Способ измерения скорости нормальных волн в акустических волноводах и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистическм

Республик

<"> 661326 (53) УДК 681.89 (088. 8) (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлеио 131276 (21) 2428184/18-10 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (я)М, Кл.2

01 И 29/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликоваио050579 Бюллетень ИЯ 17

Дата опубликования описания 07.0579 (72) Авторы обретения В . В . 1 ЮтЕКИН, Д. В . СтЕПаНОВ, С . П . КЛИМОВ И В, Н . МЕРКУЛОВ (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТЕЙ НОРМАЛЬНЫХ ВОЛН

В АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ Е1 О ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для измерения скоростей нормальных волн в твердых и жидких акустических волноводах, а такх<е в волноводных приборах СВЧ.

Известен способ измерения скорости звука, основанный на возбуждении в измерительной камере одной синусои- 1 дальной волны, которая отражается от границы и образует стоячую волну, имеющую минимумы и максимумы амплитуды, причем расстояние между ближайшими минимумами (или максимумами) coc" тавляет половину длины волны; Регистрация звукового поля по направлению распространения волны позволяет найти расстояния между минимумами амплизная частотJJ 3BJJ1(B cKopocTb волны..устройство, реализующее данный способ, содержит излучатель, генератор, звукоприемник, соединенный с уси. лителем. К выходу усилителя сигнала приемника подключена схема сравнения уровней сигнала, которая позволяет найти положение минимумов амплитуды звуковой волны и расстояние между ни - . ми, Если в одном найравлении распро страняются несколько волн с различ ными скоростями, то возникают прост2 рапственные биения, расстояния между минимумами амплитуды делаются неодинаковыми по длине волновода, и нельзя установить, чему соответствует рас- . стояние между двумя ближайшими минимумами. Определить скорость по данному способу невозможно (1) .

Блих<айшим по технической сущности является способ измерения скоростей нормальных волн и волноводе, основан-. ный на возбуждении в волноводе одновременно нескольких нормальных волн и регистрации звукового поля в нем.

По известиоМУ способу звуковое поле в волноводе возбуждают в импульсном режиме, регистрируют звуковое поле на другом конце волновода и определяют задержку во времени импульсов, соответствующих приходу на второй конец

1 волновода различных нормальных волн.

По величине задержки на длине волновода импульсов, соответствующих различным нормальным волнам, определяют скорости этих нормальных волн.

Устройство для реализации этого способа содержит излучатель, расположенный на торце волновода и соединенный с генератором, звукоприемник, подключенный к усилителю. Для работы

661326 устройства необходимо измерить задерж ку импульса, соответствующего каждой нормальной волне в волноводе. Импульсы, идущие в волноводе с различными скоростями, должны на длине волновода разойтись один от другого на расстоя5 ние, превышающее пространственную протяженность каждого импульса. Это означает, что длина волновода должна превышать длину нормальных волн в волноводе более, чем в 1000 раз (21 .

Недостатком известного способа является невозможность работы в области низких частот (ниже 20 кГц) . Устройство, реализующее известный спо-, соб на низких частотах, требует применения волновода с длиной около 15

7.0 км, что технически нереализуемо.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона измерений в сторону низких частот.

Поставленная цель достигается эа 20 счет того, что нормальные волны в волноводе возбуждают в непрерывном ре . жиме, непрерывно во времени регистрируют звуковое поле вдоль волновода, полученный сигнал детектируют синхрон-дя но с возбуждающйм сигйалом, выделяют составляющие частотного спектра продетектированного сигнала и определяют скорость нормальных волн по формуле

30 . Си= — V (1) 1 п где С вЂ” скорость нормальных волн; р, — круговая частота сигнала генератора;

35 я — частота нормальных волн; скорость перемещения приемника звука;. номер нормальной волны.

Устройство для осуществления спо-, соба снабжено синхронным детектором, аналого-цифровым преобразователем и цифровым вычислительньм блоком, а звукоприемник установлен с возможностью перемещения вдоль волновода, причем один вход синхронного детекто- 45 ра- соединен с выходом усилителя, другой вхбд " - с генератором, а его выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к цифровому вычислитель- 50 ному блоку.

На фиг. 1.представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения в жидком волйоводе; на фиг. 2 - то же, измерения в твердом волноводе, когда применяется поверхностный приемник звука.

