Устройство для решения задач теории поля

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН А 1 9) (11 б 114 0 06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ ЗОБРЕТЕНИ ПИС ЛЬСТВУ 47/24,85 тельбаум Я.1М.: Паука,о СССР2, 1984(54) УСТРОЙСТВО ЛПЯ РЕШЕНИЯ ЗА 71ТЕОРИИ ПОЛЯ57 Изоб етение отцосится к о( ) р бластианалоговой вычислительной техники, аименно к электрическому модепиронаццакустического поля квадрупольцогоисточника, описываемого уравцециемГельмгольца, и предназначено для исследования физических полей методомэлектролитической наццы, Цель изобретения - повьпвецие точности и расщирение класса решаемых задач. Устройство содержит блок преобразованияпотецциапа, осевой составляющей напряженности и скорости измецецил ее К АВТОРСКОМУ С(56) Тетельбаум И,Г 1 ТеМодели прямой аналогии.1979, с, 205-224.Авторское свидетельстР, 190392, кл. 0 06 0 7/ но взаимно ортогональных направлениях для электрического поля точечного источника в виде генератора пилообразного напряжения, пять сумматоров, десять блоков умножения, вестьизмерительных электродов, усилитель,два сммируюших усилителя, блок суммирования, блок формирования обратной функции, два делителя напряжения,два блока формирования функции косинуса, блок сдвига фазы два квадратора, Новью в устройстве является то,что одна группа блоков подготавливает сигналы дпя другой . руины блоков,которая вырабатывает сигнал, пропорциональный продольноц составляющейакустического квадруполя, и для третьей группы блоков, которая вырабатывает сигнал, пропорциональный поперечной составляющей акустическогоквадруполя, а на выходе устройстваобразуется сигнал, пропорциональныйдавлению акустического поля квадруполя с различноц ориентацией смещенийего составляющих монополей и диполеи. 1 ип., в (р - разрядность потенциалов электрическогополя точечного источника на единичной дос 55 Изобретение относится к аналоговойвычислительной технике и предназначено для исследования физических полей,в частности акустических шумов обтекания тел, методом электролитическойванны,Цель изобретения - повышение точности и расширение класса решаемыхзадач за счет моделирования акустического квадруполя. 1 ОНа чертеже изображено предлагаемоеустройство,Устройство содержит генератор 1синусоидального сигнала, задающийэлектрод 2, электролитическую ванну 153, первый 4, второй 5, третий 6,четвертый 7, пятый 8 и шестой 9измерительные электроды, усилитель10, дифференциальный усилитель 11,первый 12 и второй 13 суммирующие - . 20усилители, первый 14, второй 15,третий 16, четвертый 7, пятый 18,шестой 9, седьмой 20, восьмой 21,девятый 22 и десятый 23 блоки умножения, блок 24 формирования обратной 25функции, блок моделирования распрострачения акустического поля, выполненный в виде генератора 25 пилообразного напряжения, блок заданиячастоты акустического поля, выполненный в виде делителя 26 напряжения,первый 27, второй 28, третий 29,четвертый 30 и пятый 31 сумматоры,первый 32 и второй 33 блоки формирования функции косинуса, блок 34 формирования сдвига фазы, блок заданиясоотношения моментов продольной ипоперечной составляющих квадруполя,выполненный в виде делителя 35 напряжения, блок 36 суммирования, первый 37 и второй 38 квадраторы и блок,39 регистрации.В известном устройстве удаетсямоделировать акустическое поле давлений дипольного излучателя, расположенного в безграничной среде, описываемое формулой:р(ч),-ю,)Р,1=-1 С ----сов(ИС 4 едх,Бр,-- ) -сов( + и С- --), (1)4 е Ч, 2 47)УЮ, (1где ч", = 4-- потенциал электрического поля точечного(г) где Цху=Цдхду - поперечная составляющая квадрупольного момента;Яхх=Ядхдх - продольная составляющая квадрупольного момента.Как видно из (1), известное устройство не обеспечивает решения задачи моделирования акустического поля квадруполя,Устройство работает следующим образом,таточно малой базе дхв направлении оси х;Л=Ц дх - акустический моментдиполя;Ч, - производительность(или объемная скорость) пульсирующегоисточника звука (монополя);дх - расположенная вдольоси х база акустического диполя;Йх, - расстояние между измерительными электродами;ИЕ - волновое число,У - угловая частота пульсации источника;С - скорость звука в среде;( - удельное акустическоесопротивление моделируемой среды;1 - удельная электрическаяпроводимость электролита ванны;- время;1 - ток точечного источника (питающего электрода);г=1 х +у +г - расстояние от источниГ 2 2 ека поля до точки определения поля.