Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды и устройство для его осуществления
Похожие патенты | МПК / Метки | Текст | Заявка | Код ссылки
Текст
СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9 ЯО 1 1, СО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТ МИТЕТ СССРИ И ОТКРЫТИИ 3ф ф.хч САНИЕ ИЗОБРЕТЕН. еи АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 823/25-280832.87. Бкл. И 8итут прикладной зик И,Крылович Д.Солодухи,22(088.8 орское св кл. СО ское свид кл. 00(21) 365 (22) 14. (46) 28. (71) Инс АН БССР (72) В.Я В.В.Них (53) 534 (56) Авт 1 Ф 599205Автор Иф 905767(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИРАСПРОСТРАНЕНИЯ 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 скоростираспространения звука в среде искорости движения среды, и можетбыть широко использовано в системахнавигации, метеорологии и других об1293492 ластях. Целью изобретения являетсяповышение точности измерения величины и направления скорости движениясреды и скорости распространения звука в среде за счет введения регулируемого эталонного канала в функцииизменяющихся параметров. В устройстве помимо трех расположенных взаимноперпендикулярно измерительных каналов 1, 2, 3 используется четвертыйэталонный канал 4, аналогичный первым трем, который находится в техже условиях, что и измерительные, нозищищен от воздействия ветра. Длиныакустических 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 - повьшение 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-схемаустройства,Устройство для определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды, содержит четыре акустических канала 1-4, три из которых 1, 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 10 15 20 25 30 модулированные по амплитуде звуковоичастотой, Частота модуляции изменяется таким образом, что разность фаэколебаний этой частоты на излучателе8 и приемнике 12 эталонного каналаподдерживается равной. Если впроцессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность,давление, газовый состав) изменяются,то в эталонном канале 4 формируетсясигнал рассогласования, управляющийчастотой задающего генератора 33.При этом эталонный канал 4 позволяетопределить скорость звука в воздухе,а измерительные каналы - составляющиескорости ветра в трех взаимно перпендикулярных направлениях. 2. с и 1 з.п. Ф-лы, 1 ил. амплитудный дискриминатор 21-24 иформиройатель 25-28, первый 29 ивторой 30 блоки вычислений, первый31 и второй 32 индикаторы, подключенные соответственно к выходам первого 29 и второго 30 блоков вычислений, генератор 33 зондирующих импульсов, состоящий из последовательносоединенных 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, второгополосового фильтра 39, входом подключенного к выходу первого делителя35 частоты, а выходом - к второмувходу модулятора 38, подключенные вкаждом из трех взаимно перпендикулярных каналов 1 2, 3 последовательносоединенные временной селектор 40,41, 42; первый выход которого подклю-.чен к выходу Формирователя 25, 26,27 акустического канала 1, 2, 3, авторой вход подключен к выходу формирователя 28 четвертого акустического канала 4 схему И 43, 44, 45,вторым входом подключенную к выходувысокочастотного опорного генератора34, счетчик 46, 47, 48, третий блок49 вычислений, входами подключенныйСпособ осуществляется следующим образом. Формируются высокочастотные колебания, частота которых выбирается из условия И - = Б, 2 где л - длина волны высокочастотныхколебаний;10 Б - акустическая база,И - целое число.Например, при Б = 0,5 м, Ч = 344 м/с(импульсный) этой частоты используется в качестве опорного и определяетцену младшего дискретного разрядапри измерении разности фаз низкочастотных колебаний измерительных иэталонного принимаемых сигналов, Этотже сигнал частоты 6 преобразуется вогармонические электрические колебаниячастоты Г /10 и 1 /104, поступающие на модулятор, с выхода которогоамплитудно-модулированный сигнал снесущей ультразвуковой частотой извуковой частотой амплитудной модуляции с помощью электроакустическихпреобразователей излучается в воздушную среду. При этом разность фаэ излученных и принятых колебаний в эта-,лонном канале равна 4 Ч =7 . Еслив процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность,давление, газовый состав) изменяются, то условие ьЧ =нарушается.