RU2548117C1 - Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах - Google Patents

Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах Download PDF

Info

Publication number
RU2548117C1
RU2548117C1 RU2014151919/93A RU2014151919A RU2548117C1 RU 2548117 C1 RU2548117 C1 RU 2548117C1 RU 2014151919/93 A RU2014151919/93 A RU 2014151919/93A RU 2014151919 A RU2014151919 A RU 2014151919A RU 2548117 C1 RU2548117 C1 RU 2548117C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reflectors
transducer
reflected
arrival times
received
Prior art date
Application number
RU2014151919/93A
Other languages
English (en)
Inventor
Виталий Александрович Гайский
Александр Николаевич Греков
Original Assignee
Морской гидрофизический институт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Морской гидрофизический институт filed Critical Морской гидрофизический институт
Priority to RU2014151919/93A priority Critical patent/RU2548117C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2548117C1 publication Critical patent/RU2548117C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрометеорологии для измерения профилей скорости звука и профилей скорости ветра в атмосфере и течения в водных потоках.Технический результат - возможность одновременного измерения профиля составляющих горизонтального вектора скорости потока и профиля скорости звука в среде и повышение точности измерений скорости потока и пространственной "привязки профиля скорости потока.Сущность: используют четыре акустических преобразователя, размещенных полярно на одной диагонали в горизонтальной плоскости в первой и второй, и в третьей и четвертой вершинах квадрата, и цепочку n акустических отражателей, размещенных последовательно на держателе на оси, перпендикулярной плоскости квадрата и проходящей через центр квадрата, ориентируют акустические преобразователи на цепочку отражателей так, чтобы все отражатели находились в области диаграммы направленности каждого из акустических преобразователей, формируют поочередные передачу и прием отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, фиксирую времена прихода последовательности сигналов, отраженных от цепочки отражателей, определяют ортогональные составляющиегоризонтального вектора скорости потока и значения скорости звукапо осям хну в слое между (i-1)-м и i-м отражателями по формуламгде- времена прихода сигнала, излученного 1-м преобразователем..отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 2-м преобразователем;- времена прихода сигнала, излученного 2-м преобразовател

