Способ измерения скорости звука и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости звука. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения погрешности от дифракции звука в точке приема. В исследуемую среду излучают звуковые импульсы излучателем, регистрируют время прохождения ими заданного расстояния по моментам изменения фазы световой волны сфокусированного на оси излучателя когерентного излучения, перепендикулярного направлению излучения, по времени прохождения определяют скорость звука в среде. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕтСкИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)s G 01 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4724767/28 (22) 26.07.89 (46) 15.08.91. Бюл. M 30 (71) Морской гидрофизический институт

АН УССР (72) B,È.Áàáèé и М.В,Бабий (53) 620.179,16 (088.8) (56) Серавин Г.Н. Измерение скорости звука в океане, Л,: Гидрометеоиздат, 1979, с,136. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

ЗВУКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к акустическим измерениям, а именно к прецизионным измерениям абсолютных значений скорости распространения звука в жидкостях, в частности в морской воде. а также в газах.

Цель изобретения — повышение точности измерения скорости звука эа счет исключения погрешностей от дифракции звука в точке его приема.

На чертеже представлено устройство, реализующее способ измерения, Устройство состоит из измерительной камеры 1, представляющей собой, например, сосуд из коррозионностойкого материала, подвижного штока 2 с укрепленным на нем отражателем звука 3. уплотнителей (направляющих) 4, в которых перемещается шток 2 и механизма 5 продольного перемещения штока 2, например. винтовой пары, приводимой в движение электромотором через редуктор. Шток 2 связан с измерителем 6 продольного перемещения штока 2; в качестве измерителя 6 может быть исполь„„5Q„„1670425 А1 (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости звука. Цель изобретения — повышение точности за счет исключения погрешности от дифракции звука в точке приема. В исследуемую среду излучают звуковые импульсы излучателем, регистрируют время прохождения ими заданного расстояния по моментам изменения фазы световой волны сфокусированного на оси излучателя когерентного излучения, перпендикулярного направлению излучения, по времени прохождения определяют скорость звука в среде. 2 с,п.ф-лы, 1 ил. зован, например, серийно выпускаемый лазерный измеритель перемещений типа

ИПЛ-30К. В камере 1 установлен электроакустический излучатель 7, например, выполненный в виде диска иэ пьеэокерамики типа ЦТС или пьезокварца. В состав устройства также входит оптический интерферометр 8 Майкельсона с фотоэлектрической регистрацией. Оптический интерферометр

8 в свою очередь состоит иэ источника 9 когерентного непрерывного монохроматического света (например, гелий-неонового лазера с расширителем пучка), светоделителя 10 (например, светоделительного куба с полупрозрачным слоем ВВ), короткофокусного объектива 11 (например, фотообъектива с фокусным расстоянием -50 мм). вогнутого сферического зеркала 12 (например, с наружным покрытием) и с таким же фокусным расстоянием и углом раскрыва, как и у объектива 11, и зеркала 13, установленного в опорном плече. Для смещения зеркала 13 служит блок 14, выполненный в

1670425 виде пьезоэлектрического или магнитострикционного столбика, Интерферометр 8 также содержит фотоэлектрический приемник 15 (например, фотодиод или ФЭУ), фильтры низких 16 и высоких 17 частот (например, RC-фильтры), усилитель 18 низких частот (операционный усилитель), усилитель-формирователь 19 (например, операционный усилитель с компаратором), измеритель 20 временного интервала (между импульсами, поступающими с выхода усилителя-формирователя 19) в цифровом коде, В состав устройства входят вычислительный блок 21 и регистратор 22 (например, цифропечать или графопостроитель).

Позицией 23 показан схематически акустический импульс. распространяющийся от преобразователя 7 до отражателя 3 и обратно. Позицией 4 обозначено опорное напряжение смещения усилителя 18. Позицией L обозначено продольное перемещение штока 2. Позицией 24 обозначена исследуемая среда — газ или жидкость, например морская вода. Позицией F обозначен фокус (фокальное пятно) в рабочем плече оптического интерферометра, образованном объективом 11 и зеркалом 12. Генератор 25 подключен к излучателю 7.

Позициями а и б обозначены крайние положения отражателя 3 звука.

Фотоэлектрический приемник 15 соединен с входами фильтров 16, 17, выход фильтра 16 соединен с входом усилителя 18, выход усилителя 18 соединен с блохом 14, а выход фильтра 17 соединен с входом усилителя 19, выход усилителя 19 соединен с входом блока 20, выход блока 20 подключен к вычислительному блоку 21.

Измерительное плечо оптического интерферометра 8 размещено в исследуемой среде 24 в камере 1 между преобразователем 7 и отражателем звука 3 и образовано лежащими на одной оптической оси один против другого короткофокусным объективом 11 и вогнутым сферическим зеркалом 12 так, что фокусы объектив" 11 и зеркала со вмещены, этог их общий фокус F размещен на оси акустического пучка, а оптическая ось этого плеча интерферометра 8 ориентирована нормально оси акустического пучка, при этом ширина акустического пучка не поевышает расстояние между обьективом и сферическим зеркалом для устранения отражений.