В этом случае в эталонном каналеформируется сигнал рассогласования,который используется для управлениячастотой задающего генератора. В результате автоподстройки частоты разность фаз сигналов на излучателе иприемнике 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 пер 3 1293492к выходам первого блока 29 вычисленийи счетчиков 46, 47, 48,а выходами -к входам второго блока 30 вычислений,четвертый блок 50 вычислений, входами подключенный к выходам третьегоблока 49 вычислений, и временных селекторов 40, 41, 42, третий индикатор 51, входом подключенный к выходучетвертого блока 50 вычислений, частотомер 52, входом подключенный квыходу второго делителя 36 частоты,а выходом - к входу первого блока29 вычислений, и блок 53 автоматического регулирования частоты, выполненный в виде последовательно соединенных пятого формирователя 54, вхо. дом подключенного к выходу второгоделителя 36 частоты, триггера 55,вторым входом подключенного к выходуформирователя 28 четвертого акустического канала 4, четвертой схемыИ 56, вторым входом подключенной квыходу высокочастотного опорного генератора 34, четвертого счетчика 54,схемы 58 сравнения и интегратора59, выходом подключенного к входувысокочастотного опорного генератора 34, и запоминающего блока 60, выходом подключенного к второму входусхемы 58 сравнения. 30Сущность способа состоит в том,что помимо трех расположенных взаимно перпендикулярно в открытом воздухе измерительных каналов дополнительно используется четвертый, аналогичный первым трем, эталонный канал, который находится в таких жеусловиях, как и измерительные, нозащищен от воздействия ветра. Измвряются разности фаз между низкочастотными огибающими принятых сигналовв эталонном и в каждом из измерительных каналов. При этом длины акустических баз всех четырех каналовустанавливаются одинаковыми, В этом 45случае измеряемые разности фаз прямо пропорциональны соответствующимсоставляющим вектора скорости ветра,Для обеспечения помехозащищенностиот естественных шумов в звуковом 50диапазоне частот через воздушнуюсреду пропускаются в одном направлении ультразвуковые колебания, промодулированные по амплитуде звуковойчастотой. Частота амплитудной модуляции изменяется таким образом, чторазность фаз колебаний этой частотына излучателе и приемнике эталонногоканала подцерживается равной и.к + к 4 кф3 (6) гс оздухе;одуляции;базы;орости С - скорость а в тот звуковая часдлина акуст- составлядвижения срно перпендипениях; еск,7 ,Ч щие ды уля трех взаим ных направГ- ь гпендикулярных направлениях, которыепропорциональны измеряемой разностифаз между сигналами, принятыми вкаждом иэ измерительных и эталонномканалах.Вычисления величины и направленияскорости движения среды проводятся последующим формулам: 1 1 К+К4 К 4 К 4 Кц 15а 3 л(4)- разность фаз междуалами на приемниках в нале с неподвижнои воздуш средой и в соответствующе ость ветра,образованный проек ора скорости Метра нагоризонтальную плоскость свыбранным базовым направлением;у - угол, образованный векторомскорости ветра с вертикальнымнаправлением.Устройство работает следующимобразом.Задающий генератор 34 работает начастоте 6 определяемой из условия(2). С выхода задающего генератора34 высокочастотные электрические импульсы поступают на вход первогоделителя 35 частоты, на выходе которого получаем сигнал Г,/10, т, е.несущую ультразвуковую частоту, подлежащую излучению, которая с помощьювторого полосового фильтра 39 преобразуется в синусоидальный сигнали поступает на модулятор 38, Здесьона модулируется низкой, звуковойчастотой синусоидальной формы, которую мы получаем с помощью второгоделителя 36 частоты, на выходе которого имеем сигнал Г /10 и первогополосового фильтра 37. Длина волнысигнала звуковой частоты составляет 28.Устройство и принцип работы каждого из каналов 1, 2, 3 аналогичны,Рассмотрим работу одного из каналов1, 2, 3. Амплитудно-модулированныйсигнал с выхода модулятора 38 поступает на излучающий преобразователь5, где происходит преобразованиеэлектрических сигналов в звуковые, Наприемном преобразователе 9 происходит преобразование принятых акустических сигналов в электрические, Принятые колебания с помощью полосовогоусилителя 13 усиливаются, детектор17 выделяет низкочастотную огибающуюультразвуковых колебаний, котораяамплитудным дискриминатором 21 преобразуется в прямоугольные импульсытой же частоты, а формирователь 25по переднему фронту этого импульсаформирует короткий импульс,Аналогичные преобразования претерпевает 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 7В 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 , который поступает в четвертый блок 50 ,вычислений., Если скорость ультразвука и скорость движения ветра направлены навстречу друг другу,то задерж.