Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды и устройство для его осуществления

Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и средствам определения скорости распространения звука в среде и скорости движения среды, и может быть широко использовано в системах навигации, метеорологии и других об .,1гИ (/)

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<„, 001 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3651823/25-28 (22) 14. 10 ° 83 (46) 28,02.87. Был. И - 8 (71) Институт прикладной физики

АН БССР (72) В.Я.Зенин, В.И,Крылович, В.B.Ìèõàëüêîâ и А.Д.Солодухин (53) 534.22(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 599205, кл . G 01 Н 29/00, 1976.

Авторское свидетельство СССР

У 905767, кл. 0 01 Н 29/00, 1980. п» (ап 12 A 1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЗВУКА В СРЕДЕ И ВЕКТОРА СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и средствам определения скорости распространения звука в среде и скорости движения среды, и может быть широко использовано в системах навигации, метеорологии и других об1293492 ластях. Целью изобретения является повышение точности измерения величины и направления скорости движения среды и скорости распространения звука в среде за счет введения регулируемого эталонного канала в функции изменяющихся параметров. В устройстве помимо трех расположенных взаимно перпендикулярно измерительных каналов 1, 2, 3 используется четвертый эталонный канал 4, аналогичный первым трем, который находится в тех же условиях, что и измерительные, но зищищен от воздействия ветра. Длины акустических баз всех каналов устанавливаются одинаковыми. Через воздушную среду пропускают в одном направлении ультразвуковые колебания, проИзобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и средствам определения скорости распространения звука в среде и скорости движения среды, и может быть использовано в системах навигации, метрологии и других областях.

Цель изобретения — повьш ение точности измерения величины и направления скорости движения среды и скорости распространения звука. в среде за счет введения регулируемого эталонного канала в функции изменяющихся параметров, На чертеже приведена блок-схема устройства, Устройство для определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, содержит четыре акустических канала

1-4, три из которых I, 2 и 3 расположены во взаимно перпендикулярных

-направлениях, а четвертый канал 4— в произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, включающие в себя последовательно электроакустически соединенные излучающий 5-8 и приемный 9-12 преобразователи, полосовой усилитель

13-16, амплитудный детектор 17-20, 5

f0

30 модулированные по амплитуде звуковой частотой. Частота модуляции изменяется таким образом, что разность фаэ колебаний этой частоты на излучателе

8 и приемнике 12 эталонного канала поддерживается равной 7 . Если в процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность, давление, газовый состав) изменяются, то в эталонном канале 4 формируется сигнал рассогласования, управляющий частотой задающего генератора 33.

При этом эталонный канал 4 позволяет определить скорость звука в воздухе, а измерительные каналы — составляющие скорости ветра в трех взаимно перпендикулярных направлениях. 2. с и 1 з . п. Ф-лы, 1 ил. амплитудный дискриминатор 21-24 и формирователь 25-28, первый 29 и второй 30 блоки вычислений, первый

31 и второй 32 индикаторы, подключенные соответственно к выходам первого 29 и второго 30 блоков вычислений, генератор 33 зондирующих импульсов, состоящий из последовательно соединенных высокочастотного опорного генератора 34, первого 35 и второго 36 делителей частоты, первого полосового Фильтра 37 и модулятора 38, выход которого подключен к излучающим преобразователям 5-8, второго полосового фильтра 39, входом .подключенного к выходу первого делителя

35 частоты, а выходом — к второму входу модулятора 38, подключенные в каждом из трех взаимно перпендикулярных каналов I„ 2, 3 последовательно соединенные временной селектор 40, 4 I, 42; первый выход которого подклю-. чен к выходу формирователя 25, 26, 27 акустического канала 1, 2, 3, а второй вход подключен к выходу формирователя 28 четвертого акустического канала 4„ схему И 43, 44, 45, вторым входом подключенную к выходу высокочастотного опорного генератора

34, счетчик 46, 47, 48, третий блок

49 вычислений, входами подключенный

Способ осуществляется следующим образом. Формируются высокочастотные колебания, частота которых выбирается из условия

N — = S, 2 где ) — длина волны высокочастотных колебаний;

10 S — акустическая база, N — целое число.

Например, при S = 0 5 м, Ч = 344 м/с (скорость звука в воздухе при

= +20, С) и N = 10000, используя соотношение

С

f о (2) где f — частота ультразвуковых коо лебаний;

