Способ определения скорости звука в жидких средах

Изобретение относится к акустическим измерениям и предназначено для использования в ультразвуковой технике. Техническим результатом изобретения является увеличение точности измерения скорости звука. Указанный технический результат достигается за счет исключения недостатков большинства других методов измерения скорости в жидкостях, таких как погрешность измерения из-за неопределенности фазы на излучателе и отражателе, отсутствие контроля температуры в исследуемой жидкой среде за время проведения измерений, погрешность измерения из-за воздействия температуры на элементы конструкции, задающие базу измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и предназначено для использования в ультразвуковой технике, где необходимо знание скорости ультразвука.

Известны импульсные способы измерения скорости звука, основанные на определении временного интервала между моментами излучения и приема акустических импульсов при фиксированном времени распространения [RU 2208223]. Их основной недостаток - погрешность определения задержки принимаемого сигнала из-за изменения формы импульса при фиксированном пороге срабатывания, а также отсутствие учета изменения размера базы (расстояния между излучателем и приемником, или расстояния между акустоэлектрическим преобразователем и отражающем экраном) из-за температуры.

Известны частотно-временные измерители скорости звука в жидкостях [ПТЭ, 2003, №1, с.105-109], построенные по принципу следящего уравновешивания времени распространения акустического импульса в исследуемой среде на базовом расстоянии периодом импульса, кратным периоду колебаний управляемого генератора. Их недостатки в сложности достижения уравновешивания из-за паразитных задержек и отсутствия учета воздействия внешних факторов.

Существует двухчастотный способ измерения времени прохождения звуковой волной заданной базы, а соответственно, и скорости [DE 19841154]. Частоты выбираются достаточно близко, чтобы разностная частота обеспечивала однозначное определение скорости или времени распространения звука в заданном временном интервале. Полученная точность определения фазы таким способом не выше чем, например, в [RU 2208223, ПТЭ, 2003, №1, с.105-109].

Известны способы определения скорости при непрерывном излучении и приеме отраженной волны [SU 1797038]. Недостатком способов является неопределенность фазы сигнала при отражении от экрана.

Известен измеритель скорости звука, использующий непрерывное излучение с перестройкой частоты [Geophysics, v. 40, №6,1975, p.955-960]. В нем нет возможности исключить переотражения без существенного затухания в среде. Разность фаз и значения фазы, кратные 2π за счет изменения частоты, определяются на осциллографе по фигурам Лиссажу, что замедляет процесс измерения и уменьшает точность определения фазы. Наличие приемника и передатчика акустических сигналов усложняет конструкцию прибора.

Недостатком, присущим всем рассмотренным выше способам, является отсутствие контроля температуры исследуемой жидкой среды и учет влияния этой температуры на результаты измерений. Скорость звука в жидких средах при прочих равных условиях сильно зависит от температуры. Например, при измерениях скорости в морской воде, если за время проведения измерений произойдет изменение температуры на 1°С, скорость в воде может измениться на 0.25%, что приведет к увеличению относительной погрешности при измерении значения скорости звука (см. Справочник по гидроакустике/А.П.Евтютов и др. Л.: Судостроение, 1982, с.46). Кроме этого при проведении измерений появляется дополнительная погрешность из-за воздействия температуры на элементы конструкции, задающие базу измерения. Поэтому для проведения достоверных измерений скорости необходимо осуществлять контроль над температурой во время измерений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения скорости ультразвука в жидких средах [RU 2193760]. В предложенном прототипе пьезопреобразователем излучается и принимается ультразвуковая волна от движущегося на фиксированное расстояние поршня отражателя. Непрерывно определяется величина доплеровского смещения частоты отраженной волны, с помощью которого при известном размере перемещения поршня определяется скорость звука. За счет неравномерного движения поршня-отражателя исключается неопределенность фазы сигнала при отражении. Недостатком прототипа является необходимость механического движения отражателя и притом неравномерного, требующего управления движением от ЭВМ по заданному закону, что не только усложняет конструкцию, но и приводит к недостаточно точному знанию размера базы и увеличивает время проведения измерений. Отсутствует возможность контроля температуры. Все эти факторы уменьшают точность измерения скорости звука.

При создании заявляемого способа была поставлена задача - исключить недостатки большинства других методов измерения скорости в жидкостях, такие как погрешность измерения из-за неопределенности фазы на излучателе и отражателе, отсутствие контроля температуры в исследуемой жидкой среде за время проведения измерений, погрешность измерения из-за воздействия температуры на элементы конструкции, задающие базу измерения. Исключения данных источников погрешности позволит повысить точность измерения скорости звука.

Техническим результатом заявляемого способа является увеличение точности измерения скорости звука.

