Способ измерения скорости звука

Авторы патента:

G01H5/00 - Измерение скорости распространения ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний

Владельцы патента RU 2581416:

Акционерное общество "Концерн "Океанприбор" (RU)

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 t_N и вычисляют скорость звука по формуле: С=(N-1)VT/{t₁-t_N+(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.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для измерения скорости звука для проведения гидроакустических исследований и измерительных работ гидроакустической аппаратуры.

Все измерения в гидроакустике производятся с использованием оценки скорости звука. (В.Н. Матвиенко, Ю.Ф. Тарасюк. Дальность действия гидроакустических средств. - Л.: Судостроение, 1981 г.)

Существуют прямые и косвенные методы определения скорости распространения звука в воде. Косвенные методы предполагают предварительное измерение температуры воды и солености воды, и дальнейший расчет по известным номограммам скорости звука. (В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - СПб.: Наука, 2003 г., с. 50-87).

Эти способы позволяют определять скорость звука по конкретным измерениям температуры и солености, которые могут быть произведены путем забора проб воды и проведения химического анализа при процедуре измерения температуры. Измерение производится с использованием специальных судов и стандартных океанографических измерительных средств, в которые входят глубоководный опрокидывающийся термометр, термометр-глубомер, батитермограф, а также комплексные гидрологические зонды. Количество параметров измеряемых зондом и измерительных каналов зависит от выполняемых им конкретных задач. Информация об измеренных параметрах передается в бортовые приборы по кабель-тросу. Недостатками этого метода являются необходимость специализированного судна и длительная процедура измерения для получения оценки скорости звука по трассе.

Существуют прямые методы измерения скорости звука при использовании конкретных приборов, которые измеряют скорость звука на глубине нахождения с использованием интерферометрических методов, фазовых методов, импульсных методов и частотных методов. Эти приборы, как правило, устанавливаются на борту судна и измеряют скорость звука при погружении до определенной глубины. Для расчетов траекторий распространения сигналов используется таблицы, снятые для всех глубин и для всех морей и океанов, в которых указаны значения скоростей звука на различных глубинах. Как правило, эти значения являются устаревшими и не всегда соответствуют решаемым задачам (там же, с. 98). Есть разовые гидрофизические зонды, которые погружаются до дна и по мере погружения передают информацию о значении скорости звука на конкретной глубине. Этот способ является дорогим и затратным и не всегда может быть использован при решении конкретных задач для получения скорости звука по трассе.

Здесь надо учитывать то обстоятельство, что измерение происходит в одной конкретной точке по глубине и считается, что такое же распределение скорости звука будет по всей трассе распространения сигнала, что не всегда соответствует действительности. Практически никто не проводил измерение скорости звука по трассе ввиду сложности работ и трудности их сопоставления.

Известен способ измерения скорости звука по трассе с использованием взрывных источников излучения, который рассматривается в работе: Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978 г., с. 165-200.

Наиболее близким аналогом, который целесообразно принять за прототип, является дистанционное измерение скорости звука с использованием гидроакустического канала. ( В.А. Комляков. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - СПб.: Наука, 2003 г., с. 149-153.

Способ содержит излучение зондирующего сигнала неподвижным источником, передачу по радиоканалу времени излучения, прием сигнала распространения неподвижным источником, определение скорости распространения сигнала по известной дистанции и времени распространения от момента прихода радиосигнала и момента прихода гидроакустического сигнала.

Недостатком такого способа является зависимость оценки скорости звука от точности измерения дистанции, необходимость радиоканала и гидроакустического канала одновременно.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения скорости звука по трассе, получение реальных результатов по изменчивости скорости звука по трассе в процессе измерений с использованием одного гидроакустического канала измерения и без учета точности измерения дистанции.

Указанный технический результат может быть достигнут в том случае, если в известный способ, содержащий излучение гидроакустического зондирующего сигнала неподвижным источником и прием зондирующего сигнала, введены новые операции, а именно: излучение зондирующего сигнала производят через постоянные промежутки времени Т, сохраняя длительность зондирующего сигнала постоянной, прием эхосигнала осуществляют приемным устройством, движущимся по траектории распространения зондирующего сигнала навстречу, определяют скорость V движения носителя приемного устройства, определяют время прихода первого зондирующего сигнала t₁, определяют время прихода N-го зондирующего сигнала t_N, а скорость звука между неподвижным источником зондирующего сигнала и подвижным носителем приемного устройства определяют по формуле: C=(N-1)VT/{t₁-t_N+(N-1)T}.

Рассмотрим процедуру определения скорости звука по трассе.

Единственным параметром который может быть измерен при обнаружении зондирующего сигнала является время обнаружения t₁=t₀+D₀/C, где C - скорость звука. Время излучения зондирующего сигнала t₀ не известно и дистанция D₀ между приемным устройством и неподвижным источником зондирующего сигнала не известна также, скорость звука так же не известна.

Если принят второй сигнал, измерено время приема второго сигнала t₂, то это время равно t₂=t₀+Т+(D₀-VT)/C, где Т - время между моментами излучения зондирующих сигналов, V - скорость движения носителя приемного устройства, (D₀-VT) - новая дистанция распространения. Составим уравнения относительно дистанции - D₀/C.

Для первого сигнала D₀/C=t₁-t₀.

Для второго сигнала D₀/C=t₂-t₀-Т+VT/C.

Решим уравнение относительно скорости распространения звука:

t₁-t₀=t₂-t₀-T+VT/C; t₁-t₀-t₂+t₀+T=VT/C.

Откуда получим: C=VT/(t₁-t₂+T), С - скорость звука, измеренная за время между двумя зондирующими сигналами.

Если принят третий сигнал: t₃=t₀+2Т+(D₀-2VT)/C.

Для третьего сигнала D₀/C=t₃-t₀-2T+2VT/C.

Откуда получим: С=2VT/(t₁-t₃+2Т), где C - скорость звука, измеренная за время между тремя зондирующими сигналами.

Если принято N сигналов и измерены времена приема сигналов t_N, тогда скорость звука на момент измерения между N зондирующими сигналами будет равна C=(N-1)VT/{t₁-t_N+(N-1)T} относительно первого принятого зондирующего сигнала. Поскольку дистанция, проходимая приемным устройством, установленным на подвижном носителе, между посылками существенно меньше, чем дальность между источником зондирующего сигнала и приемником, то можно считать, что оценка скорости звука принадлежит дистанции приема N-го зондирующего сигнала. За время между измерениями оценка скорости звука на трассе не может существенно изменится.

Рассмотрим пример, который позволит оценить ошибку расчета измерения скорости звука предложенным способом. Пусть дистанция между излучателем и приемником равна Д₀=10000 м. Время между излучениями зондирующего сигнала Т=10 с. Скорость движения приемника V=10 м/с. Положим для расчета скорость распространения сигнала по трассе C₀=1500 м/с.

Имеем следующие расчетные оценки при t₀=0:

t₁=t₀+Д_0/C; t₁=6,6666 с.

t₂=t₀+T+(Д₀-VT)/C; t₂=16,6 с.

Расчетная скорость звука при распространении по трассе при измерении по двум последовательным сигналам С=1515 м/с, что отличается от оценки скорости звука, принятой для расчета на 1%.

Рассчитаем скорость звука при распространении по трассе при измерении по трем последовательным сигналам С:

t₃=t₀+2Т+(Д₀-2VT)/C;

t₃=26,533 с.

Получим расчетную оценку скорости звука C=1503 м/с, что отличается от оценки скорости звука, принятой для расчета на 0,2%. При этих измерениях приемное устройство прошло 200 м, что существенно меньше дистанции 10000 м.

Точность измерения интервала между излучениями может быть обеспечена современными методами достаточно высокая и составлять величину порядка 0,001 с = 1 мс. Длительность излучаемого сигнала может быть выбрана порядка 1 мс, что в условиях прямого распространения обеспечит большое отношение сигнал/помеха при измерении по переднему фронту. Точность измерения скорости движения современными измерителями составляет величину меньше 0,01 м/с. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. - СПб.: ЛЭТИ, 2009 г., с. 48). В этих условиях ошибка оценки скорости звука при двух последовательных измерениях за счет ошибки скорости движения будет в пределах 1 м/с.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлено блок-схема устройства, реализующего заявленный способ.

Устройство (фиг. 1) содержит неподвижный автономный гидролокатор 1 зондирующего сигнала. Установленная на движущемся объекте антенна 2 через приемное устройство 3, блок 4 измерения времен прихода зондирующего сигнала, блок 5 памяти, блок 6 измерения разности времен прихода первого и N-го зондирующих сигналов соединена с блоком 7 определения скорости звука на трассе. Второй выход блока 4 соединен со вторым входом блока 6. Выход блока 8 соединен со вторым входом блока 7.

Гидролокатор 1, антенна 2 и приемное устройство 3 являются известными устройствами, которые подробно описаны в отечественной литературе: А.С. Колчеданцев. Гидроакустические станции. - Л.: Судостроение, 1982 г., А.Н. Яковлев, Г.П. Кабаков. Гидролокаторы ближнего действия. - Л.: Судостроение, 1983 г. В качестве неподвижного гидролокатора может быть использован автономный маяк-ответчик, который может быть установлен в любой точке и на любой глубине. Такой маяк является разовым устройством и его включение осуществляется либо по команде либо в определенное время. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства.- СПб.: ЛЭТИ, 2009 г, с. 10-40). Блок измерения 4 времен прихода является известным устройством, который может быть реализован по схеме одноканального цифрового обнаружителя. (А.Н. Яковлев, Г.П. Кабаков. Гидролокаторы ближнего действия, с.107). Блок 6 измерения разности времен, блок 5 памяти и блок 7 определения скорости звука по трассе являются стандартными процедурами цифровой вычислительной техники и могут быть реализованы программным образом на любых вычислительных средствах. Все блоки, используемые для определения скорости звука, могут быть выполнены в тех же спецпроцессорах, на которых реализуется работа приемных трактов современных гидролокационных станций. Это стандартные спецпроцессоры, которые работают по разработанным программам и жесткой логике управления при поступлении исходной информации. (Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника. - СПб.: Наука, 2004 г., с. 281-289). Практически все указанные процедуры могут быть реализованы на современных компьютерах и ноутбуках, в которых реализованы вычислительные программы Матлаб, Матсард и др. (А.Б. Сергиенко. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: «БХВ - Петербург», 2011 г. ). Гидроакустический измеритель собственной скорости движения блок 8 является известным устройством, которые выпускаются серийно и устанавливаются на всех современных судах. (А.В. Богородский, Д.Б. Островский. Гидроакустические навигационные и поисково-обследовательские средства. - СПб.: ЛЭТИ , 2009 г., с. 40-81).

Реализация предложенного способа с помощью устройства (фиг. 1) осуществляется следующим образом. Неподвижный автономный гидролокатор 1 излучает короткие зондирующие сигналы с постоянной заранее известной частотой повторения, что определяет длительность Т между зондирующими сигналами. С помощью предлагаемого устройства происходит работа следующим образом. Сигнал распространяется в водной среде и принимается антенной 2, преобразуется в электрический сигнал и передается в приемное устройство 3, где усиливается, фильтруется и передается в блок 4 измерения времен прихода. В блоке 4 определяется момент превышения амплитудой зондирующего сигнала порогового уровня. Зондирующие сигналы являются сигналами прямого распространения и имеют большую амплитуду, поэтому приемные устройства не решают задачу повышения отношения сигнал/помеха. Практически для любых принятых сигналов на выходе приемного устройство будет наблюдаться большое отношение сигнал/сигнала при измерениях по переднему фронту. Измеренное значение времени запоминаются в блоке 5 в цифровом виде, и поступает в блок 6 для измерения разности времен между принятым сигналом и первым сигналом. Таким образом, формируется пара сигналов, которая передается в блок 7 определения скорости звука по трассе, где выбирается разность интервалов последовательных пар измерений t₁-t_N, и с использованием оценки собственной скорости V, которая поступает из блока 8 измерения собственной скорости, и при известном интервале между излучениями зондирующего сигнала Т определяется оценка скорости звука по трассе С на момент измерения.

Таким образом, предложенная процедура измерения последовательных временных интервалов позволяет определять скорость распространения звука по трассе с использованием неподвижного излучателя и подвижного приемника.

Способ измерения скорости звука, содержащий излучение гидроакустического зондирующего сигнала неподвижным источником и прием зондирующего сигнала, отличающийся тем, что излучение зондирующего сигнала производят через постоянные промежутки времени T, сохраняя длительность зондирующего сигнала постоянной, прием зондирующего сигнала осуществляют приемным устройством, движущимся навстречу по траектории распространения зондирующего сигнала, определяют скорость V движения носителя приемного устройства, определяют время прихода первого зондирующего сигнала t₁, определяют время прихода N-го зондирующего сигнала t_N, а скорость звука на трассе между неподвижным источником зондирующего сигнала и подвижным носителем приемного устройства определяют по формуле:
C=(N-1)VT/{t₁-t_N+(N-1)T}.

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.

Способ измерения скорости звука в воде // 2545065

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

Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде и устройство для его осуществления // 2529734

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.

Способ определения скорости звука // 2515125

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.

Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука // 2498354

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.

Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны // 2490606

Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде // 2456554

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

Способ определения скорости звука в жидких средах // 2436050

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

Способ определения скорости звука в моно- и поликристаллах // 2354940

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

Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах // 2330248

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

Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море // 2599916

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи. Сущность: после сброса гидроакустического зонда в морскую воду специальная схема включает его автономный источник питания, по команде микроконтроллера импульсный генератор через переключатель ударно возбуждает видеоимпульсом цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь по толщине стенки. Принятые радиоимпульсы, соответствующие многократно отраженным от поверхности заполненной водой внутренней полости цилиндрического пьезоэлемента акустическим импульсам, через переключатель, усилитель и аналого-цифровой преобразователь поступают в микроконтроллер, который определяет времена их прихода, вычисляет по ним измеренные значения скорости звука в воде и запоминает их. Микроконтроллер формирует соответствующий этим значениям цифровой электрический радиосигнал, который подается через усилитель мощности и переключатель на цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь - гидроакустический излучатель зонда, радиально колеблющийся и передающий цифровую измерительную информацию на судно через водную среду. Технический результат состоит в упрощении по сравнению с аналогичными гидроакустическими зондами для измерения скорости звука в море конструкции зонда и уменьшении его стоимости. 1 ил.

Способ измерения вертикального распределения скорости звука в воде // 2613485

Изобретение относится к гидроакустической метрологии, в частности к способам измерения вертикального распределения скорости звука в воде. Способ предполагает излучение широкополосного импульса, прием отраженных сигналов на приемопередающую антенну с узкой характеристикой направленности, измерение скорости звука на горизонте приемопередающей антенны, измерение распределения по времени приращения фазы принятого сигнала. Затем, используя скорость звука на горизонте приемопередающей антенны, последовательно восстанавливают распределение по времени скорости звука в моменты времени, отстоящие друг от друга на время не более половины ширины автокорреляционной функции излучаемого сигнала, и по измеренному распределению по времени скорости звука в воде определяют распределение скорости звука по глубине. Технический результат - упрощение способа, снижение энергопотребления устройства.

Способ контроля посадочного натяга обода ротора электрической машины // 2624780

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу контроля посадочного натяга обода ротора электрической машины. Способ содержит ввод до установки клиньев, после расклиновки и в процессе эксплуатации электрической машины с торцевой поверхности закладных клиньев упругих волн, измерение временных задержек упругих волн для каждого клина и расчет величины (P) - относительного изменения разности временных задержек распространения упругих волн в клине. В процессе эксплуатации электрической машины состояние натяга определяется по среднему значению величины P и значению дисперсии изменений величины P. Технический результат состоит в контроле посадочного натяга обода на остов без разборки ротора посредством оценки изменения напряженного состояния клиньев, обеспечивающих натяг. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ измерения скорости звука по трассе // 2625716

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к средствам измерения скорости звука. Способ измерения скорости звука по трассе заключается в излучении зондирующего сигнала неподвижным источником через постоянные промежутки времени Т, сохраняя длительность сигнала постоянной. Осуществляют прием сигнала антенной приемного устройства, движущегося навстречу по траектории распространения сигнала. Определяют скорость V движения носителя приемного устройства, время прихода первого зондирующего сигнала t1, время прихода N-го зондирующего сигнала tN и скорость звука С. Прием сигнала осуществляют антенной со статическим веером характеристик направленности с шириной характеристики направленности пространственного канала Δβ°, определяют номер пространственного канала Ni, в котором обнаружен сигнал с максимальной амплитудой, измеряют амплитуду максимального сигнала Ai, определяют амплитуды сигналов в соседних пространственных каналах, выбирают соседний пространственный канал Nj с наибольшей амплитудой Aj, скорость звука определяют по формуле С=(N-1)TVcosКУ°/{t1-tN+(N-1)Т}, а курсовой угол КУ° источника зондирующего сигнала определяют по формуле при j<i и , если j>i, где Δβ° - ширина характеристики направленности пространственного канала. Технический результат – повышение точности измерений. 1 ил.

Способ определения температурного коэффициента скорости ультразвука // 2626571

Способ может быть использован в машиностроении, гидроэнергетике и других отраслях промышленности, требующих применения в производстве ультразвукового контроля. Для определения температурного коэффициента скорости ультразвука используются данные об изменении акустических характеристик материала. Сущность способа заключается в том, что в недеформированном и деформированном материале при разных температурах возбуждают упругие волны, определяют скорость их распространения и по результатам измерений рассчитывают температурный коэффициент скорости ультразвука. Используя полученную аналитическую зависимость, можно определять температурный коэффициент для промежуточных значений температуры и величины пластической деформации, причем деформацию можно определять акустическим способом, измеряя параметр акустической анизотропии, не зависящий от температуры. Технический результат – повышение точности получаемых данных. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ измерения распределения скорости звука в жидких средах // 2626579

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам измерения скорости звука. Способ измерения распределения скорости звука в жидких средах заключается в том, что расположенным на заданном горизонте среды источником звуковых колебаний излучают акустические сигналы и поочередно принимают акустическими приемниками сигналы, отраженные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности источника с веером характеристик направленности приемников. Затем измеряют значения скорости звука на горизонте источника и приемников, задают углы наклона характеристик направленности приемников и измеряют соответствующие им времена распространения сигналов от источника до рассеивающих объемов среды и далее до приемников. Расчетным путем определяют горизонты залегания рассеивающих объемов среды и вычисляют значения Ci скорости звука на этих горизонтах. Дополнительно определяют сумму проекций скорости течения Vi на характеристики направленности приемников, используя для вычисления доплеровский сдвиг частоты, получаемый из сигналов источника и приемников, и вычисляют откорректированные значения Сг скорости звука на горизонтах залегания рассеивающих объемов среды по выражению Сг=Ci±Vi. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Способ измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны и устройство для его реализации // 2643232

Изобретение относится к акустике. Способ измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны предполагает возбуждение и прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов, оцифровку импульсов, запись в компьютер и определение временных интервалов между этими импульсами. Головную акустическую волну возбуждают лазерным излучением, формируют лазерное пятно и соответствующий ему возбуждаемый акустический пучок, сформированный акустический пучок из генератора направляют под углом β, близким к первому критическому, через звукопровод к поверхности изделия, а затем принимают под углом - β двумя звукопроводами, разнесенными между собой и генератором на расстояние L. Звукопроводы выполняют в виде призм, изготовленных из синтетического полимера метилметакрилата. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор лазерных импульсов, оптико-акустический преобразователь, изделие, точки съема ультразвуковых импульсов первого и второго пьезоприемника, первый блок АЦП, компьютер, второй блок АЦП, тонкий иммерсионный слой контактной жидкости, звукопроводы. Технический результат - повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.