С вЂ” скорость ультразвука, — длина ультразвуковой волны, получаем и = 3,4 ° 10 Гц. Сигнал (импульсный) этой частоты использует . ся в качестве опорного и определяет цену младшего дискретного разряда при измерении разности фаз низкочастотных колебаний измерительных и эталонного принимаемых сигналов. Этот же сигнал частоты f преобразуется в о гармонические электрические колебания частоты и /10 и и /104, поступающие на модулятор, с выхода которого амплитудно-модулированный сигнал с несущей ультразвуковой частотой и звуковой частотой амплитудной модуляции с помощью электроакустических преобразователей излучается в воздушную среду. При этом разность фаэ излученных и принятых колебаний в эта-, лонном канале равна МЧ = . Если в процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность, давление, газовый состав) изменяются, то условие ьЧ = нарушается.

В этом случае в эталонном канале формируется сигнал рассогласования, который используется для управления частотой задающего генератора. В результате автоподстройки частоты разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном канале все время остается равной Я .

Таким образом, эталонный канал позволяет определить скорость звука в воздухе, а измерительные каналы вместе с эталонным — составляющие скорости ветра в трех взаимно пер3 1293492 к выходам первого блока 29 вычислений и счетчиков 46, 47, 48,а выходами— к входам второго блока 30 вычислений, четвертый блок 50 вычислений, входами подключенный к выходам третьего блока 49 вычислений, и временных селекторов 40, 41, 42, третий индикатор 51, входом подключенный к выходу четвертого блока 50 вычислений, частотомер 52, входом подключенный к выходу второго делителя 36 частоты, а выходом — к входу первого блока

29 вычислений, и блок 53 автоматического регулирования частоты, выполненный в виде последовательно соединенных пятого формирователя 54, вхо . дом подключенного к выходу второго делителя 36 частоты, триггера 55, вторым входом подключенного к выходу формирователя 28 четвертого акусти- 20 ческого канала 4, четвертой схемы

И 56, вторым входом подключенной к выходу высокочастотного опорного генератора 34, четвертого счетчика 54, схемы 58 сравнения и интегратора

59, выходом подключенного к входу высокочастотного опорного генератора 34, и запоминающего блока 60, выходом подключенного к второму входу схемы 58 сравнения. 30

Сущность способа состоит в том, что помимо трех расположенных взаимно перпендикулярно в открытом воздухе измерительных каналов дополнительно используется, четвертый, ана- 35 логичный первым трем, эталонный канал, который находится в таких же условиях, как и измерительные, но защищен от воздействия ветра. Измвряются разности фаз между низкочас- 40 тотными огибающими принятых сигналов в эталонном и в каждом из измерительных каналов. При этом длины акустических баз всех четырех каналов устанавливаются одинаковыми. В этом 45 случае измеряемые разности фаз прямо пропорциональны соответствующим составляющим вектора скорости ветра.

Для обеспечения помехозащищенности от естественных шумов в звуковом 50 диапазоне частот через воздушную среду пропускаются в одном направлении ультразвуковые колебания, промодулированные по амплитуде звуковой частотой. Частота амплитудной модуляции изменяется таким образом, что разность фаз колебаний этой частоты на излучателе и приемнике эталонного канала подцерживается равной и.

1293492 (3) С = 2fS

К 2 + К2 ) л - 2К К2

4K„K2 (К2 «.К2 ) 2

2 2

K +

4К2 4Кч 15

2 л (4) К2а + К2 1

V2 -C -22 — кт-

2 + з ) . 20

4К (5) К2 + К2

2 2К К

4 к (6) (7) V

V2

А = arctg —;

= arctg

3 (8) 30 (9) где С—

S

V,,7,Ч

2 Э

2 ЬЧ

k-Ü f, 1 Cll 3

Г- ь з

К2 = K2 + K2 + K

2 2

55 пендикулярных направлениях, которые . пропорциональны измеряемой разности фаз между сигналами, принятыми в каждом иэ измерительных и эталонном каналах.

