Способ определения скорости звука в среде и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСК ОА ЕСПУБЛИК 1 Н 5/00 ОП Е ИЗОБРЕТЕНИЯ Изобретениеизмерениям и мпользовдно дляскорости звукавношению к скоропример, водной)Цель изобретверности определде. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(72) Б.И,Гончаренко и В.А,Гордиенко (56)Серавин Г.Н. Измерение скорости звука в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, с.122- 140.Блинова Л.П, и др. Акустические измерения. М.: Стандартов, 1971, с.107-109, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИЗВУКА В СРЕДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО . ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для относится к акустическим ожет быть в частности ис определения изменения исследуемой среде по от сти звука в заданной (на среде.ения - повышение достоения скорости звука в сре На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для определения скорости звука в среде; на фиг.2 - зависимость значений Лот изменения отношения Сх/С 0.Устройство для определения скорости звука в среде содержит последовательно соединенные звуковой генератор 1, усилитель мощности 2 и излучатель звука 3, последовательно соединенные приемник 4 звуковоопределения 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 максимумом направленности на излучатель Ззвука, и усилитель 7 с регулируе м ы м коэффициентом усиления и процессор 8, подключенные к в ы х о ду усилителя 5 последовательно соединенные интегратор 9, первый сумматор 10, первый квадратичный детектор 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, входа 1616970ми соединенный с выходами сумматоров, а выходом - с управляющим входом процессора, второй вход первого сумматора 10 соединен с выходом усилителя 7 с 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 г, чтобы выполнялось условие плоской звуковой волны,.при использовании точечного излучателя должно выполняться условие 1 г 3, где М - волновое число.В плоской звуковой волне давление и градиент звукового давления связаны следующим известным соотношением. с=3 рй=р,ддг где с - скорость звука в среде.Учитывая это, можно записать сумму и разность между звуковым давлением и его градиентом в среде с неизвестной скоростью звуа в следующем виде р сх -фд 1 а; дгКонстанта выбирается из условия, когда среднее проинтегрированное значение равно нулю. Далее усредняя квадраты этих значений за время т, кратное или существенно больше периода колебаний, чем время Т.Отношение этих величин будет то отношение с учетом (1), если с с эвестная скорость звука в заданной среде ожно преобразовать к следующему виду(р- --бсх со др со дг х о дТогда 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+Ъ сх со 1 -д"(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 выбираютсянижние знаки в числителе и знаменателе.Работа устройства для осуществленияспособа 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 (кг25 3). Приемная система состоит из совмещенного в одном корпусе ненаправленного приемника 4 звукового давления и приемника б градиента звукового давления, имеющего, косинусную характерис;ику направленно 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 б поступает соответственно на;35 интегратор 9 и инвертор 13 и далее на сум-маторы 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 коэффициен том усиления, добиваются минимума (практически нулевого значения сигнала) напряжения на выходе блока деления 12.Следует отметить, что экспериментальное значение отношения разности между звуко вым давлением и его градиентом к их суммена фиксированной частоте звукового сигнала при кардиоидной характеристике направленности может достигать 35 - 40 дБ.Именно этой величиной определяются по тенциальные возможности способа определения скорости звука в среде. С выходов сумматоров сигнал поступает на фазометр 16, который измеряет разность фаз мгно венных значений между суммой и разностью 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 ние скорости звука, На фиг.2 приведена теоретическая зависимость значений Ь, выраженных в децибелах, от изменения отношения сх/со, Как следует из приведенного графика наибольшая точность 15 определения скорости звука в среде предложенным способом реализуется при изменении с/со в пределах 0,4сх/со3 так, например, при изменении сх/со на 10 величина Ь изменяется на 7-10 дБ, что в 20 реальных условиях вполне измеряемая величина. Формула изобретения1, 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 ющ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности, измеряют разность фаз между звуковым давлением и сигналом, пропорциональным колебательной скоро 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 ча ю щее 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.1816970 Составитель Б.ГончаренкоТехред М.Моргентал Коррект Гуньк дактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 аказ 1717 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5