Устройство содержит волновод 1, излучатель 2, соединенный с гейератором 3. Приемник 4 звука выполнен с

""" возможностью перемещения по длине волновода в жидкой среде (фиг. 1) или по поверхности (фиг, 2). Усилитель 5 соединен с приемником 4 звука. Один . вход""синхронного детектора соединен с усилителем 5, а другой вход - с ге- 65 нератором 3. Выход детектора 6 связан со входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого подключен к цифровому вычислитеЛьному блоку 8.

Устройство работает следующим образом.

Излучатель 2, возбуждаемый синусоидальным сигналом с круговой частотой

Л от генератора 3, создает в волноводе 1 набор нормальных волн с разными скоростями в зависимости от акус1 тических и геометрических характеристик волновода. Поле в волноводе 1 можно представить в виде суперпоэиции бегущих или стоячих волн в виде р= А sinK хе (2) и где х - координата вдоль оси волновода;

А — амплитуда волны;

Я (3)

Приемник звука 4 перемещается равномерно со скоростью (вдоль оси волновода 1. Это означает, что координата х приемника = И, (4) где t — время перемещения приемника звука.

Поэтому сигнал с выхода приемника

4 можно получить, подставив формулы (3) и (4) в формулу (2)

Р=ЕАи

izt и C

П и п " и е в формуле (5) введено. обозначение

V () и "R — ° (6) с„

Таким образом, сигнал приемника 4 имеет высокочастотную Е п и низкочастотную Е А „sin „t составляющи

Сигнал с выхода приемника 4 звука после усилителя 5 подается на один. вход синхронного детектора 6, на другой вход которого подается опорный синусоидальный сигнал от генератора

3 с круговой частотой Я, . Сигнал с выхода детектора 6 содержит только низкочастотную составляющую синх дет Е A n s ï ()п1+3, (7) п где В :- постоянная составляющая детектора 6. Далее этот сигнал подается на вход преобразователя 7, где преобразуется в цифровую форму и подается на вычисляющую спектр нормальных волн т.е А> иИ„ для каждой нормальной волны из набора волн в волноводе 1,Максимумы в спектральной кривой соответствуют отдельйыи нормальным волнам, распространяющимся s волноводе с различной скоростью. После опреде- . ления частот спектра нормальных волн

6) вычисляют скорость каждой нормальи ной волны по формуле и

Cn =- — У, п

661326

Формула изобретения

Составитель И, Попова

Редактор О. Филиппова Тех ел Л.Алферова Ко ректор Г.Наэа ова

Закas 2431/39 Тираж 1089 Подписное..

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва E-35 Ра ская наб. 4 5

Филиал ППП Патент, r, Ужгород, ул. Проектная, 4

Спектральный анализ сигнала синхронного детектора можно вести не только аналого-цифровым преобразователем и ЭЦВМ, но и с помощью низкочастотного Фурьеаналиэатора аналогового или любого другого вида.

Предлагаемый способ и реализующее

его устройство позволяют при измерении скоростей нескольких нормальных волн, возбужденных в акустическом волноводе,pactIIHpHTb частотный диапазон измерений в сторону низких частот.

Зная скорости нормальных волн, ока- зывается возможньж найти структуру звукового поля в твердых волноводах, что важно при проектировании и изготовлении стержневых и балочных конструкций.

1. Способ измерения скоростей нормальных волн в акустических волноводах, основанный на возбуждении в волноводе одновременно нескольких нормальных волн и регистрации звукового поля в нем, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений в сторону низких частот, нормальные волны в волноводе возбуждают в непрерывном режиме, непрерывно во времени регистрируют звуковое поле вдоль волновода, полученный сигнал детектируют синхронно с возбуждающим сигйалом, выделяют составляющие частотного спектра про- детектированного сигнала и определяют скорость нормальных волн по формуле

Я, C„ V, "1 п где С вЂ” скорость нормальных волн;

Я, — круговая частота сигнала генератора;

Ы вЂ” частота нормальных волн; у — скорость перемещения приемни10. ка звука;

n — номер нормальной волны.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее излучатель, расположейный на торце волновода и соединенный с генератором, звукоприемник, подключенный к усилителю, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено синхронным детектором,аналого-цифровым преобразователем и цифровым вычислительным блоком,а звукоприемник установлен с возможностью перемещения вдоль волйовода,причем один вход синхронного детектора соединен с выходом усилителя, другой вход - с генератором,а его выход подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого подсоединен к цифровому вычислительному блоку.

Источники информации, принятые во . внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство

Р 478242, кл. Ц 01 М 29/00, 1973.

2. Под ред, У. МезОна. Физическая акустика. т. 1, часть А, М,, Мир, 1966, с. 196.