Вычисления величины и направления скорости движения среды проводятся по следующим формулам: скорость звука в воздухе, 35 звуковая частота модуляции; длина акустической базы; — составляющие скорости движения среды в трех взаим40 но перпендикулярных направлениях; лЧ, ь М2, ь Чд — разность фаз между

19 сигналами на приемниках в канале с неподвижной воздушной средой и в соответствующем измерительном канале;

V — скорость ветра, К вЂ” угол, образованный проекцией вектора скорости Метра на горизонтальную плоскость с выбранным базовым направлением;

8 — угол, образованный вектором скорости ветра с вертикальным направлением.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 34 работает на частоте f, определяемой из условия (?). С выхода задающего генератора

34 высокочастотные электрические импульсы поступают на вход первого делителя 35 частоты, на выходе которого получаем сигнал f,/10, т. е. несущую ультразвуковую частоту, подлежащую излучению, которая с помощью второго полосового фильтра 39 преобразуется в синусоидальный сигнал и поступает на модулятор 38. Здесь она модулируется низкой, звуковой частотой синусоидальной формы, которую мы получаем с помощью второго делителя 36 частоты, на выходе которого имеем сигнал Г /10 и первого полосового фильтра 37. Длина волны сигнала звуковой частоты составляет 2$.

Устройство и принцип работы каждого из каналов 1, 2, 3 аналогичны.

Рассмотрим работу одного из каналов

1, 2, 3. Амплитудно-модулированный сигнал с выхода модулятора 38 поступает на излучающий преобразователь

5, где происходит преобразование электрических сигналов в звуковые. На приемном преобразователе 9 происходит преобразование принятых акустических сигналов в электрические. Принятые колебания с помощью полосового усилителя 13 усиливаются, детектор

17 выделяет низкочастотную огибающую ультразвуковых колебаний, которая амплитудным дискриминатором 21 преобразуется в прямоугольные импульсы той же частоты, а формирователь 25 по переднему фронту этого импульса формирует короткий импульс, Аналогичные преобразования претер- певает сигнал в эталонном канале 4, который изолирован от воздействия ветра. Звуковая частота выбирается таким образом, что половина длины ее .волны точно укладывается на длине акустической базы. В результате разность фаз сигналов на излучаемом преобразователе 8 и приемном преобразователе 12 в эталонном канале 4 постоянна и равна 7

1293492

В результате того, что в измерительном канале 1 звуковые колебания распространяются в движущейся среде, а в эталонном канале 4 — в неподвижной, короткие импульсы с выхода формирователей 25 и 28 будут приходить не одновременно. Если скорость ультразвука и скорость движения ветра в канале 1 по направлению совпадают, то сигнал с выхода формирователя

25 появится раньше, чем сигнал с выхода формирователя 28, и временной селектор 40, на входы которого подаются оба эти сигнала, формирует импульс, длительность которого равна временной разности поступления этих сигналов. Сигнал с выхода временного селектора 40 поступает на схему И 43, открывает ее, и на вход счетчика 46 поступают счетные импульсы с выхода генератора 34. В результате в счетчике 46 оказывается записанным с высокой точностью цифровой эквивалент разности фаз сигналов измерительного канала 1 и эталонного канала 4, код которого поступает на второй блок 49 вычислений. Кроме того, .на втором выходе (плюсовом) временного селектора 40 появится сигнал, информирующий о положительном знаке составляющей скорости ветра Ч, ко торый поступает в четвертый блок 50 ,вычислений.. Если скорость ультразвука и скорость движения ветра направлены навстречу друг другу,то задерж.ка B измерительном канале 1 будет больше, чем в эталонном канале 4, и сигнал с выхода формирователя 28 появится раньше, чем с формирователя

25, и временной селектор 40 опять формирует импульс длительностью, равной временному запаздыванию одного импульса относительно другого, который открывает схему И 43,и в счетчике 46 с высокой точностью записывается цифровой эквивалент разности фаз, код которого поступает во второй блок 49 вычислений, а на третьем выходе (минусовом) временного селектора появится сигнал, информирующий от отрицательном направлении V который поступает в четвертый блок 50 вычислений. Измерительные каналы 2 и 3 для измерения V и, Ч составляющих скорости ветра работают аналогично.

Для компенсации зависимости скорости распространения звуковых колебаний от параметров воздушной среды (температуры, влажности, давления, газового состава) и соответственно для увеличения точности, в устройстве используется блок 53 автоматического регулирования частоты.

