации зарядов взрывчатых веществ при взрывных работах, а именно подрывных электродетонаторов (ЭД), имеющих в составе непервичный капсюль-детонатор (КД) на основе бризантных взрывчатых веществ (БВВ) и стандартный электровоспламенитель (ЭВ) с жестким или эластичным креплением мостика накаливания. Устройство для измерения параметров срабатывания непервичного капсюля-детонатора в подрывном электродетонаторе состоит из муфеля для подрыва электродетонатора на свинцовой пластине, узла задействования мостика накаливания постоянным или импульсным токами, измерителя времени срабатывания с запуском начала отсчета времени от момента задействования, ионизационного датчика фиксации детонации, ионизационного датчика фиксации момента срабатывания электровоспламенителя, узла регистрации сигналов от датчиков и выдачи сигнала на измеритель времени срабатывания. Приведенная конструкция устройства позволяет полностью обеспечить комплексное измерение всех параметров срабатывания КД как непервичного, так и первичного типов в составе подрывного ЭД, при этом впервые в рамках одного испытания. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.,1 табл.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения скорости звука по трассе. Способ заключается в следующем. Неподвижный источник излучает через постоянные промежутки времени Т постоянные по длительности зондирующие сигналы. Сигналы распространяются в водной среде и поступают на приемное устройство, движущееся в направлении противоположном направлению распространения зондирующих сигналов. Далее определяют скорость движения приемника V, время приема первого зондирующего сигнала t1, а также время приема N-го зондирующего сигнала tN и вычисляют скорость звука по формуле: С=(N-1)VT/{t1-tN+(N-1)Т}. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения скорости звука по трассе, полученное при приеме нескольких зондирующих сигналов с использованием одного гидроакустического канала измерения и без учета точности измерения дистанции. 1 ил.
Наверх