ка в 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 Ч , который поступает в четвертый блок 50 вычислений. Измерительные каналы 2 и 3 для измерения Ч и, Ч составляющих скорости ветра работают аналогично. Для компенсации зависимости скорости распространения звуковых коле баний от параметров воздушной среды(температуры, влажности, давления,газового состава) и соответственнодля увеличения точности, в устройст 5 ве используется блок 53 автоматического регулирования частоты,Блок 53 работает следующим образом. Импульсом с выхода формирователя54, входом подключенного к выходу10 второго делителя 36 частоты, триггер55 опрокидывается и в счетчик 57 через схему И 56 поступают счетные импульсы, Импульсом с выхода формирователя 28 триггер 55 возвращается висходное состояние и в счетчике 57оказывается записанным цифровой эквивалент разности фаз в эталонномканале между акустическими колебаниями на излучателе. и приемнике, код:которого сравнивается в схеме 58сравнения 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, врезультате 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 5935 преобразуются в управляющее напряжение, с помощью которого происходитизменение частоты высокочастотногоопорного генератора 34 в соответстВующую сторону. При совпадении кодов40 указанных чисел схема 58 сравненияне выдает сигнала рассогласования,Система автоматического регулирования на основе схемы 58 сравнения иинтегратора 59 обеспечивает поддержа-,45 ние частоты генератора такой, чтона длине акустической базы Б всегдабудет укладываться постоянное число импульсов, значение которого опре 1Иделяется числом - , в формуле (1) . Та 2ким образом, блок 53 автоматическогорегулирования частоты так управляетчастотой генератора 34, что половина55 излучаемой ВОлны тОчнО укладыВаетсяна длине акустической базы Б вне зависимости от состояния среды и разность фаз сигналов на излучателе иприемнике в эталонном, а также в каж 1293492Формула изобретения1. 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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 Р, и с учетом измеренных величин определяют исксчые параметры.2. Устройство для определения ско/ рости распространения звука в среде ивектора 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 первого,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 45 50 55 дом из измерительных каналов, в случае отсутствия ветра, остается постоянной и равной, Устройствообеспечивает высокую точность скорости распространения звука в среде ивектора скорости движения среды. 5 10 15 20 25 30 35 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 перво" го 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 индикаторомвходом подключенным к выходу, четвертого блока вычислений, частотомером, входом подключенным к выходу второго делителя 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 ич а ю щ е е с я тем, что блок автоматического 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,
СмотретьЗаявка
3651823, 14.10.1983
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ АН БССР
ЗЕНИН ВЛАДИМИР ЯКОВЛЕВИЧ, КРЫЛОВИЧ ВИКЕНТИЙ ИВАНОВИЧ, МИХАЛЬКОВ ВАСИЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ, СОЛОДУХИН АНАТОЛИЙ ДЕМЬЯНОВИЧ
МПК / Метки
МПК: G01H 5/00
Метки: вектора, движения, звука, распространения, скорости, среде, среды
Опубликовано: 28.02.1987
Код ссылки
<a href="https://patents.su/6-1293492-sposob-opredeleniya-skorosti-rasprostraneniya-zvuka-v-srede-i-vektora-skorosti-dvizheniya-sredy-i-ustrojjstvo-dlya-ego-osushhestvleniya.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Способ определения скорости распространения звука в среде и вектора скорости движения среды и устройство для его осуществления</a>
Предыдущий патент: Устройство для измерения угла поворота
Следующий патент: Пъезоэлектрический преобразователь для измерения скорости ультразвуковых колебаний
Случайный патент: Способ получения сульфонилизоцианатов