Позицией "Сброс" обозначена цепь, соединяющая первый вход усили-еля 18 с землей, т.е. "обнуляащая его потенциал

- о сигналу с выхода вычислителя 2;. Она выполнена в виде ключа. управляющий вход

5 которого соединен с отдельным выходом вычислителя 21, Способ осуществляют следующим образом.

В исследуемую среду излучают акустические импульсы и регистрируют время прохождения или заданного расстояния по моментам изменения фазы световой волны, сфокусированного на оси акустического излучения когерентного излучения, перпендикулярного направлению акустического излучения.

Устройство работает следующим образом.

Источник 9 излу чвет параллельный пучок когерентного мо> хроматического све та длиной волны )., вакууме, Этот пучок света направляется на светоделитель 10, где делится на две части, Одна часть проходит через светоделитель 10 прямо к короткофокусному объективу 11, посредством которого пучком фокусируется в исследуемой среде в точке F нэ акустической оси преобразователя 7 пройдя фокус F в рабочем измерительном плече оптического интерферометра 8, пучок света попадает на поверхность сферического зеркала 12, отразившись r-- которой он снова собирается в фокусе F, проходит в обратном направлении через объектив 11 и возвращается в светоделитель 10, где отразившись от полупрозрачного слоя В В, направляется в фотоприемник 15. Другая часть светового пучка от источника 9 направляется светоделителем 10 на зеркало 13 установленное в опорном плече интерферометра. Отраженный от зеркала 13 опорный пучок света направляется обратно через светоделитель 10 в фотоприемник 15. В плоскости фотоприемника 15 опорное оптическое излучение интерферирует с пучком света, поступившим из рабочего плеча. Фотоприемник 15 преобразует интенсивность света в электрический сигнал, который поступает на вход фильтра 16 низкой частоты с полосой пропускания, например 0--1 кГц, С выхода фильтра 16 электрический сигнал поступает на один иэ входов операционного усилителя

18., на другой вход которого подается опорное напряжение U<, Выходное напряжение усилителя 18 посредством устройства 14 управляет положением зеркала 13 в опорном плече интерферометра, эбраэуя оптикоэлектрическую цепь отрицательной обратной связи, Напряжение 0 устанавливают такой величины. чтобы при замкнутом контакте "Сброс" перед началом цикла иэмергний средняя интенсивность I света, регистрируемая фотоприемником 15, соот1670425 ветствовала середине линейного участка интерференционной картины, т.е. 0,5 (Imax+

+ 1 п1 ), что соответствует случаю, когда интерферирующие опорный и рабочий световые пучки находятся в квадратуре (сдвиг по 5 фазе л/2 или 90") Гаким образом, эта оптикоэлектрическая цепь отрицательной обратной связи автоматически компенсирует медленные изменения разности оптических длин рабочего и опорного плеч интерферо- 10 летра, поддерживая ее постоянной на уровне л /2.

Пусть в начале цикла измерений скорости звука в исследуемой жидкости 2 1, например воде, механизм 5 г:ереме лет шток 5

2 в направляющих 4 и устанавливает отражатель звука 3 в исходное положение а, например верхнее. После этого возбуждается излучатель 7, от излучаю цей поверхности которого в исследуемой среде 24 20 распространяется в сторону отражателя 3 короткий акустический импульс 23, например, биимпульс длительность t = 1 мкс.

Распространяясь в среде 24 от излучателя 7 в сторону отражателя звука 3 в прямом на- 25 правлении, звуковой импульс 23 пересекает обьем. занимаемый сфокусированным световым пучком в раб чгм плече интсрферсметра (обозначен штри..овыми л ..-иями)

При прохождении звуковым импульсом 30 фокальной области г изменяется показатель преломления Л и света е исслсдуе;лой среде за сче воздействия на нее звукового давления, Зто изменен е описываегся со отношением 35

Лn= I р ) "ЛР

Cl n

1 < n 1 где частная производная

vP

= 1,4 10 О Па для вОды;

Л Р вЂ” амплитуда звукового давления в акустическом импульсе.

Прира1цениефазы Лрссе1овои олны в рабочей плече оптического интерферометра определяется выраж:-нием

2 (ф(, 2 6 ф (и 1 Р

Л. - "= -=.-- 1, где фф — эффективная дл1 на взаимодействия звука и света в рабочем плече интерферометра; порядок величины фф = 10 л, Пусть интенсивность звукового импульса G = 10 Вт/м, тогда в воде, где плот4 2 ность р.= 10 xi /м и скорость звука С = з, з

= 1.5 . 10 м/с амплитуда звукового давления будет

Р =У2рС G = 2 10 15. 10 10

=1,7 10 Па.