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в гидрометеорологии для измерения профилей скорости звука и профилей скорости ветра в атмосфере и течения в водных потоках.
Известны способ и устройство измерения профиля скорости потока, использующие зависимость доплеровского смещения частоты отраженного от неодиородно-стей среды по трассе акустического сигнала от отношения встречной или попутной составляющей скорости потока к скорости звука в среде [1]. В этом способе не измеряет ся профиль скорости звука, которая предполагается известной и постоянной.
В реальной среде скорость звука зависит от стратификации и может изменятьсяпо акустической трассе в море, водоеме и в атмосфере на десятки процентов. Это приводит как к погрешностям измерения скорости потока, так и к погрешностям пространственной привязки по трассе результатов измерения.
Кроме того, профиль скорости звука представляет самостоятельный интерес.
Известные способы и устройства не обеспечивают одновременного измерения профиля скорости потока и профиля скорости звука.,,
Известен способ определения скорости потока в среде, использованный в измерителе WindSonic [2], выбранный в качестве прототипа, в котором, как и в заявленном техническом решении, используют отражатель и подключенные к блоку электроники четыре акустических преобразователя, размещенных в горизонтальной плоскости н вершинах квадрата, формируют поочередные передачу и прием отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, и фиксируют времена прихода отраженных сигналов.
Прототип не обеспечивает одновременного измерения профиля скорости по тока и профиля скорости звука.
В основу изобретения поставлена задача создания способа определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах, совокупностью существенных признаков которого обеспечивается технический результат возможность одновременного измерения профиля составляющих горизонтального вектора скорости потока и профиля скорости звука в среде и повышение точности измерений скорости потока и пространственной привязки профиля скорости потока.
Поставленная задача решается тем, что используют четыре акустических преобразователя, размещенных полярно на одной диагонали в горизонтальной плоскости в первой и второй, и в третьей и четвертой вершинах квадрата, и цепочку из η акустических отражателей, размещенных последовательно на держателе на оси, перпендикулярной плоскости квадрата и проходящей через центр квадрата, ориентируют акустические преобразователи на цепочку отражателей так, чтобы все отражатели 'нйходйлйЪь в области диаграммы направленности каждого из акустических преобразователей, формируют поочередные передачу и прием отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, фиксируют времена прихода последовательности сигналов, отраженных от цепочки отражателей, определяют ортогональные составляющие
Figure 00000001
и
Figure 00000002
горизонтального вектора скорости потока и значения скорости звука'
Figure 00000003
: и
Figure 00000004
по осям х и у в слое между (i-1)-м и i-м отражателями по формулам
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000008
где
Figure 00000009
- времена прихода сигнала, излученного 1-м преобразователем,
отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 2-м преобразователем;
Figure 00000010
- времена прихода сигнала, излученного 2-м преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 1-м преобразователем;
Figure 00000011
- времена прихода сигнала, излученного 3-м преобразователем,.Отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого 4-м преобразователем;
Figure 00000012
- времена прихода сигнала, излученного 4-м преобразователем,
отраженного соответственно (i-l)-M и i-м отражателями и принятого 3-м преобразователем;
Figure 00000013
- углы между горизонталью и направлением на соответственно (i-1)-й и i-й отражатели от каждого из преобразователей;
Figure 00000014
- расстояние по оси χ между 1-ми 2-м преобразователями и по оси у между 3 и 4 преобразователями;
Figure 00000015
Сущность изобретения поясняется с помощью иллюстраций, на которых изображено:
фиг. 1 - схема перекрытия диаграмм направленности пары акустических преобразователей
Figure 00000016
(или пары преобразователей
Figure 00000017
на цепочке отражателей; фиг. 2 - схема акустических трасс преобразователей
Figure 00000018
фиг. 3 - схема профиля вектора скорости потока;
фиг. 4 - диаграммы последовательностей отраженных сигналов при работе пар акустических преобразователей
Figure 00000019
фиг. 5 - структурная схема устройства для реализации заявленного способа, которое содержит: 1 - блок электроники; 2 - подключенные к блоку электроники четыре акустических преобразователя
Figure 00000020
(соответственно Π1-П4); 3 сторона квадрата, в вершинах которого размещены преобразователи, при этом диагонали квадрата имеют длину
Figure 00000021
и ориентированы по осям х и у прямоугольной системы координат; 4 - держатель, установленный в центре квадрата по оси z;