Блок 53 работает следующим образом. Импульсом с выхода формирователя

54, входом подключенного к выходу второго делителя 36 частоты, триггер

55 опрокидывается и в счетчик 57 через схему И 56 поступают счетные импульсы, Импульсом с выхода формирователя 28 триггер 55 возвращается в исходное состояние и в счетчике 57 оказывается записанным цифровой эквивалент разности фаз в эталонном канале между акустическими колебаниями на излучателе. и приемнике, код .coToporo сравнивается в схеме 58

-сравнения с кодом фиксированного эталонного числа, записанного в запоминающем блоке 60. В случае изменения параметров воздушной среды происходит изменение скорости распространения звуковых колебаний, а следовательно, и разности фаз между сигналами на излучателе и приемнике, в результате чего код эталонного числа в запоминающем блоке 60 отличается от кода числа в счетчике 57, Поэтому схема 58 сравнения выдает сигналы рассогласования "Больше" или

"Меньше", которые интегратором 59

35 преобразуются в управляющее напряжение, с помощью которого происходит изменение частоты высокочастотного опорного генератора 34 в соответствующую сторону. При совпадении кодов

40 указанных чисел схема 58 сравнения не выдает сигнала рассогласования.

Система автоматического регулирования на основе схемы 58 сравнения и интегратора 59 обеспечивает поддержа-, 45 ние частоты генератора такой, что на длине акустической базы S всегда будет укладываться постоянное число импульсов, значение которого опреI

И

5Я деляется числом —, в формуле (1) . Та2 ким образом, блок 53 автоматического регулирования частоты так управляет частотой генератора 34, что половина

55.излучаемой волны точно укладывается на длине акустической базы S вне зависимости от состояния среды и разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном, а также в каж1293492

55 дом из измерительных каналов, в случае отсутствия ветра, остается постоянной и равной li . Устройство обеспечивает высокую точность скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды. формула изобретения

1. Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, включающий размещение пар излучающих и приемных преобразователей н двух взаимно перпендикулярных направлениях на фиксированном расстоянии, излучение и прием ультразвуконых колебаний и измерение времени задержки при прохождении фиксированного расстояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерениИ, излучают модулированные ультразвуковые сигналы н трех взаимно перпендикулярных направлениях и в четвертом, произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, определяют разность фаз между сигналами, прошедшими. среду н трех взаимно перпендикулярных направлениях относительно сигнала, прошедшего в четвертом, произвольном напранлении, в котором разность фаз между излучаемым и принимаемым сигналами поддерживают постоянной и равной 3i и с учетом измеренных величин определяют искс ые параметры.

2. Устройство для определения ско/ рости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, содержащее четыре акустических канала, три из которых расположены во взаимно перпендикулярных направлениях, а четвертый — в произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, и включающие н себя последовательно электроакустически соединенные излучающий и приемный преобразователи, полосовой усилитель, амплитудный детектор, амплитудный дискриминатор и формиронатель, первый и второй блоки вычислений, первый и второй индикаторы, подключенные соответственно к выходам перного,и второго блоков вычислений, и генератор зондирующих импульсов, выходом подключенный к излучаю" щим преобразователям, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью поньппения точности измерений,. генератор зондирующих импульсов выполнен н

ll5

40 виде последовательно соединенных высокочастотного опорного генератора, первого и второго делителей частоты, первого полосового фильтра и модулятора, выход которого является выходом генератора зондирующих импульсов, и второго полосового фильтра, входом подключенного к выходу первого делителя частоты, а выходом — к второму входу модулятора, устройст- во снабжено подключенными к каждому из трех взаимно перпендикулярных каналов последовательно соединенными временным селектором, первый вход которого подключен к выходу формирователя акустического канала, а второй вход подключен к выходу формирователя четвертого акустического канала, схемой И, вторым входом подключенной к выходу высокочастотного опорного генератора, и счетчиком, третьим блоком вычислений, входами подключенным к выходам первого блока вычислений и счетчиков, а выходами к входам второго блока вычислений, четвертым блоком вычислений, входами подключенных к выходам третьего блока вычислений и временных селекторов, третьим индикатором,,входом подключенным к выходу, четвертого блока вычислений, частотомером, входом подключенным к выходу второго деличеля частоты, а выходом — к входу первого блока вычислений и блоком автоматического регулирования частоты, первым входом подключенным к выходу второго делителя частоты, вторым входом — к выходу высокочастотного опорного генератора, третьим входом — к выходу формирователя четвертого акустического канала, а выходом — к входу высокочастотного опорного генератора.

3. Устройство по и. 2, о т л ичающееся тем, чтоблокавтоматического регулирования частоты выполнен в виде последовательно соединенных пятого формирователя, триггера, четвертой схемы И, четвертого счетчика, схемы сравнения и интегратора, и запоминающего блока, выходом подключенного к второму входу схемы сравнения, причем вход пятого формирователя, вторые входы четвертой схемы И и триггера являются первым, вторым и третьим входами, а выход интегратора — выходом блока автоматического регулирования частоты,