Звуковое давление акустического поля квадруполя, расположенного в безграничной среде, описывается формулой:Для доказательства работоспособности изобретения преобразуем выражение (2) по формуле Эйлера для комплексных чисел и получим действительную часть давления акустического поля квадруполя;Р =Фсу - ф - (- ----) зг.п(иСт) -- соз(оС-юг) +Яхх- - (1 г 1 и 10 1 Зх соз(и Ст)+ -( -- х (-- -г)+(8) 35 Напряженность электрического поля точечного источника в направлении оси х определяется соотношениемМ 1 хЕ.= -= -- - , (4)йх 4 х) гхпроизводные от которой в направлении 20 осей х и у соответственно равны9 Ех 1 г -Зх (5)Зх 4 в гЗЕ, 1 Зху (6)Зу 4 г 1 г 25 соотношения (4)-(6) можно приближено выразить через разности потенциалов точек, отнесенные к достаточно малым расстояниям йх йх г и йуг между ними: зах 4 Я" 1г 1 ( г йх,- . - ч ) - ; (7)г-Зх 4 х Г-= = -- (Ю - Ч)-(Ч -Ю)хг 11хйх, йхгЖ.(Ч Ч ) (Ч 1)х) Х1х (9)х 40 Тогда (3) перепишется для давления акустического поля квадруполя ваналоговой форме, введя обозначения произведений величин, независящих от времени С, потенциала поля Ч, и разностей потенЦиалов полЯ 1, -Чх,-д, и Щ 5-Ч 6.Р =-)А(а-о,)-(ы,-ю,)с- -) хсов( - + ОС- - - -)- , соз(Ф- - ) +2 Ч( % Щ 50 +й - и(й, -ы )-(ц - С)с сои(Ы 1- Чс1 1х соз( - +ЯС- )тх С,552 Ч(1 О)х Яххгде Я,х= - + -хх х( Как видно из сравнения выраженийи (1 О) электрический аналог акустического давления кнадруполя Рс, моделируемый при помощи изобретения, с точностью до постоянного множителя отличается от электрического аналога акустического давления Р диполя, моделчруемого известным устройством, наличем двух слагаемых, пропорциональных поперечной Яи продольной Я состанляюших момента квадруполя вместо одной составляющей, пропорциональной моменту диполя, причемпервое слагаемое является функциейне только потенциала электрическогополя задающего электрода, но и егопоперечного изменения продольнойнапряженности, а второе слагаемоеявляется функцией потенциала, про-идольпой напряженности и продольногоизменения этой напряженности, чтосвидетельствует о невозможности моде.лиронания поля акустического квадруполя в электрической ванне известным устройством и является его недостаткам. Для устранения известногонедостатка в изобретении введены следующие блоки, соединенные надлежащимобразом,На вход блока 24 формирования обратной функции С/ч, через усилитель,1 О подан сигнал от первого измерительного электрода 4. Выход блока задания частоты Ч акустического поля,выполненный н виде делителя 26 напряжения, подключен к входу генератора 25 пилообразного напряжения,вырабатывающего сигнал ыС, пропорциональный времени С, который поданна первый вход первого сумматора 27сигналов яС и С/д,. Выход первогосумматора 27 через первый блок 32фОрмирования функции косинуса сов(ОСС- в ) подключен к первому входу перЧсвого блока 14 умножения сигналовсси(ы 1- - ) и сц, - д,)- - 1 . Вы.Сход усилителя О сигнала Ч черезблок 24 формирования обратной функции С/Ч( соединен с вторым входомпервого сумматора 27. Второй измерительный электрод 5, размещенный вэлектролитической ванне 3, соединенс первым входом дифференциальногоусилителя 1 сигналови д . Выходпервого сумматора 27 через блок 34формирования сдвига фазы сигнала(; - +Ы 1, - .) подключен на вход втоЧрого блока 33 формирования функцииСкосинуса соя( +у- .). Выход Второ 2 Ч5 го сумматора 28 сигналов рЕ(ц, -ыт) - ( -с(е)1 соа(ис -- .) и Ер , - д )- СЧ - Ю 1 9 С (Ц -(4 )+Р(.) ) сов(- +И. - )ъ 4.1 Ю . " 2 Ч 10 соединен с вторым входом второго блока умножения на сигнал С/(4. Выход первого блока 14 умножения подключенк второму входу второго сумматора 28. Первый измерительный электрод 4 15 соединен