Для достижения поставленной задачи способ определения скорости звука в жидких средах включает излучение с помощью электроакустического преобразователя ультразвуковой волны в жидкую среду и прием с помощью того же электроакустического преобразователя отраженной ультразвуковой волны от экрана, расположенного в жидкой среде на расстоянии L от электроакустического преобразователя. Дополнительно в способе электроакустический преобразователь выполняют широкополосным. И элементы конструкции, задающие расстояние L, выполняют таким образом, чтобы обеспечить изменение ΔL расстояния L в виде известной величины, которая зависит от температуры жидкой среды. Перед проведением измерений температуру жидкой среды и элементов конструкции, задающих расстояние L, уравнивают, а ультразвуковую волну формируют из непрерывного опорного гармонического сигнала в виде импульса с заполнением (радиоимпульс РИ) длительностью, меньшей времени распространения РИ от излучения до приема. При этом с помощью синхронизации обеспечивают одинаковость начальной фазы для опорного сигнала и сформированного радиоимпульса для всех частот заполнения. После приема отраженной ультразвуковой волны электроакустическим преобразователем определяют набег фазы отраженного сигнала относительно опорного синхронным детектированием путем умножения отраженного РИ на опорный сигнал и интегрированием по длительности РИ. Далее описанные измерения повторяют несколько раз и усредняют. При этом количество повторяемых измерений определяют исходя из требований точности измерений. После чего осуществляют запоминание полученного значения фазы. И данную последовательность операций повторяют для каждого шага дискретной перестройки частоты излучения в диапазоне перестройки частоты от минимальной F₀ частоты до максимальной F_к. Шаг перестройки частоты берут таким, чтобы набег фазы за шаг перестройки не превышал π, для обеспечения однозначного определения фазы в интервале от 0 до 2π. Далее, используя последовательность записанных фаз при дискретном изменении частоты излучения, вычисляют полный набег фазы ΔФ при перестройке частоты от минимальной F₀ до максимальной F_к. За весь интервал времени измерения скорости производят измерение средней температуры по всей области распространения ультразвука от электроакустического излучателя до отражающего экрана. И значение усредненной по времени и пространству температуры используют для вычисления ΔL изменения расстояния L в зависимости от температуры жидкой среды, а значение скорости звука определяют по формуле:

Относительная погрешность измерения скорости звука в данном способе определяется: точностью задания расстояния L, точностью определения изменения расстояния ΔL, стабильностью частот опорного сигнала и точностью определения полного набега фазы ΔФ, при этом, так как точность определения набега фазы в интервале от 0 до 2π всегда ограничена стабильностью частот опорного сигнала и точностью задания расстояния L, относительная точность определения полного набега фазы ΔФ увеличивается при увеличении разности между максимальной частотой F_к и минимальной F₀. Также относительная погрешность измерения скорости звука зависит от стабильности температуры в жидкости.

Предложенный способ измерения скорости звука основан на измерении фазового набега акустического сигнала, излучаемого на разных частотах в средах без дисперсии, то есть в средах, где нет зависимости скорости звука от частоты.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит электроакустический излучатель 1.1 и отражающий экран 1.2, помещенные в исследуемую жидкую среду 1.3 на расстоянии L, измеритель температуры 1.4, усилитель отраженного сигнала 2, синхронный детектор 3, интегратор с обнулением 4, устройство выборки и хранения сигнала 5, формирователь пачки импульсов и синхронизации 6, программируемый генератор 7, контроллер с АЦП 8.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Контроллер 8 задает частоту программируемому генератору 7, с которого непрерывные колебания подаются на формирователь пачки импульсов и синхронизации радиоимпульсов (РИ) 6, а далее РИ электроакустическим преобразователем 1.1 излучается в жидкую среду 1.3, отражается от экрана 1.2 и принимается тем же электроакустическим преобразователем 1.1. С усилителя отраженного сигнала 2 сигнал поступает на синхронный детектор 3, куда в качестве опорного подается из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 непрерывный сигнал программируемого генератора. На выходе синхронного детектора 3 получается разностная и суммарная частоты принятого и опорного сигналов. Разность фаз синхронного детектора 3 выделяется в интеграторе 4, представляющем собой пиковый детектор с обнулением. По синхроимпульсу из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 отбрасывается несколько начальных периодов РИ в пиковом детекторе 4 и после этого из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 приходит строб, равный длительности РИ и разрешающий работу синхронного детектора 3 на время строба в данной посылке. Результат накопления импульсов пачки в интеграторе с обнулением 4 передается при поступлении синхроимпульса из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 в устройство выборки и хранения сигнала 5. Полученное напряжение поступает на вход АЦП 8 и при поступлении соответствующего синхроимпульса от формирователя пачки импульсов и синхронизации 6, преобразуется в цифровую форму и запоминается в оперативно запоминающем устройстве (ОЗУ) контроллера 8. После этого из формирователя пачки импульсов и синхронизации 6 поступает синхроимпульс на обнуление накопленного сигнала в интеграторе 4. Такие измерения повторяются несколько раз и усредняются. Затем контроллер 8 увеличивает частоту программируемого генератора 7 на заданную величину, и описанная процедура повторяется снова. Частоту программируемого генератора 7 пошагово увеличивают до достижения максимальной частоты излучения. В результате в контроллере 8 получается массив значений выходных напряжений, характеризующий последовательность записанных фаз при дискретном изменении частоты излучения от минимальной F₀ до максимальной F_к. Используя полученный массив определяется полный набег фазы ΔФ.

