Устройство для измерения скорости звука

 

Изобретение относится к акустическому контролю и может быть использовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах. Цель изобретения - повышение точности измерения достигается за счет исключения из общего времени зондирования паразитного времени задержки сигнала в акустических и электрических цепях , а также за счет увеличения частоты коррекций управляемого генератора до (N-1) раз за один цикл работы распределителя путем применения N эхо-импульсов многократного отражения, принимаемых после единичного возбуждения акустического преобразователя. При работе устройства генератор 1 возбуждающих импульсов возбуждает преобразователь 2, и акустический сигнал, пройдя через среду и отразившись от отражателя 3, усиливается и нормализуется компаратором 5. В первом режиме работы цепочка, состоящая из компаратора 10, D-триггера 11, RS -триггера 12 и интегратора 13, формирует и запоминает постоянное напряжение, пропорциональное интервалу времени между пришедшим отраженным импульсом и импульсом, поступившим с распределителя 19. Во втором режиме работы этой цепью через RS-триггер 17 формируются управляющие сигналы, изменяющие частоту генератора 26 таким образом, чтобы эти интервалы времени стали равны нулю. В этом случае период зондирующих импульсов равен 2 Τ KC,(Τ KC - время распространения акустического сигнала в контролируемой среде до отражателя 3,) а частота пропорциональна скорости распространения звука. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 8 А1 (19) (ll) (51)4 G 01 N 29 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (&van ) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4242557/25-28 (22) 21 ° 04.87 (46) 23.04,89, Бюл. Ф 15 (71) Научно-производственное объединение космических исследований (72) А.M. Измайлов, Е.В, Митрофанова, Л.М. Миргородская:и С.Р, Данилова (53) 620.179.16(088.8) (56) Исмаилов Т.К., Измайлов А.ф,, Аллахвердова Ф.М. Состояние и некоторые перспективы развития средств измерения гидрологических параметров

Мирового океана. Измерения, контроль, автоматизация: Науч.-техн. сборник обзоров. — М., 1985, вып. 4 (56). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к акустическому контролю и может быть ncnoJIb зовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах. Цель изобретения — повышение точности измерения — достигается за счет исключения из общего времени зондирования паразитного времени задержки сигнала в акустических и электрических цепях, а также за счет увеличения частоты коррекций управляемого генератора до (n-1) раз за один цикл работы распределителя путем применения п эхо-им1474538 пульсов многократного отражения, принимаемых после единичного возбуждения акустического преобразователя. При работе устройства генератор 1 возбуждающих импульсов возбуждает преобразователь 2, и акустический сигнал, пройдя через среду и отразившись от отражателя 3, усиливается и нормали"зуется компаратором 5. В первом режиме работы цепочка, состоящая из компаратора 10, D-триггера 11, RS-триггера 12 и интегратора 13, формирует и запоминает постоянное напряжение, пропорциональное интервалу времени

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для измерения скорости ,распространения звука в жидких сре5 дах.

Цель изобретения — повышение точности за счет использования сигналов многократного отражения импульсов в акустическом канале, исключения пара- 10 зитного времени задержки и увеличения частоты коррекции управляемого генератора.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 — временные 15 дкаграммы (30-49), поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения скорости звука состоит из последовательно соединенных генератора 1 возбуждающих 20 импульсов, акустического преобразователя 2 и отражателя 3, ограничителя 4, компаратора 5, ключа 6,RS-триггера 7, RS-триггера 8 и генератора 9 линейно изменяющегося напряжения, и 25 каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные компаратор 10, D-триггер 11, RS-триггер 12 и интегратор 13, подключенный выходом к первому входу компаратора f0 схе- 30 мы И 14, выходом соединенной с управляющим входом RS-триггера 12 и двумя ключами 15 и 16, информационные входы которых подключены к прямому и инверсному выходам D-триггера 11 соответ35 ственно, управляющие входы соединены с входом схемы И 14, а выходы подмежду пришедшим отраженным импульсом и импульсом, поступившим с распределителя 19. Во втором режиме работы этой цепью через RS-триггер 17 форми.руются управляющие сигналы, изменяющие частоту генератора 26 таким образом; чтобы эти интервалы времени стали равны нулю. В этом случае период зондирующих импульсов равен 2 „, (- время распространения акустического сигнала в контролируемой среде до отражателя 3), а частота пропорциональна скорости распространения звука. 2 ил. ключены к соответствующим S-u R-входам RS-триггера 17, дифференцирующей цепи 18, включенной между объединенными четными выходами распределителя