Figure 00000022
-n акустических отражателей
Figure 00000023
закрепленных на держателе 4; фиг. 6 - 8 - примеры постановки в потоке устройства, реализующего заявленный способ.
Для измерения составляющей вектора скорости, например
Figure 00000024
в направлении оси x так, как это показано на фиг. 1, акустические преобразователи Π1 и Π2 размещаются на оси x на расстоянии
Figure 00000025
друг от друга, цепочка отражателей О, устанавливается на держателе, проходящем через середину отрезка между преобразователями Π1 и Π2 перпендикулярно к оси χ вдоль профиля измеряемых величин по оси z, диаграммы направленности преобразователей Π1 и П2 выполняются такими и ориентируется так, чтобы все отражатели находились в их области. Расстояния между отражателями Оi
Figure 00000026
и число отражателей n устанавливаются исходя из требований пространственного разрешения по оси z и числа точек на профиле. Направление от преобразователей на i-й отражатель определяется углом а,.
Измерения Vxi производят в два такта. В первом такте обеспечивают передачу импульсного акустического сигнала преобразователем П1, прием сигнала преобразователем П1 и фиксацию времен прихода
Figure 00000027
последовательности отраженных от цепочки отражателей Oi сигналов. Во втором такте обеспечивают передачу сигнала преобразователем П2, прием сигнала преобразователем Π1 и фиксацию времен прихода
Figure 00000028
последовательности отраженных сигналов.
Далее для определения составляющих
Figure 00000029
скорости потока и
Figure 00000030
скорости звука, соответствующих значениям средних величин в слое среды от горизонтали по оси х и i-ым отражателем по оси z, используют известный метод двух встречных акустических сигналов [2], суть которого для рассматриваемого способа поясняется фиг. 2, где представлена схема акустических трасс и составляющая
Figure 00000031
вектора скорости-потока
При прохождении сигналом трассы
Figure 00000032
к скорости звука
Figure 00000033
добавляется проекция составляющей
Figure 00000034
вектора скорости течения, равная
Figure 00000035
и суммарная скорость сигнала составляет
Figure 00000036
Время прохождения трассы составит
Figure 00000037
При прохождении сигналом трассы
Figure 00000038
составляющая вектора скорости течения Vxi направлена встречно направлению распространения сигнала, поэтому суммарная скорость сигнала составляет
Figure 00000039
а время прохождения трассы составит
Figure 00000040
Из выражений (5) и (6) получим для средних скоростей в /-м слое от 0 до /-го отражателя
Figure 00000041
Для получения профиля средних скоростей необходимо определить, среднее скорости
Figure 00000042
и
Figure 00000043
в слоях между отражателями (i-1)-μ и i-м. Можно записать
Figure 00000044
где zi - координата i -го отражателя по оси z.
Из выражений (9) и (10) для профилей составляющих скоростей в плоскости χοζ получим
Figure 00000045
Для получения профилей составляющих
Figure 00000046
скоростей в плоскости yoz аналогично используется вторая пара преобразователей
Figure 00000047
выполняется передача и прием встречных акустических сигналов, фиксируются времена прихода отраженных сигналов
Figure 00000048
и используются формулы
Figure 00000049
Figure 00000050
Figure 00000051
Figure 00000052
Поскольку исходными для вычислений являются геометрические параметры схемы расположения преобразователей
Figure 00000053
и
Figure 00000054
а также времена прихода отраженных сигналов
Figure 00000055
то целесообразно записать выражения для профилей скоростей в явном виде (1)-(4):
Figure 00000056
Figure 00000057
Скорость звука
Figure 00000058
не является векторной величиной, однако, если
Figure 00000059
то имеет место анизотропия скорости звука по осям х и у в слое между (i-1)-м и i-м отражателями
Figure 00000060
В заявленном способе диаграммы направленности акустических преобразователей ориентированы так, что они захватывают все отражатели, для преобразователей и 21 22 - в плоскости χοz, для преобразователей 23 и 24 - в плоскости yoz, и направления акустических трасс на i -й отражатель составляют с горизонталью угол
Figure 00000061
. При работе устройства пары акустических, преобразователей
Figure 00000062
последовательно излучают встречно импульсные акустические сигналы и принимают отраженные блок электроники 1 фиксирует времена прихода отраженных сигналов
Figure 00000063
Figure 00000064
и определяет профили составляющих скорости звука
Figure 00000065
и доставляющих скорости потока
Figure 00000066
по формулам (1) - (4).
Для осуществления способа в качестве отражателей 5, могут использоваться круги, диски, сферы. Держателем 4 может быть стержень, трос, фал. Устройство, может использоваться в водной среде в виде буя на растяжках с отражателями на тросе и акустическими преобразователями Π1 - Π2, размещенными на буе (фиг. 6), на дне (фиг. 7). При использовании устройства в воздухе держателем 4 отражателей может быть мачта, а акустические преобразователи Π1 - Π2 могут быть размещены на поверхности земли (фиг. 8).