с вторым входом первого дифференциального усилителя 11. Третий измерительный электрод 6, погруженный в электррлитическую. ванну 3, соединен с первым вычитающим входом пер вого суммирующего усилителя 12 сигна- ЛОВ Цт)И Ц 4 р ВЪХОД КОТОРОГО ПОДКЛЮ- чен к первому входу третьего блока 16 умножения сигналов )-Цу)- -(ф 4 в (4) ир выход которого под в 25 ключен к первому входу третьего сумматора 29 сигналов ЕЕ 4", - Ц-(Ц --( )1 С(, и р(-) , Выход третьегосумматора 29 подключен к первомУ 30 входу пятого блока 18 умножения сигналовр , -(т)-(у, - дтц, +р(-ф - )( Си соя(. - +(й- .) выход которого под 2 (4,ключен к первому вх(ду второго сумматора 28, Четвертый измерительный электрод 7, погруженный в электролитическую ванну 3, соединен с первым суммирующим входом первого суМмирующего усилителя 12. Пятый измерительный электрод 8, погруженный в электролитическую ванну 3, соединен с перВым Вычитзющим ВхОдОИ ВторОГО сумми 45 рующего усилителя 13 сигналов д ивыход которого подключен к первому входу восьмого блока 21 умножения сигналов Е (ф - (,)-(ф, - ц )Е и( - 1) соя( +ьй- - - ) --- соя 1- а г 2 Ч ЧС- в ) выход которого подключен к первому входу девятого. блока 22 умножения сигналов ) - Ю,)-(Ч- Чь) 55В У( С С(-, -1)соя(- +Ф - .) -2 ( ЖС 1)ед(.Оя(ц- - - -) и (-Яу ) . Выход де 1 вятого блока 22 умножения подключен к первому входу пятого сумматора 31 сигналов) С С С соя ( +у( ) - соя(я 1.- ),1 Й - 0 (9 -Ч,)- -) соя(я 1=)+С Е СЖЖ-Ч 1 + Е Р (еР ) р г 4 ) +Е(, )1Ссоя( +ц )2 Ю, авыход которого соединен с входом блока 39 регистрации. Шестой измерительный электрод 9, погруженный в электролитическую ванну 3, соединен с первым суммирующим входом второго суммирующего усилителя 3, выход дифференциального усилителя 11 соединен с первым входом четвертого блока17 умножения сигналов ( - Ц и С/4 выход которого через первый квадратор 37 соединен с вторым входом третьего сумматора 29, Выход усилителя 1 О подключен к второму входу третьего блока 16 умножения, Выход блока 24 формирования обратной функции одновременно соединен с вторым входом четвертого блока 17 умножения, с первым входом второго блока 15 умножения, с первым входом шестого блока 9 умножения сигналов С/р, иСсоя(МС- в ) и соединен последовательФно через второй квадратор 38 сигнала В/(1( и через блок 36 суммирования с первым входом седьмого блока 20 умножения сигналов (- - -1) иСцсоя( - +С- .) выход которого под 2 Ц)ключен к первому входу чутвертого сумматора 30 сигналов ( в ; -1(7 (Се С ( соя(- +у- С ) и -- соя(уС- - -).2Выход четвертого сумматора 30 подключен к второму входу восьмого блока2 умножения сигналов (- в ; -1)Г В(С(,-(,)-.т в (е)( . Выход первогоблока 32 формирования функции косинуса подключен к второму входу шестого блока 19 умножения. Выход второго блока 33 формирования функциикосинуса одновременно соединен свторыми входами пятого и седьмогоблоков 18 и 20 умножения сигналовЯодом 2 сигнал, пропорциональныйпотенциалу электрического поля посоя( - + уС- . - -) (, - 1) иС В2перечного квадруполя, описываемомуч) уравнением Лапласса. Наличие генераСсоя( - +ЯС- .) соответственно, Пер тора 25 пилообразных напряжений,2т.е, генератора развертки по оси вре. вый выход блока задания соотношения мени, напряжение которого изменяется моментов продольной и попеРечной сос- во времени равномерно с различным тавляющих акустического квадруполя, . коэффициентом наклона, обеспечивает выполненного в виде делителя 35 на- О с одной стороны моделирование акустипряжения, соединен с вторым входом ческого поля различной частоты коле- девятого блока 22 умножения, а вго- бания квадруполя, а с другой стороны рой его выход соединен с первым позволяет легко изменять масштаб входом десятого блока 23 умножения времени С что н свою очередь обесФ У сигналов Я и 15 печинает удобство согласования работы блока 39 регистрации со скоростью передвижения измерительных электродов 4-9, когда вектор йхпродольного смещения кнадруполя остается)( соя( - +УС-;)С220 коллинеарным оси х и вектор Йу погперечного смещения квадруполя остаетвыход которого подключен к второму ся нормальным оси х, а устройство входу пятого сумматора 31. Выход нто- в целом позволяет моделировать акус рого блока 15 умножения сигналов С/, тическое поле квадруполя различной25 ориентации его смещений .