Способ определения скорости звука в среде и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

-(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4947871/28 (22) 20.03.91 (46) 23.05.93. Бюл. ЛЬ 19 (71) МГУ им. М.В.Ломоносова (72) Б.И.Гончаренко и В.А.Гордиенко (56) Серавин Г.Н. Измерение скорости звука в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, с.122140.

Блинова Л.П. и др. Акустические измерения. М.: Стандартов, 1971, с.107-109. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ

ЗВУКА В СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО .

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть в частности использовано для определения изменения скорости звука в исследуемой среде по отношению к скорости звука в заданной (например, водной) среде.

Цель изобретения — повышение достоверности определения скорости звука в среде.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения скорости звука в среде; на фиг.2 — зависимость значений Лот изменения отношения Cx/Co.

Устройство для определения скорости звука в среде содержит последовательно соединенные звуковой генератор 1, усилитель мощности 2 и излучатель звука 3, последовательно соединенные приемник 4 звуково„„5g „„1816970 А1 определения изменения скорости звука в исследуемой среде. Цель изобретения — повышение достоверности определения скорости звука в среде. Суть изобретения заключается в том, что скорость звука в плоской звуковой волне определяют с учетом соотношения разности и суммы между звуковым давлением и его градиентом в среде.

В устройстве на выходе сумматоров формируются характеристики направленности кардиоидного типа. Разность фаз полученных характеристик учитывается при определении скорости звука. При этом исключаются погрешности при определении колебательной скорости ввиду отсутствия таких приемников. 2 с.п.ф-лы. 2 ил. го давления и усилитель 5, последовательно соединенные приемник 6 градиента звуко.вого давления, ориентированный максиму- О мом направленности на излучатель Ч )

Ззвука, и усилитель 7 с регулируе м ы м коэффициентом усиления и 0) процессор 8, подключенные к в ы х о д у усилителя 5 последова-! тельно соединенные интегратор 9, первый сумматор 10, первый квадратичный детек- тор 11 и блок 12 деления, выходом соединенный со входом процессора 8, подключенные к выходу усилителя 7 с регулируемым коэффициентом усиления последовательно соединенные инвертор 13, второй сумматор 14 и второй квадратичный детектор 15, соединенный со вторым входом блока 12 деления, и фазометр 16, входа1616970 ми соединенный с выходами сумматоров, а выходом — с управляющим входом процессора, второй вход первого сумматора 10 соединен с выходом усилителя T c регулируемым коэффициентом усиления, а второй вход второго сумматора 14 соединен с выходом интегратора 9.

Существенной особенностью изобретения является измерение мгновенных значений звукового давления и его градиента практически в одной точке. Это достигается тем, что используется акустический преобразователь, в котором совмещены приемник звукового давления и приемник градиента давления. Приемная система располагается от излучателя на таком расстоянии r, чтобы выполнялось условие плоской звуковой волны,.при использовании точечного излучателя должно выполняться условие k >3, где k — волновое число.

В плоской звуковой волне давление и градиент звукового давления связаны следующим известным соотношением. с=) dt=P, д дг где с — скорость звука в среде.

Учитывая это, можно записать сумму и разность между звуковым давлением и его градиентом в среде с неизвестной скоростью звука в следующем виде р — c> dt-а; дг р + cx f ф dt - b. д

Константа выбирается из условия, когда среднее проинтегрированное значение равно нулю. Далее усредняя квадраты этих значений за время r, кратное или существенно больше периода колебаний, чем время Т.

Отношение этих величин будет

„у Р

Это отношение с учетом (1), если с со известная скорость звука в заданной среде, можно преобразовать к следующему виду

<(p- —" — f dt)2 >т 1+ —"

Со /

Тогда искомую величину сх можно определить иэ следующего соотношения с учетом того, что она может принимать значения как больше известной скорости звука в среде, так и меньше.

1 + + Л сх со (2) 10 Верхние знаки в числителе и знаменателе выбираются в случае, если разность фаз между суммой и разностью мгновенных значений звукового давления и проинтегрированным значением градиента давления

15 равна л, в противном случае выбираются нижние знаки в числителе и знаменателе.