Claims (1)

  1. Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах, при котором используют отражатель и подключенные к блоку электроники четыре акустических преобразователя, размещенных в горизонтальной плоскости в вершинах квадрата, формируют поочередные передачу и приём отраженных встречных импульсных акустических сигналов парами акустических преобразователей, расположенных на одной диагонали квадрата, соответственно первым-вторым и третьим-четвертым преобразователями, фиксируют времена прихода отраженных сигналов, отличающийся тем, что используют цепочку из n отражателей, размещенных на держателе на оси, перпендикулярной плоскости квадрата и проходящей через центр квадрата, ориентируют диаграммы направленности каждого из акустических преобразователей на все отражатели, формируют для каждого из отражателей указанные поочередные передачу и прием сигналов парами преобразователей, фиксируют времена прихода последовательности отраженных сигналов, вычисляют составляющие по осям х и у средних скоростей звука
    Figure 00000067
    и скоростей потока
    Figure 00000068
    Figure 00000069
    в слоях среды между (i-l)-м и i-м отражателями по формулам
    Figure 00000070

    где
    Figure 00000071
    - времена прихода сигнала, излученного первым преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого вторым преобразователем;
    Figure 00000072
    - времена прихода сигнала, излученного вторым преобразователем,
    отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого первым преобразователем;
    Figure 00000073
    - времена прихода сигнала, излученного третьим преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого четвертым преобразователем;
    Figure 00000074
    - времена прихода сигнала, излученного четвертым преобразователем, отраженного соответственно (i-1)-м и i-м отражателями и принятого третьим преобразователем;
    Figure 00000075
    - углы между горизонталью и направлением на соответственно (i-1)-й и i-й отражатели от каждого из преобразователей;
    Figure 00000076
    - расстояние по оси х между первым и вторым преобразователями и по оси у между третьим и четвертым преобразователями
    Figure 00000077
RU2014151919/93A 2014-12-18 2014-12-18 Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах RU2548117C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014151919/93A RU2548117C1 (ru) 2014-12-18 2014-12-18 Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014151919/93A RU2548117C1 (ru) 2014-12-18 2014-12-18 Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2548117C1 true RU2548117C1 (ru) 2015-04-10

Family

ID=53296632

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014151919/93A RU2548117C1 (ru) 2014-12-18 2014-12-18 Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548117C1 (ru)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4415192B2 (ja) 河床測定装置
ES2386907T3 (es) Métodos y sistemas para localización pasiva de alcance y profundidad
CN108169511B (zh) 三维空间来风的风速测量系统及方法
CN102680977B (zh) 用相控阵换能器进行声波多普勒速度处理的系统和方法
CN107132520A (zh) 一种基于水声超短基线定位系统的声线修正方法及系统
CN104501889B (zh) 基于互相关时差法超声波流量的检测方法
CN108303570B (zh) 一种多普勒海流计声波散射区域的标定装置及方法
CN104133217B (zh) 一种水下运动目标与水流的三维速度联合测定方法及装置
US7420875B1 (en) Methods and systems for use of an acoustic doppler current profiler for measurement of compact jets
RU2343502C2 (ru) Способ и система определения положения наблюдаемого объекта по глубине в водной среде
CN102590804A (zh) 一种多普勒声纳陆上测试系统及其测试方法
CN101828929B (zh) 利用视在位移的多普勒血流速度矢量测量方法
KR101544147B1 (ko) 무측선 유량 측정 방법
CN107656096A (zh) 声学多普勒流速仪静水校验方法
CN110836981A (zh) 一种分层水流高分辨径向声学多普勒频率测量方法
CN109855649A (zh) 一种水下滑翔机平台运动轨迹被动确定方法
CN108732378A (zh) 一种用于声学多普勒流速剖面仪的自动化测试方法
CN103969694A (zh) 基于激光后向散射多普勒频移的水中目标尾迹探测方法
RU2350983C2 (ru) Способ определения глубины погружения объекта
CA3092463A1 (en) Multiphase flow rate measurement with elliptical ultrasonic transceiver array
RU2548117C1 (ru) Способ определения профиля скорости звука и профиля скорости потока в газообразных и жидких средах
Simmons et al. Monitoring suspended sediment dynamics using MBES
CN207689518U (zh) 三维空间来风的风速测量系统
CN114608567B (zh) 一种小俯仰角条件下的usbl定位方法
RU2562001C1 (ru) Способ поверки доплеровского измерителя скорости течений

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190707