19 импульсов и R-входом RS-триггера

7, схемами И 20 и 21, первые входы которых соединены с выходом RS-триггера 7, а вторые входы с прямым и инверсным выходами JK-триггера 22 соответственно, ключом 23, управляющий вход которого соединен с инверсным выходом JK-триггера 22, информационный вход — с вторым выходом делителя

24 частоты, а выход с S-входом RSтриггера 7, последовательно соединенных интегратора 25, подключенного входом к выходу RS"òðèããåðà 17,управляемого генератора 26 и регистратора

27, выход генератора 26 соединен с входом делителя 24 частоты, первый выход которого соединен с входом распределителя 19 импульсов, последовательно соединенных D-триггеров 28 и линии 29 задержки, соединенной выходом с управляющим входом ключа. 6, выход схемы И 20 соединен с вторыми входами всех схем И 14 и п каналов, выход генератора 9 линейно изменяющегося напряжения соединен с вторыми входами всех компараторов 10 из п каналов, выход RS-триггера 7 соединен с вторыми входами всех D-триггеров 11 из п каналов, нечетные выходы распределителя 19 импульсов, кроме первого, соединенного с С-входом D-триггера

28, подключены к соответствующим пер1474538 вым входам всех схем И 14 из и каналов, а выход схемы И 21 подключен к управляющему входу RS-триггера 17,а выход переноса распределителя 19 им- ° пульсов соединен со счетным входом

JK-триггера 22 и R-входами D-триггера 28 и RS-триггера 8, вход генератора 1 возбуждающих импульсов соединен с выходом D-триггера 28.

Устройство работает в двух режимах Л и Б, которые поочередно задаются уровнями логических сигналов па выходах JK-триггера 22 при поступлении на его счетный вход импульса пе1 ) реноса с распределителя 19 им»ульсов.

Устройство в режиме A работает следующим образом.

Уровень логической !1" с первого выхода JK-триггера 22 (фиг. 1) поступает на вход D-триггера 28. оторый срабатывает при посту)3ле!(и?1 на его С-вход импульса с первого выхода распределителя 19 (30, фиг. 2), При этом перепад напряжения на выходе . э

D-триггера 28 запускает генератор 1 возбуждающих импульсов, Генератор 1 формирует импульс

37 (фиг, 2) ударного возбу)(дения, поступающий на акустический преобра3(! зователь 2, который возбуждаясь, излучает акустический импульс н контролируемую среду. Акустический импульс после распространения в протекторе (звукопроводе) акустического преобразователя 2 частично проходит 35 в среду, а частично отражается от границы "протектор акустического преобразователя — среда" вследствие раэ-! личия их акустических импедансов, «40 возвращается обратно по толще протек- - тора к акустическому преобразователю

2, где преобразовывается в электрический импульс 38-1 (фиг.2) первого приемного сигнала. Через ограничитель

4 (фиг. 1) приемный импульс поступа 5 ет на компаратор 5, осуществляющий его временную "привязку" и нормирование по амплитуде 39 (фиг. 2).

Приемный импульс с выхода компаратора 5 поступает на информационный вход управляемого ключа б. Управление ключа 6 осуществляется от прямого выхода D-триггера 28 через линию 29 задержки, время задержки которой больше длительности возбуждающего импуль- =5 са генератора 1, íî меньц(е длительности временного интервала до поступления первого приемного импульсаТ 3!(».! 1 О бра 3 О! 1 л»1!?1?1; ) 3 О,д с. !))е!(:1 )р с . пятствует );г()(о:»(-(е)1»(О в .).ipктр! : ".к»е блоки устройства нозб3-.3;)а)с))(1(х 11!(liу ib— сои генера-. ", а 1. П())(ем()ы)! !(и )ульс

t! t ðÐ 3 К-lit)il )»OC (".)3 1 . T;.,! S — в:Од 1.81

fpIггера 7 (с)»r, 1) .