как в реаль- И1(А -Юг)-(Ю Ю) сояЫ-) ом времени, так и н масштабиронанф-, 1ом времени. Выход генератора 1 подключен к входу задающего электрода 2.,7 с,подключенного своей поверхностью ) соя( +УС- )Ц), З 0 (опущен н электролит) к электролиту подключен к второму входу десятого ванны 3. К этому же электролиту,но в блока 23 умножения. Выход шестого других точках, подключены своей по- блока 9 умножения подключен к нто- веРхностью (опУщены в электРолит) рому входу четвертого сумматора 30, первый измерительный электрод 4 и Введение третьего 6 и четвертого 7 35 смещенные относительно него нторой 5 измерительных электродов, расположен- третий 6, четнертый 7, пятый 8 и ных на расстоянии йх от первого 4 и шестой 9 измерительные электроды,2второго 5 измерительных электродов Устройство содержит три группы блосоответственно на одной с ними прямой кон. Первая группа блоков 1, 10, в направлении оси х и соединение их 40 ,24,26,25,27,32,34,33 подготавливает с входами первого 12 и второго 13 сигналы для второй группы блоков суммирующих усилителей, выходы кото,17,37,29,14,28,8,15, которая рых подключены соответственно к вхо- вырабатывает сигнал, пропорциональдам блока 14 и 21 умножения, позволя- ный продольной составляющей акустиют смоделировать питающим электродом 45 ческого квадруполя, и для третьей 2 сигнал, пропорциональный потенциалу группы, блоков 13, 38,36,9,20,30,21, электрического поля продольного кнад которая вырабатывает сигнал, проруполя,описываемому управлением Лап- порциональный поперечной составляюласса. щей акустического квадруполя. БлокА введение пятого 8 и шестого 9 50 35 задания соотношения моментов произмерительных электродов, располо-. дольного и поперечного составляющих женных на расстоянии Йуг от первого квадруполя вырабатывает два сигнала14 и второго 5 измерительных электро- на которые умножают в блоках 23 и 24 дов соответственно в направлении результаты моделирования акустичесоси у, нормальной оси х, и соедине- кого давления продольной и попереч 55ние их с входами первого и второго ной составляющих кнадруполя Сигналысуммирукпцих усилителей 12 и 13, поз- с выходов блоков 23 и 24 суммируютволяют смоделировать питающим элект.( ся блоком 3. Таким образом на ныхо 19 12 б 58 де пятого блока 31 суммирования образуется сигнал, пропорциональный давлению акустического поля квадруполя с различной ориентацией смещений его составляющих монополей и диполей в безграничной среде с учетом особенностей пространственных и частотно- временных характеристик, описываемых уравнением Гельмгольца.Использование изобретения позволит 10 легко моделировать акустическое поле квадруполя аналоговым методом, в то время как непосредственное создание акустического поля квадруполя наталкивается на трудно преодолимые преграды, основные из которых связаны с конструкцией акустического квадруноля, с плохоустранимым отражением акустического поля от границ бассейна, а также в связи с наличием резко- б го затухания поля с расстоянием.Формула изобретенияУстройство для решения задач теории поля, содержащее блок регистрации, блок моделирования среды, выполненный в виде электролитической ванны, генератор синусоидального сигнала, выход которого подключен к задаю 30 щему электроду, погруженному в электролитическую ванну, в которой расположен первый измерительный электрод, который соединен с входом усилителя, блок моделирования распространения акустического поля, выполненный в виде генератора пилообразного напряжения, блок формирования обратной функции, первый сумматор, первый блок формирования функции косинуса, первый блок умножения, блок задания частоты акустического поля, выполненный в виде делителя напряжения, выход которого подключен к входу задания наклона пилы генератора пилообразного напряжения, выход которого соеди