Работа устройства для осуществления способа определения скорости звука в среде заключается в следующем.

20 Частота, на которой осуществляется измерение, и горизонтальное расстояние между излучателем и приемной системой выбираются из условия существования плоской звуковой волны или дальнего поля (кг>

25 3). Приемная система состоит из совмещен- ного в одном корпусе ненаправленного приемника 4 звукового давления и приемника б градиента звукового давления, имеющего, косинусную характерис;ику направленно30 сти и ориентированного максимумом характеристики направленности на излучатель. В среде с известной скоростью звука с, например, в водной среде принятый сигнал с приемников 4 и 6 поступает соответственно на;

35 интегратор 9 и инвертор 13 и далее на сумматоры 10 и 14, на выходе которых образуется сигнал, пропорциональный разности и сумме между давлением и его градиентом.

С учетом характеристик направленности

40 приемников 4 и 6 на выходе сумматора формируется характеристика направленности кардиоидного типа с минимумом, направленным на излучатель. Предварительным усилителем с регулируемым коэффициен45 том усиления, добиваются минимума (практически нулевого значения сигнала) напряжения на выходе блока деления 12.

Следует отметить, что экспериментальное значение отношения разности между звуко50 вым давлением и его градиентом к их сумме на фиксированной частоте звукового сигнала при кардиоидной характеристике направленности может достигать 35 — 40 дБ.

Именно этой величиной определяются по55 тенциальные возможности способа определения скорости звука в среде. С выходов сумматоров сигнал поступает на фаэометр

16, который измеряет разность фаз мгновенных значений между суммой и разно

1816970 стью звукового давления и проинтегрированным значением его градиента. Измеренное значение разности фаз подается на процессор, с учетом которого вычисляется. искомая величина. В среде с неизвестной 5 скоростью звука будет другое значение отношения разности между звуковым давлением и его градиентом к их сумме, с учетом которого в соответствии с формулой (2) в процессоре определяется искомое эначе- 10 ние скорости звука, На фиг.2 приведена теоретическая зависимость значений Л, выраженных в децибелах, от изменения отношения cx/со. Как следует из приведенного графика наибольшая точность 15 определения скорости звука в среде предложенным способом реализуется при изменении cx/co в пределах 0,4 < cx/co а 3 так, например, при изменении сх/со на 10 величина Л изменяется на 7-10 дБ, что в 20 реальных условиях вполне измеряемая величина..

Формула изобретения

1. Способ определения скорости звука 25 в среде, заключающийся в том, что в среду излучают звуковой сигнал, принимают прошедший через нее сигнал, измеряют звуковое давление и сигнал, пропорциональный колебательной скорости, по которым судят 30 о контролируемом параметре, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения достоверности, измеряют разность фаз между звуковым давлением и сигналом, пропорциональным колебательной скоро- 35 сти, формируют зависимости разности и суммы измеренных параметров с учетом разности фаз между ними, измеряют разность фаз сформированных зависимостей, а скорость звука в среде определяют с учетом отношения сформированных зависимостей и разности фаз между ними.

2. Устройство определения скорости звука в среде, содержащее последовательно соединенные звуковой генератор, усилитель мощности и излучатель звукового сигнала, последовательно соединенные приемник звукового давления и усилитель, последовательно соединенные приемник градиента звукового давления, ориентированный максимумом направленности на излучатель звука; и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления и процессор, о тл и ч а ю щ ее с я тем, что, оно снабжено подключенными к выходу усилителя последовательно соединенными интегратором, первым сумматором, первым квадратичным детектором и блоком деления, выходом соединенным с входом процессора, подключенными к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления последовательно соединенными инвертором, вторым сумматором и вторым квадратичным детектором, соединенным с вторым входом блока деления, и фазометром, входами соединенным с выходами сумматоров, а выходом — суправляющим входом процессора, второй вход первого сумматора соединен с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, а второй вход второго сумматора соединен с выходом интегратора.

1B16970

-10

Составитель Б.Гончаренко

Техред М.Моргентал Корректор Н.Гунько

Редактор

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

Заказ 1717 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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