Предлагаемый способ был реализован в устройстве, схема которого представлена на чертеже. Расстояние L в устройстве задавалось с помощью инваровых (ГОСТ14082-78) стержней, закрепленных между корпусом электроакустического излучателя 1.1 и экраном (отражателем) 1.2. Исходя из паспортных данных на инвар, в которых температурный коэффициент линейного расширения инвара составляет 1·10^-6К^-1в диапазоне температур 20-80°С, осуществлялся расчет изменения ΔL расстояния L в зависимости от температуры. В качестве электроакустического излучателя 1.1 был использован пьезопреобразователь - ЦТС-19. Данное расстояние L составляло 120 мм, с относительной точностью не хуже 2·10^-6 (измерение длины проводилось в дистиллированной воде при 20.00°С). При измерении скорости звука производился контроль температуры протяженным на размер базы термометром 1.4 с точностью 0.1°С. Точное измерение температуры в интервале времени проводилось для определения разброса температур dТ. Усредненная по времени температура использовалась для учета изменений L введением соответствующих поправок ΔL при обработке данных в микропроцессоре.

Измерения скорости звука производились в дистиллированной воде. Количество импульсов в пачке составляло 35, из которых 5 начальных отбрасывались. Частота следования - 1кГц, минимальная частота излучения - 1 МГц, максимальная частота излучения - 1.3 МГц. Шаг по частоте в 1.5 кГц был взят из условия, что при шаге изменения частоты ультразвука, равном 3.1 кГц, сдвиг фазы равняется π, а для однозначного определения фазы в интервале от 0 до 2π набег фазы за шаг перестройки частоты не должен превышать π. Перед проведением измерений было выдержано время, необходимое для уравнивания температур жидкости и элементов конструкции, задающих расстояние L. Время измерения одного значения скорости составляло около секунды. Температура жидкости во время измерений составляла 20.00±0.1°С, разброс измеренных значений температуры за время измерений не превышал величину погрешности термометра. Была получена точность измерения фазы не хуже 3°. Полученное значение скорости звука в дистиллированной воде составило С=1482.4±0.4 (при точности измерения температуры ±0.1°С). Относительная точность определения скорости звука составила:

где - относительная погрешность определения расстояния L, равная 2·10^-6, - относительная погрешность определения поправки ΔL, равная 1·10^-6,

- относительная погрешность определения частоты F₀, равная 1·10^-6,

- относительная погрешность определения частоты F_k, равная 1.3·10^-6,

- относительная погрешность определения полного набега фазы ΔФ, равная 9·10^-5,

- относительная погрешность, связанная со стабильностью температуры при измерениях, равная 2·10^-4,

- коэффициент, характеризующий изменение скорости в жидкости при изменении температуры на 1°К (для воды ≈2.8(м/с)·К^-1), при измерениях dT=0.1K.

Способ определения скорости звука в жидких средах, включающий излучение с помощью электроакустического преобразователя ультразвуковой волны в жидкую среду и прием с помощью того же электроакустического преобразователя отраженной ультразвуковой волны от экрана, расположенного в жидкой среде на расстоянии L от электроакустического преобразователя, отличающийся тем, что электроакустический преобразователь выполняют широкополосным, и элементы конструкции, задающие расстояние L, выполняют таким образом, чтобы обеспечить изменение AL расстояния L в виде известной величины, которая зависит от температуры жидкой среды, при этом перед проведением измерений температуру жидкой среды и элементов конструкции, задающих расстояние L, уравнивают, а ультразвуковую волну формируют из непрерывного опорного гармонического сигнала в виде импульса с заполнением (радиоимпульс РИ) длительностью, меньшей времени распространения РИ от излучения до приема, кроме этого с помощью синхронизации обеспечивают одинаковость начальной фазы для опорного сигнала и сформированного радиоимпульса для всех частот заполнения, после приема отраженной ультразвуковой волны электроакустическим преобразователем определяют набег фазы отраженного сигнала относительно опорного синхронным детектированием путем умножения отраженного РИ на опорный сигнал и интегрированием по длительности РИ, далее описанные измерения повторяют несколько раз и усредняют, при этом количество повторяемых измерений определяют, исходя из требований точности измерений, после чего осуществляют запоминание полученного значения фазы, и данную последовательность операций повторяют для каждого шага дискретной перестройки частоты излучения в диапазоне перестройки частоты от минимальной F₀ частоты до максимальной F_k, при этом шаг перестройки частоты берут таким, чтобы набег фазы за шаг перестройки не превышал π, для обеспечения однозначного определения фазы в интервале от 0 до 2π, далее используя последовательность записанных фаз при дискретном изменении частоты излучения вычисляют полный набег фазы ΔФ при перестройке частоты от минимальной F₀ до максимальной F_k, при этом за весь интервал времени измерения скорости производят измерение средней температуры по всей области распространения ультразвука от электроакустического излучателя до отражающего экрана, и значение усредненной по времени и пространству температуры используют для вычисления ΔL изменения расстояния L в зависимости от температуры жидкой среды, а значение скорости звука определяют по формуле:
.