устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах

Формула изобретения

Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах, содержащее генератор импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель акустической энергии, последовательно соединенные с акустическими приемниками усилители-ограничители, линии задержки, подключенные одним из своих входов через один усилитель-ограничитель к каждому акустическому приемнику, начиная со второго по порядку от излучателя, логические схемы И, подключенные первыми входами к выходам линий задержки, вторыми входами через усилители-ограничители к предыдущему акустическому приемнику, начиная с первого по порядку от излучателя, электронные ключи, подключенные первыми входами к выходам логических схем И, вторыми входами подключенные ко второму выходу генератора импульсно-модулированных сигналов, генератор опорных импульсов, подключенный к третьим входам электронных ключей, блок памяти и вычислительный блок, подключенный через блок памяти к выходам электронных ключей, последовательно соединенные контактный датчик скорости звука, установленный на фиксированном расстоянии от излучателя, умножителя частоты и формирователя тактовых импульсов, выход которого подключен ко вторым входам линий задержки, отличающееся тем, что в качестве приемной системы используется эквидистантная линейная антенная решетка, состоящая из ряда акустических приемников, расположенная с одной стороны от излучателя акустической энергии так, что расположение первого акустического приемника совпадает с расположением излучателя, формирующая в пространстве веер статических приемных лучей характеристики направленности с равным фиксированным значением лучевого параметра, исходящих из фазовых центров корреляционных приемников, образованных каждой парой акустических приемников в решетке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах.

Известно устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах (см. патент СССР № 1675687, кл. G01H 5/00, бюллетень открытий и изобретений № 33, 1991), содержащее последовательно соединенные генератор радиоимпульсов и акустический излучатель, подключенные ко второму выходу генератора радиоимпульсов последовательно соединенные формирователь временной оси и вычислительный блок, установленные с одной стороны от акустического излучателя на заданном расстоянии два акустических приемника, подключенные к выходам последних первый и второй усилители-ограничители, блок определения угла наклона характеристики направленности акустических приемников, входы которого подключены к выходам соответствующих усилителей-ограничителей, частотный модулятор, выход которого подключен к управляющему входу генератора радиоимпульсов, а блок определения угла наклона характеристики направленности акустических приемников выполнен из последовательно соединенных смесителя и спектроанализатора, выход которого подключен к второму входу вычислительного блока, а первый и второй входы смесителя служат соответственно первым и вторым входами блока определения угла наклона характеристики направленности акустических приемников.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются последовательно соединенные генератор радиоимпульсов и акустический излучатель, подключенные ко второму выходу генератора радиоимпульсов последовательно соединенные формирователь временной оси и вычислительный блок, усилители-ограничители, блок определения угла наклона характеристики направленности акустических приемников, входы которого подключены к выходам соответствующих усилителей-ограничителей.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невысокая точность измерения вертикального распределения скорости звука вследствие выбранной геометрии решаемой задачи.

Известно также устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах (см. патент СССР № 1585691, кл. G01Н 5/00, бюллетень открытий и изобретений № 30, 1990), содержащее антенный блок, состоящий из приемоизлучателя и акустических приемников, расстояния между центрами которых фиксировано, блок передатчика, состоящего из последовательно соединенных приемоизлучателя, коммутатора, усилителя мощности, синхронизатора-детектора, генератора опорных (счетных) импульсов, импульсного модулятора, выходом подключенного ко второму входу усилителя мощности, приемный блок доплеровского сдвига частот, содержащий последовательно включенные приемоизлучатель, коммутатор, усилитель принятых сигналов, смеситель, второй вход которого подключен к выходу синхронизатора-детектора, фильтр, усилитель-ограничитель, частотомер, приемный блок корреляционной акустической системы, содержащий акустические приемники, усилители-ограничители, линию задержки с отводами, подключенную через усилитель-ограничитель к акустическому приемнику, логические схемы И, входы которых подключены через усилитель-ограничитель к другому акустическому приемнику, а выходы - к первым входам электронных ключей, вторые входы которых подключены к выходу синхронизатора-детектора, а третьи входы - ко второму выходу генератора опорных импульсов, блок обработки исходных и измеренных данных, содержащий блок памяти, подключенный первыми входами к выходам электронных ключей, вторым входом - к выходу частотомера, а третьим входом - к выходу частотного датчика скорости звука, подключенного ко второму входу линии задержки через последовательно включенный умножитель частоты и формирователь тактовых импульсов и вычислительный блок, подключенный первыми входами к выходам блока памяти, а выходами - к блоку коррекции, в котором содержится информация о текущем значении, и второму входу блока управления скорости жидкой среды, первый вход которого подключен к выходу синхронизатора-детектора, а выход - к его второму входу.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются усилители-ограничители, линия задержки с отводами, логические схемы И, электронные ключи, генератор опорных импульсов, подключенный к управляющим входам электронных ключей, блок памяти и вычислительный блок, подключенный через блок памяти к выходам электронных ключей, последовательно соединенные частотный датчик скорости звука, умножитель частоты и формирователь тактовых импульсов, подключенный к второму выходу линии задержки.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невысокая точность измерения вертикального распределения скорости звука вследствие выбранной геометрии решаемой задачи.

Из известных устройств для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в патенте СССР №761845 (кл. G01Н 5/00, бюллетень открытий и изобретений №33, 1980). Устройство содержит излучатель акустической энергии, генератор импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель, первый и второй акустические приемники, установленные по порядку с одной стороны от излучателя на фиксированных расстояниях, два усилителя-ограничителя, линию задержки с отводами, подключенную одним из своих выходов через один усилитель-ограничитель к первому акустическому приемнику, логические схемы И, подключенные первыми входами к выходам линии задержки, вторыми входами через другой усилитель-ограничитель - ко второму акустическому приемнику, электронные ключи, подключенные первыми входами к выходам логических схем И, генератор опорных (счетных) импульсов, подключенный ко вторым входам электронных ключей, блок памяти и вычислительный блок, подключенный через блок памяти к выходам электронных ключей, последовательно соединенные контактный датчик скорости звука, установленный на фиксированном расстоянии от одного из акустических приемников, умножитель частоты и формирователь тактовых импульсов, выход которого подключен ко второму входу линии задержки, и модулятор фазы несущей частоты по псевдослучайному закону, подключенный к входу генератора импульсно-модулированного сигнала, а последний соединен вторым выходом с третьими входами электронных ключей.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются излучатель акустической энергии, генератор импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель, усилители-ограничители, линии задержки, логические схемы И, подключенные первыми входами к выходам линий задержки, вторыми входами через другие усилители-ограничители - к другим акустическим приемникам, электронные ключи, подключенные первыми входами к выходам логических схем И, генератор опорных (счетных) импульсов, подключенный ко вторым входам электронных ключей, третьи входы которых подключены к второму выходу генератора импульсно-модулированных сигналов, блок памяти и вычислительный блок, подключенный через блок памяти к выходам электронных ключей, последовательно соединенные контактный датчик скорости звука, умножитель частоты и формирователь тактовых импульсов, выход которого подключен ко второму входу линий задержки.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является невысокая точность измерения вертикального распределения скорости звука вследствие выбранной схемы построения приемоизлучающей системы, поскольку приближенные математические методы решения обратной задачи восстановления вертикального распределения скорости звука, основанные на использовании зависимости времен прихода от угла прихода, измеренной одним корреляционным приемником, отстоящим от излучателя, обусловливают методическую погрешность, снижающую точность измерения вертикального распределения скорости звука.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения вертикального распределения скорости звука в жидкой среде.

Технический результат заключается в том, что в качестве приемной системы используется эквидистантная линейная антенная решетка, состоящая из ряда акустических приемников, расположенная с одной стороны от излучателя акустической энергии так, что расположение первого акустического приемника совпадает с расположением излучателя, формирующая в пространстве веер статических приемных лучей характеристики направленности с равным фиксированным значением лучевого параметра, исходящих из фазовых центров корреляционных приемников, образованных каждой парой акустических приемников в решетке.

Для достижения технического результата в устройстве, содержащем генератор импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель акустической энергии, последовательно соединенные с акустическими приемниками усилители-ограничители, линии задержки, подключенные одним из своих входов через один усилитель-ограничитель к каждому акустическому приемнику, начиная со второго по порядку от излучателя, логические схемы И, подключенные первыми входами к выходам линий задержки, вторыми входами через усилители-ограничители к предыдущему приемнику, начиная с первого по порядку от излучателя, электронные ключи, подключенные первыми входами к выходам логических схем И, вторыми входами подключенные ко второму выходу генератора импульсно-модулированных сигналов, генератор опорных (счетных) импульсов, подключенный к третьим входам электронных ключей, блок памяти и вычислительный блок, подключенный через блок памяти к выходам электронных ключей, последовательно соединенные контактный датчик скорости звука, установленный на фиксированном расстоянии от излучателя, умножитель частоты и формирователь тактовых импульсов, выход которого подключен ко вторым входам линий задержки, в качестве приемной системы используется эквидистантная линейная антенная решетка, состоящая из ряда акустических приемников, расположенная с одной стороны от излучателя акустической энергии так, что расположение первого акустического приемника совпадает с расположением излучателя, формирующая в пространстве веер статических приемных лучей характеристики направленности с равным фиксированным значением лучевого параметра, исходящих из фазовых центров корреляционных приемников, образованных каждой парой акустических приемников в решетке.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где показана структурная схема устройства для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах.

Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах содержит генератор 1 импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель 2 акустической энергии, эквидистантную линейную антенную решетку, состоящую из ряда акустических приемников 3, расположенную с одной стороны от излучателя 2 акустической энергии так, что расположение первого акустического приемника 3 совпадает с расположением излучателя 2, последовательно соединенные с акустическими приемниками 3 усилители-ограничители 4, линии задержки 5, подключенные одним из своих входов через один усилитель-ограничитель к каждому акустическому приемнику 3, начиная со второго по порядку от излучателя 2 акустической энергии, логические схемы И 6, подключенные первыми входами к выходам линий задержки 5, вторыми входами через усилители-ограничители 4 к предыдущему акустическому приемнику 3, начиная с первого по порядку от излучателя 2 акустической энергии, электронные ключи 7, подключенные первыми входами к выходам логических схем И 6, вторыми входами подключенные ко второму выходу генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, генератор 8 опорных (счетных) импульсов, подключенный к третьим входам электронных ключей 7, блок 9 памяти, вычислительный блок 10, подключенный через блок 9 памяти к выходам электронных ключей 7, последовательно соединенные контактный датчик скорости звука 11, установленный на фиксированном расстоянии от излучателя акустической энергии 2, умножителя 12 частоты и формирователя 13 тактовых импульсов, выход которого подключен ко вторым входам линий задержки 5.

Заявляемое изобретение работает следующим образом. Вырабатываемый генератором 1 импульсно-модулированных сигналов зондирующий сигнал излучается в исследуемую среду излучателем 2 акустической энергии. Рассеянные на неоднородностях среды в области пересечения излучающего и приемных лепестков характеристик направленности сигналы принимаются приемной системой, представляющей собой эквидистантную линейную антенную решетку, состоящую из ряда акустических приемников 3 и формирующую в пространстве веер статических лучей, расположенных под одним и тем же углом ₀ к вертикали и исходящих из фазовых центров корреляционных приемников (каждой пары акустических приемников 3). Каждая пара приемников 3 вместе с усилителями-ограничителями 4, линиями задержки 5 и логическими схемами И 6 образуют корреляционные приемные акустические системы. Характеристики направленности Ф( ) таких приемных систем соответствуют выражению:

где =dcos ₀/с₀ - запаздывание принятого сигнала на выходе второго приемника относительно принятого сигнала на выходе первого приемника, запаздывание принятого сигнала на выходе третьего приемника относительно принятого сигнала на выходе второго приемника и т.д.; d - расстояние между акустическими приемниками; ₀ - угол приема рассеянного акустического сигнала; c₀ - скорость звука в жидкости на горизонте расположения приемоизлучающей системы; f ₀ - частота несущих колебаний.

Линия 5 задержки обеспечивает фиксацию угла приема ₀ основного максимума каждой характеристики направленности приемных систем в зависимости от временной задержки t_з, задаваемой для необходимой глубины измерения вертикального распределения скорости звука и соответствующей выражению

По мере распространения излученного акустического импульса его глубина непрерывно увеличивается, и на выходах логических схем И 6, начиная с первой, подключенной первым входом через усилитель-ограничитель 4 к первому акустическому приемнику 3, а вторым входом к первой линии задержки 5, будут выделяться электрические сигналы через промежутки времени t_i, отсчитываемые от момента излучения. Выход каждой схемы И 6 подключен к одному из входов соответствующего электронного ключа 7. Вторые входы ключей 7 подключены ко второму выходу генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, а третьи входы этих ключей подключены к генератору 8 опорных (счетных) импульсов.