нен с первым входом первого сумматора, выход которого через первый блок формирования функции косинуса подключен к первому входу первого блока умножения, выход усилителя через блок формирования обратной функции соединен с вторым входом первого сумматора, дифференциальный усилитель, второй сумматор, второй блок умножения, блок формирования сдвига фазы, второй блок формирования Функции косинуса, второй измерительный электрод, размещенный в электролитической ван 10не и соединенный с первым входом дифференциального усилителя, выход первого сумматора через блок формирования сдвига фазы соединен с входом второго блока Формирования функции косинуса, выход второго сумматора соединен с первым входом второго блока умножения, выход первого блока умножения подключен к первому входу второго сумматора, первый измерительный электрод соединен с вторым входом дифференциального усилителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности, в него введены третий, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй суммирующие усилители, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый блоки умножения, первый и второй квадраторы, блок суммирования, блок задания соотношения моментов продольной и поперечной составляющих квадруполя, выполненный в виде делителя напряжения, третий, четвертый, пятый и шестой измерительные электроды, размещенные внутри электролитической ванны, третий и четвертый измерительные электроды соединены соответственно с первым вычитающим входом и с первым суммирующим входом первого суммирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом третьего блока умножения, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом пятого блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, пятый и шестой измерительные электроды соединены соответственно с первым вычитающим входом и первым суммирующим входом второго.суммирующего усилителя, выход которого соединен с первым входом восьмого блока умножения, выход которого подключен к первому входу девятого блока умножения, выход которого .соединен с первым входом пятого сумматора, выход которого подключен к входу блока регистрации, первый измерительный электрод соединен с вторыми суммирующими входами первого и второго суммирующих усилителей, вторые вычитающие входы которых подключены к второму измерительному электроду, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом четвертого блока умножения, выход которого12 1 265811 блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого блокаформирования функцией косинуса, выходчетвертого сумматора подключен к вто рому входу восьмого блока умножения,выход второго блока формированияфункции косинуса соединен с вторымивходами пятого и седьмого блоков умножения первый и второй выводы дели 10 теля напряжения блока задания соотношений продольной и поперечной составляющих квадруполя соединены соответственно с вторым входом девятогоблока умножения и с первым входом десятого блока умножения, выход второго блока умножения подключен квторому входу десятого блока умножения, выход которого соединенс вторым входом пятого сумматора.20 через первый квадратор подключен к второму входу третьего сумматора,,выход усилителя соединен с вторымвходом третьего блока, умножения, выход блока формирования обратной функции непосредственно подключен к второму входу четвертого блока умноже 4ния, к второму входу второго блокаумножения и к первому входу шестогоблока умножения и через второй квадратор соединен с первым входом блокасуммирования, второй вход которогоявляется входом задания постоянногонапряжения смещения устройства, выходблока суммирования подключен к первому входу седьмого блока умножения,выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй входкоторого подключен к выходу шестого Составитель В. РыбинТехред А.Кравчук Корректор Т. Колб Редак Ворович Тираж 671 Государственного к елам изобретений и Москва., Ж, Рауш Заказ 5667/48ВНИИП Подписноемитета СССРоткрытийская наб., д. 4/ 303 роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная