Способ измерения распределения скорости звука в жидких средах

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.

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано, в частности, для измерения скорости звука в воде при исследованиях Мирового океана.

Известны способы измерения распределения скорости звука в жидких средах. Так в способе, на основе которого выполнено устройство [авторское свидетельство СССР №1675687 на изобретение «Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах», G01Н 5/00, 22.08.1989], расчет профиля вертикального распределения скорости звука осуществляется по известным значениям расстояния между излучателем и акустическими приемниками, угла прихода фронта отраженного сигнала, определяемого по спектральному составу смешанных сигналов, и измеренным соответственно этим углам времени и скорости звука на разных глубинах.

Недостатком этого аналога является невысокая точность измерения вертикального распределения скорости звука вследствие применения одной корреляционной приемной системы, включающей в себя два акустических приемника, и соответствующей ей геометрии решаемой задачи, а также отсутствие учета скорости течения, влияющего на точность определения скорости распределения звука.

В способе измерения распределения скорости звука в жидких средах [патент Российской Федерации №2456554 на изобретение «Способ измерения распределения скорости звука в жидкой среде», G01Н 5/00, 20.07.2010] 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.

Недостатком этого аналога является дополнительное погружение рассеивателя на фиксированный горизонт и отсутствие учета скорости течения, влияющего на точность определения скорости распределения звука.

Наиболее близким по совокупности признаков и технической сущности к предложенному изобретению является способ, на основе которого выполнено устройство по авторскому свидетельству [авторское свидетельство СССР №761845 на изобретение «Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах», G01Н 5/00, 10.05.1978]. Этот способ выбран в качестве прототипа. Согласно ему 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.

Прототип содержит следующие признаки, сходные с существенными признаки заявленного изобретения: расположенным на заданном горизонте среды источником звуковых колебаний излучают акустические сигналы и поочередно с излучением принимают акустическими приемниками, расположенными на том же горизонте на заданных расстояниях от источника и друг от друга, сигналы, отраженные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности источника с веером характеристик направленности приемников, 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 С, скорости звука на этих горизонтах,

Недостатком прототипа является отсутствие учета скорости течения, влияющего на точность определения распределения скорости звука.

В основу изобретения поставлена задача создания способа измерения распределения скорости звука в жидких средах, совокупностью существенных признаков которого достигается новое техническое свойство - устранение фактора влияния скорости течения на измеренные значения скорости звука за счет внесения поправки в групповую скорость, из которой определяется скорость звука. Указанное новое свойство обеспечивает технический результат изобретения - повышение точности определения распределения скорости звука в жидкой среде.

Задача изобретения решается тем, что в способе измерения распределения скорости звука в жидких средах, который заключается в том, что расположенным на заданном горизонте среды источником звуковых колебаний излучают акустические сигналы и поочередно с излучением принимают акустическими приемниками, расположенными на том же горизонте на заданных расстояниях от источника и друг от друга, сигналы, отраженные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности источника с веером характеристик направленности приемников, 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 С, скорости звука на этих горизонтах, новым является то, что 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 Cг=Ci±Vi

Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстрации, на которой представлена совмещенная схема измерений скорости звука для двух случаев - с использованием профилографа с вертикальным приемопередатчиком и с наклонным.

«Прямоугольная схема» измерений включает расположенные на заданном горизонте среды профилограф 1 с вертикальным 2 приемопередатчиком и корреляционную систему для «прямоугольной схемы» с акустической эквидистантной линейной антенной решеткой, состоящей из n расположенных на заданном расстоянии от профилографа 1 приемников 3, 4 с шагом между ними D. «Наклонная схема» измерений включает расположенные на заданном горизонте среды профилограф 1 с наклонным 5 приемопередатчиком и корреляционную систему для «наклонной схемы» с акустической эквидистантной линейной антенной решеткой, состоящей из n расположенных на заданном расстоянии от профилографа 1 приемников 6, 7 с шагом между ними D.

Способ при «прямоугольной» или при «наклонной» схемах измерений осуществляют следующим образом.

Излучателем 2 или излучателем 5 профилографа 1 излучают акустические импульсы, заполненные синусоидальным сигналом определенной частоты, и поочередно с излучением принимают сигналы соответственно или акустическими приемниками 3, 4, или приемниками 6, 7. Частота заполнения выбирается в зависимости от необходимой глубины зондирования. Направляемые в исследуемую среду сигналы отражаются от естественных акустических рассеивателей, которые находятся в объемах среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности (2 или 5) источника излучения с веером характеристик направленности приемников (соответственно 3, 4 или 6, 7). Задавая углы наклона характеристик направленности приемников, измеряют по переднему фронту акустического сигнала время Δt распространения сигналов от источника до рассеивающих объемов среды и далее до приемников. Затем расчетным путем определяют горизонты залегания рассеивающих объемов среды и вычисляют значения Сi скорости звука на этих горизонтах. Дополнительно определяют доплеровский частотный сдвиг Δƒ между излученным и принятым сигналами и по величине его определяют горизонтальный вектор скорости течения Vx. Затем угол приема эквидистантной линейной антенной решетки α0 изменяют и переходят на следующую глубину z, где измерения вновь повторяют по описанному выше алгоритму, пока не пройдет весь профиль скорости звука и течения с шагом Δz. Определяют сумму проекций вектора скорости течения Vi на соответствующий акустический луч и вносят эту поправку в величину скорости звука Сi.

При «прямоугольной схеме» зондирования скорость Сi в i-м слое определяем итерационным методом из выражения

где С0 - скорость звука на горизонте размещения антенных систем.

Данное уравнение позволяет рассчитать скорость звука Сi в i-м слое, однако при вычислении скорости звука по трассе луча не учитывается проекция Vx горизонтальной скорости течения, которая вносит погрешность в измеренную скорость звука.

Используя электрический сигнал, снимаемый с разнесенных акустических приемников, можно определить профиль вертикального распределения вектора скорости течения с учетом эффекта Доплера

где Δƒc - доплеровский сдвиг частоты.

Задаваясь необходимым шагом Δz по глубине z, последовательно определяем средние значения скорости звука в i-м слое. Определяем сумму проекций скорости течения Vi на соответствующий луч, используя уравнение (2) при cosα=0, и вносим эту поправку в величину скорости звука Сi.

Таким образом, мы уменьшаем погрешность определения скорости звука в слое воды. Величина этой погрешности может достигать 0,3% при средней величине скорости звука в океане ~1500 м/сек и максимальной скорости течения ~5 м/сек.

Способ измерения распределения скорости звука в жидких средах, заключающийся в том, что расположенным на заданном горизонте среды источником звуковых колебаний излучают акустические сигналы и поочередно с излучением принимают акустическими приемниками, расположенными на том же горизонте на заданных расстояниях от источника и друг от друга, сигналы, отраженные от акустических рассеивателей, находящихся в объемах жидкой среды, которые ограничены пересечением характеристики направленности источника с веером характеристик направленности приемников, 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, отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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.

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.

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения скорости звука по трассе. Способ заключается в следующем.

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.

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

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.

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.

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.

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 СгCi±Vi. Технический результат - повышение точности измерений. 1 ил.

Наверх