В исходном состоянии все электронные ключи 7 закрыты. Электрический импульс со второго выхода генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, соответствующий переднему фронту зондирующего импульса, открывает электронные ключи 7. С этого момента с выхода генератора 8 опорных импульсов через ключи 7 в блок 9 памяти начинают поступать опорные (счетные) импульсы. Закрываются ключи последовательно в соответствии с поступлением на их вход импульсов с выходов логических схем И 6. Первым через время t₁ закрывается ключ 7, подсоединенный к выходу первой логической схемы И 6, последним через время t_N закроется ключ, подключенный к выходу последней логической схемы И 6. Количество опорных (счетных) импульсов, поступающих с выхода i-го электронного ключа 7, пока он открыт, в блок 9 памяти, пропорционально времени t _i, соответствующему времени распространения акустического сигнала в жидкой среде от момента его излучения до момента приема.

Для измерения скорости звука на горизонте размещения приемоизлучающей системы используется контактный датчик 11 скорости звука, расположенный на фиксированном расстоянии от излучателя 2 акустической энергии, частота F выходного сигнала которого с большой точностью пропорциональна измеряемой скорости звука

где k - коэффициент пропорциональности. Выход датчика 11 скорости звука через последовательно соединенные умножитель 12 частоты с коэффициентом умножения n и формирователь 13 тактовых импульсов подключен ко вторым входам линий задержки 5, сигнал на каждом из выходов которых задержан по времени относительно входного сигнала на t_з=1/f _m, где f_m - частота тактовых импульсов, поступающих на ее второй вход, равная

Временные задержки сигнала на выходах линий 5 задержки равны

Этим задержкам соответствуют углы приема

Вычислительный блок 10 по известным значениям расстояний между приемниками, известным углам приема и измеренным значениям времен t_i проводит расчет вертикального распределения скоростей звука с_i в исследуемой жидкости.

Возможность достижения цели изобретения подтверждается следующими теоретическими выводами. Скорость звука с _i в слое жидкой среды можно вычислить по разности времен прихода t отраженных от границ слоя лучей, охарактеризованных фиксированным значением лучевого параметра p (см. Акустика морских осадков. /Под ред. Л.Хэмптона. Пер. с англ. А.В.Бунчука и Е.А.Копыла под ред. Ю.Ю.Житковского. - М.: Мир, 1977, 534 с.)

где ₀ - угол приема, определяемый необходимой глубиной измерения профиля скорости звука (отсчитывается от вертикали); с₀ - скорость звука на горизонте размещения приемоизлучающей системы. Поскольку расстояние между приемниками есть x, то скорость звука в i-м слое при вертикальном излучении определяется из выражения

Далее определяется вертикальная протяженность слоя z:

Расположив каждую пару акустических приемников последовательно друг за другом так, чтобы второй акустический приемник предыдущей пары являлся первым акустическим приемником последующей, а первый по порядку от излучателя акустический приемник располагался в месте размещения излучателя акустической энергии, можно определить скорость звука по вертикальной трассе распространения звукового сигнала, перекрыв ее приемными лучами характеристики направленности, т.е. измерить вертикальное распределение скорости звука c(z). При этом рассеянные на неоднородностях жидкой среды акустические сигналы принимаются с одного и того же направления, определяемого фиксированным значением угла приема ₀, т.е. фиксированным значением лучевого параметра p.

Поскольку при решении обратной задачи не требуется производить линеаризацию уравнений луча и использовать значения скорости звука в предыдущих слоях, то решение будет устойчивым, а точность измерения вертикального распределения скорости звука будет определяться только точностью измерения времени прихода и угла приема, которая может быть довольно высока.

Таким образом, использование эквидистантной линейной антенной решетки в качестве приемной системы выгодно отличает предлагаемое устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах, поскольку исключается методическая погрешность, обусловленная геометрией и методом решения обратной задачи, в результате чего повышается точность измерения вертикального распределения скорости звука в жидкой среде.