К8- гр»г гор 7 уст; ;!;1;.:. »»3;t t сt! )3

11 11

СOCтОЯ((»Е ЛО! !(ЧЕC!(O.", »С»! !!Ot. Т3 tl

:(ЕШ)И Н;. Е:-О ВХС П II )!.C. ";. Г )1)tl У:(!.СЗ

11 11I

1. сбрасыва е ) (л в (> . II» I !! 3)! 1 . . (t

»!))(ЕМ)1! ))!»М!-: ;: ПСОМ С ti(3 !".,! О !",; ):;0»(! раc):Iр до(1. » гл!)(1 9 (-Ioj) 3 !t!, ! с »1!ii г. )..ую»с»1 18) .

1)P O Ен)!1!й;11)Т O!)!! Qt ),,-. ж. -- ! (.1-; !» (!!Р(1!ТЛЬ 1 » 1»1 ;)Ь(О!3 С1 1)13 ) 1 -(° распре,;ели-.:..11 9 (3(.?, -!»г, пеРВьп(13!.»х() ".,))ь! 1»ьil! т))»t cx! !, 8 — ).О) I) (!—

pQt 7 (- О--, (: il,-, )):.j) l, (111 »3!) д 3 )г! ), i 1 rt j) »> 1 (31!! "г -! 01 л

- !»3 з С!((::::!. )В:)Ь).(У(;.С)! i- 3;-;.,; ..: ):,:. 1 - КО!11

)!КУСТ!)ЧС-;!1»:1).1» ?Т(:.(.,,-. С» 1:.I: !t. ;

Б !(О)!тр(1л !.) . с! .,ю срс:1 ., д. :!" I ., От- ра)кателя 3, возвращается бр::т -! Q C l I I! 0 I3 kt В (1 O TP Q)E(С!». ) !.. 1! I ) 1) O f P;"! ОРа lid .-CTI.(tit3CI(Or 0 ПР(О()РП (1)3;:,;(,1 (Я повтор»о у;Од»т в ко))тро)»(руемую среду, а частично пр»нимаст :! пкуст)(ческ»м преобразователеь: 11 ((р Образует 3 IIcI(f j)l1чес к)(Й»; (»3 k!c 38

{фиг. 2) — г, горой !(р»е)!)п)! . с!» нал, который через Ограшг»тсл! - t комп;— ратОр 5 11 к)1()(6 пОст3»! t ò I i Р":;(л

RS — тр»гr(!) а 7, форм)(р3 ющ!;.с !3T;);. t)) ; приемный»! I.. fë1 с 40-" (ф .

Време!»1»О» k(òeðâQë Ме.»,,у I(pj) t r),ø(ìè фронтами пор Ог0» )зторс гс»р()еь()»ых импульсов ла выходе гS-тр»ггej)QI 12 (43-1, 40- 2, ф",ã. );.) 3I)e). 2 с,,с, где 3Р (Л ) 3 1) ОСТP !Е! 11 3?(Г "ЕС кого импу)-.ьса в: О»3 ро:-1»русмой среде дО 0TpQ)E:QTBля! 3, !10c:1(lë:!;!!;Iiе (.j ием ные импульсы:ного: ратногО C г;);;:?:ен)(я и далее через интервалы времен» 2(„ возникают на выходе Е8-тр.(ггера 7, последователь»ость котсры;.; пре.;став— лена на временной д)3агра)(ь(е - ?С {1!)»г. 2), Перьы, прис -и и . »м».,с;,". 4()-1 (а)»1 2) с ь)1)хо .Q 1Б — тp»1 гера 7 поступае! !ta S — 1!)хv;, RS— - z"..» -г, j Q, 8. р)irr cp

1l! tl

8 устам;. л»в:j(-.. Tñ с . г(1. (е 1,, а

tl сllгнал л;. (чсского 1! ". Ого»! !I)3»= pcEiОг О Вых(. Qа I! О СТ ."! I 1 Т ) I?1 13:,"O;I, 1 !3! t е— ратора 9;»3)!ей(IO»çìe1! I":f(:(сг )си н I»j)E(жения (Г;1i;li) . Л)(1(с)!11- ».3?:i »?:: .,Оеся напряжение {- ?1 „фиг. 2), фор?н руе.-»ое ! .(1!1!! 9 t) tt :. .t 1;»1О

5 147453 пает на первые входы всех компарато-.

1 ров 10 из и каналов.

Работу формирователей рассмотрим на примере первого канала. Линейно изменяющееся напряжение с выхода ГЛИН

9 поступает на первый вход компаратора 10, на второй вход которого поступает уровень U напряжения с выхода интегратора 13 ° Выход компаратора 10 (42, фиг. 2) Фиксирует момент совпадения уровня U< напряжения е с линейным напряжением (41, фиг. 2).

Выходной импульс компаратора 10 поступает на D-вход D-триггера 11, на

С-.вход которого приходят приемные импульсы с выхода RS-триггера 7 (40, фиг. 2). D-триггер 11 служит дискриминатором, анализирующим временное взаиморасположение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) и второго (40-2, фиг.2), .приемного импульса с выхода RS-триггера 7.

При опережении переднего Фронта 25 выходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) на прямом выходе D-триг-, гера 11 возникает уровень логической

"1", который подается на S-вход уп" равляемого RS-триггера 12, подготав- Зо ливаемого к работе поступлением на первый вход схемы И 14 импульса с третьего выхода распределителя 19.

Сигнал логической "1" с выхода RSтриггера 12 поступает на вход инте35 гратора 13, подключая его к шине питания с высоким потенциалом. При этом уровень U< выходного напряжения интегратора 13 возрастает, вызывая тем самым сближение переднего фронта вы- 40 ходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) с передним фронтом второго импульса (40-2, фиг. 2) с выхода КЯтриггера 7.

При отставании переднего фронта вы- 4 ходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) от переднего фронта второго приемного импульса на выходе RS-триггера 7 (40-2, фиг. 2), на прямом выходе D-триггера 11 устанавливается

50 уровень логического "0". Управляемый

RS-триггер 12 также имеет на выходе

I уровень логического "0", и вход интегратора 13 подключается к шине питания с низким потенциалом. Уровень

U âûõîäíîãî напряжения интегратора

13 снижается, вызывая сближение передних фронтов дискриминируемых импульсов.

8 6

Аналогично описанному, каждый i-й формирователь осуществляет сближение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 i-го формирователя (43, фиг. 2) и (i+1)-ro приемного импульса (40-i, фиг. 2) многократногс отражения с выхода RS-триггера 7.

Установившийся режим характеризуется совпадением передних фронтов сближаемых импульсов. В установившемся режиме на интеграторах 13 запоминаются уровни U : U„, напряжений, моменты совпадения которых с линейно изменяющимся напряжением ГЛИН 9 соответствуют появлению на выходе RSтриггера 7 приемных импульсов многократного отражения, начиная с второго по п-й.

По окончании цикла режима А импульсом переноса Р распределителя 19 на выходе 2 JK-триггера 22 устанавливается уровень логической "1", соответствующий режиму Б.

При работе устройства в режиме Б не осуществляют возбуждение генератора 1 и, следовательно, зондирование акустическим сигналом .контролируемой среды.

В режиме Б Hà RS-триггер 7 через управляемый ключ 23 поступает последовательность импульсов 45 (фиг. 2) с второго выхода делителя 24 частоты, период которой в два раза больше длительности выходного импульса распределителя 19 импульсов. Выходной сигнал на выходе RS-триггера 7 (45, фиг. 2) повторяет сигнал на втором выходе делителя 24. ГЛИН 9 начинает формирование выходного линейно изменяющегося напряжения 46 (фиг. 2) с момента переключения RS-триггера 8 от первого (45-1, фиг. 2) выходного импульса RS-триггера 7.

Компаратор 10 выдает выходной импульс 47 (фиг.2) в момент совпадения уровня U, напряжения на его втором входе, хранящегося в памяти интегратора 13 после режима А, с линейно изменяющимся напряжением ГЛИН 9. . D-триггер 11 анализирует временное взайморасположение передних фронтов выходного импульса компаратора

10 (47, фиг. 2) и второго выходного импульса (45-2, фиг. 2) RS-триггера 7.

Если передний фронт импульса с вы хода компаратора 10 опережает передний фронт второго выходного импульса

RS-триггера 7, на выходе D-триггера

1474538

11 формируется сигнал логической "1", который через ключ 15 управляемый импульсом с третьего выхода распределителя 19 подается на S-вход RSЭ

5 триггера 17.

Поступление уровня логической на S-вход RS-триггера 17 при наличии управляемого уровня на Е-входе осуществляет переключение RS-триггера 17 в сос-ояние логической "1".

Сигнал логической "1" с выхода

RS-триггера 17 поступает на вход интегратора 25, подключая его зарядную емкость к шине питания с высоким потенциалом.