Если используем гелий-неоновой лазер с длиной световой волны Ло = 0,63 10 м, то

-6 для 1эфф = 10 м получим

1Q — з . 1 4, 1Q — 10 . 1 7 . 1Q5

AlP—

0 63 10

=75 10 долей периода (или долей интерференционной полосы).

Переводя Ар в радианы и угловые градусы, получим Лу = 7.5 10 360" угл.= 26 угл. или Ар = 7.5 10 2 л рад. =0,5 рад, что может быть легко зарегистрировано.

Если поперечный размер фокального пятна света d « /1.. гдето,— пространственная протяженность звукового импульса в среде. то приращение фазы Ар оптического интерферометра повторяет форму и длительн эсть звукового импульса. При длительности звукового импульса ги = 1 мкс,Л=

= с г, = 1.5 мм. Размер фокального пятна

Е света d — — 0,61 Л вЂ” —, где Л = — — длина волR n ны света в воде; и — показатель преломления света в воде: Š— фокусное расстояние обьектива (в воде), R — радиус отверстия (зрачка) объектива. При n = 1,33; 5 =

063 10 мм, Е = 50мм; К=10мм поllучим — з

063 1О 50 — 3 а =0,61 — =1,4 10 мм.

1,ЗЗ 10

Таким образом, условие d «Л хорошо выполняется.

Следовательно, при прохождении звукоаым импульсом фокальной области F рабо,е о измерительного плеча оптического интерферометра 8 на выходе фотоэлектрического приемника 15 возникает электрический импульс, по форме и длительности повторяющий акустический импульс. Этот короткий электрический импульс поступает на вход филь1ра 17 высоких частот с полосой прспускания, например 0,1 — 10 мГц, после которого он усиливается в усилителеформирователе 19, на выходе которого в момент перехода сигнала через "ноль" (в случае биимпульса) компаратор вырабатывает "стартовый" импульс, который поступает в измеритель 20, Прошедший фокальную область звуковой импульс 23 достигает поверхности отражателя 3 звука, от которой он отражается, снова проходит фокальную область в обратном направлении, в результате чего на выходе усилителя-формирователя 19 вырабатывается "стоповый" импульс, который поступает в измеритель 20. Он преобразует временной интервал 11 между

"стартовым" и "стоповым" импульсами в

1670425 цифровой код, который поступает в вычислительный блок 21, где он записывается в запоминающее устройство.

После этого вырабатывается команда, по которой механизм 5 перемещает шток 2 с отражателем 3 в нижнее положение б (штриховые линии) на величину L. Перемещение L измеряется измерителем 6 и в цифровом виде поступает в вычислительный блок 21, где записывается в запоминающее устройство..

Затем вырабатывается сигнал запуска генератора 25 и в исследуемой среде от излучателя 7 в сторону отражателя 3, находящегося в нижнем положении, начинает распространяться звуковой импульс, В результате пересечения им фокальной области F e прямом и обратном направлении на выходе усилителя-формирователя 19 вырабатываются "стартовый" и "стоповый" импульсы с временным интервалом т между ними, Преобразованный измерителем 20 временной интервал г в цифровом коде поступает в блок 21 и записывается в его запоминающем устройстве. После этого рассчитывается скорость звука по формуле

С = 2 / (r> — тг ), а результаты расчета отображают на регистра-.оре 22., Преимущество предложенных способа и устройства по сравнению с прототипом заключается в повышении точности измерений. Это обусловлено тем, что обеспечивается измерение скорости распространен. я

35 звука в режиме бегущих волн беэ возмущения акустического поля в точке приема

Формула изобретения

1. Способ измерения скоро ти звука, заключающийся в том. что излучают акустические импульсы в исследуемую среду и регистрируют время прохождения ими заданного расстояния, по которому определяютскорость звука, отл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения точности, регистрацию времени прохождения акустических импульсов осуществляют по моментам изменения фазы световой волны сфокусированного когерентного излучения, перпендикулярного направлению акустического излучения.

2. Устройство для измерения скорости звука. содержащее измерительную камеру, установленные в ней электроакустический излучатель и отражатель звука и последовательно соединенные измеритель временного интервала, вычислительный блок и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено оптическим интерферометром

Майкельсона и подключенным к выходу его фотоприемника фильтром верхних частот, выход которого связан с входом измерит,ля временных интервалов, г измерительное плечо интерферометра

Майкельсона выполнено иэ короткофокусного объектива и вогнутого сферического зеркала, имеющих общий фокус и установленных на одной опгической оси, перпендикулярной к оси электроакустическпго излучателя.

Г )

1i

Составитель Л.Кондрыкинская

Редактор А.Долинич Техред М.Моргентал Корректор С.Черни

Заказ 2739 Тираж 306 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101