При этом уровень напряжения на выходе интегратора 25 повышается, вызывая увеличение частоты управляемого генератора 26, а следовательно, умень- 20 шая период Т следования импульсов на выходе RS-триггера 7 в режиме Б, осуществляя сближение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 (45, фиг. 2), второго импульса на выходе RS-триггера 7 (45-2, фиг. 2).

Если передний фронт выходного импульса компаратора отстает от переднего фронта, второго импульса RS-триггера

7, то D-триггер 11 не переключается, на его прямом выходе устанавливается уровень логического "0", а с инверсного выхода уровень логической "1" через ключ 16 поступает на R-вход

RS-триггера 17. При этом переключение триггера не осуществляется, а уровень 35 логического "0" на его выходе подключает интегратор 25 к шине питания с низким потенциалом, уменьшая уровень

его выходного напряжения. Выходная

40 частота управляемого генератора уменьшается, а период Т следования импульсов в режиме Б на выходе RS-триггера

7 увеличивается, тем самым сближая передний фронт второго импульса

RS-триггера 7 с передним фронтом выходного импульса компаратора 10.

Таким образом, через несколько циклов чередующихся режимов А и Б наступает установившийся режим, при котором в режиме А осуществляется возбуждение акустического преобразователя 2 и прием-преобразование многократно отраженных акустических импульсов, а также формирование и запоминание уровней U -ь П„ < напряжений, моменты совпадения которых с линейно изменяющимся напряжением

ГЛИН 9 (41, фиг. 2) соответствуют появлению на выходе RS-триггера 7 приемных электрических импульсов (фиг. 2), период следования которых равен 23, а в режиме Б осуществляется регулирование выходной частоты управляемого генератора 26 таким образом, чтобы период следования импульсов с второго выхода делителя 24 частоты, т.е ° выход RS-триггера 7 (45, фиг. 2), совпал с временными интервалами между моментами <--впадг— ния запомненных в режиме А уровней

U, -с- П„, напряжений с линейно изменяющимся напряжением. Как следует из временных диаграмм (фиг. 2) в установившемся режиме соблюдается равенство Т = 2 с.

Формула изобретения устройство для измерения скорости звука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов, акус— тический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов, первый компаратор, последовательно соединенные первый управляемый RS-триггер, первый интегратор, управляемый генератор, делитель частоты и распределитель импульсов, регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, и первый RS — òðèããåð, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными JKтриггером, первым D — триггером, линией задержки и первым ключом, информационный вход которого подключен к выходу первого компаратора, а выход— к S-входу первого RS-триггера, последовательно соединенными вторым

RS-триггером и генератором линейно изменяющегося напряжения, и каналами, каждый из которых состоит из последовательно соединенных компаратора, D-триггера, RS-триггера и интегратора, выходом подключенного к первому входу компаратора, схемы И, выходом соединенной с управляющим входом RSтриггера, и двух ключей, информационные входы которых подключены к прямому и инверсному выходам 0-триггера соответственно, управляющие входы подключены к первому входу схемы И, а выходы — соответственно к S- u Rвходам первого управляемого RS-триг

1474538

Составитель Л. Кондрыкинская

Редактор Н. Тупица Техред Л.Сердюкова Корректор Л. Патай

Заказ 1886/41 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

lI I1

Производственно-издательский комбинат Патент, r.Óæãoðoä, ул. Гагарина,101 гера, дифференцирующей цепью включенной между объединенными четными выходами распределителя импульсов и

R-входом первого RS-триггера, первой и второй схемами И, первые входы ко5 торых соединены с выходом первого

RS-триггера, а вторые входы — с прямым и инверсным выходами JK-триггера соответственно, вторым ключом>управляющий вход которого соединен с инверсным выходом JK-триггера, информационный вход — с вторым выходом делителя частоты, а выход — с S-входом первого RS-триггера, выход второй схемы И.подключен к управляющему входу первого RS-триггера, выход первой схемы И соединен с вторыми входами всех схем И из и каналов, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с вторыми входами всех компараторов из и каналов, выход первого RS-триггера соединен со счетными входами всех D-триггеров из и каналов, нечетные выходы распределителя импульсов, кроме первого, соединенного с С-входом первого D-триггера,подключены к соответствующим первым входам всех схем И из п каналов, выход переноса распределителя импульсов соединен со счетным входом JK-триггера и R-входами первого D-триггера и второго RS-триггера, а вход генератора возбуждающих импульсов подключен к выходу первого D-триггера.