SU1293492A1 - Способ определени скорости распространени звука в среде и вектора скорости движени среды и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к методам и средствам определени  скорости распространени  звука в среде и скорости движени  среды, и может быть широко использовано в системах навигации, метеорологии и других об .,1гИ (/)

Description

ласт х. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  величины и направлени  скорости движени  среды и скорости распространени  звука в среде за счет введени  регулируемого эталонного канала в функции измен ющихс  параметров. В устройстве помимо трех расположенных взаимно- перпендикул рно измерительных каналов 1, 2, 3 используетс  четвертый эталонный канал 4, аналогичный первым трем, который находитс  в тех же услови х, что и измерительные, но зищищен от воздействи  ветра. Длины акустических баз всех каналов уста- навливаютс  одинаковыми. Через воздушную среду пропускают в одном направлении ультразвуковые колебани , про

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к методам и средствам определени  скорости распространени  звука в среде и скорости движени  среды, и может быть использовано в системах навигации , метрологии и других област х.

Цель изобретени  - повьш ение точности измерени  величины и направлени  скорости движени  среды и скорости распространени  звука в среде за счет введени  регулируемого эталонного канала в функции измен ющих- с  параметров,

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство дл  определени  скорости распространени  звука в среде и вектора скорости движени  среды, содержит четьфе акустических канала 1-4, три из которых 1, 2 и 3 распо- ложены во взаимно перпендикул рньпс -направлени х, а четвертый канал 4 - в произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении , включаюЕще в себ  последовательно электроакустически соединенны излучающий 5-8 и приемный 9-12 преобразователи, полосовой усилитель 13-16, амплитудный детектбр 17-20,

модулированные по амплитуде звуковой частотой. Частота модул ции измен етс  таким образом, что разность фаз колебаний этой частоты на излучателе 8 и приемнике 12 эталонного канала поддерживаетс  равной . Если в процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность, давление, газовый состав) измен ютс  то в эталонном канале 4 формируетс  сигнал рассогласовани , управл ющий частотой задаклцего генератора 33. При этом эталонный канал 4 позвол ет определить скорость звука в воздухе, а измерительные каналы - составл ющие скорости ветра в трех взаимно перпендикул рных направлени х. 2. си 1 з . п, ф-лы, 1 ил.

5

л

0

5

амплитудный дискриминатор 21-24 и формирователь 25-28, первь й 29 и второй 30 блоки вычислений, первый 31 и второй 32 индикаторы, подключенные соответственно к выходам первого 29 и второго 30 блоков вычислений , генератор 33 зондирующих импульсов , состо щий из последовательно соединенных вЕ 1сокочастотного опорного генератора 34, первого 35 и второго 36 делителей частоты, первого полосового фильтра 37 и модул тора 38, выход которого подключен к излучающим преобразовател м 5-8, второго полосового фильтра 39, входом подключенного к выходу первого делител  35 частоты, а выходом - к второму входу модул тора 38, подключенные в каждом из трех взаимно перпендикул рных каналов 1„ 2, 3 последовательно соединенные временной селектор 40, 41, 42, первый выход которого подключен к выходу формировател  25, 26, 27 акустического канала 1, 2, 3, а второй вход подключен к выходу формировател  28 четвертого акустического канала 4, схему И 43, 44, 45, вторым входом подключенную к выходу высокочастотного опорного генератора 34, счетчик 46, 47, 48, третий блок 49 вычислений, входами Подключенный

к выходам первого блока 29 вычислени и счетчиков А6, А7, 48,а выходами - к входам второго блока 30 вычислений четвертый блок 50 вычислений, входами подключенный к выходам третьего блока 49 вычислений, и временных селекторов 40, 41, 42, третий индикатор 51, входом подключенный к выходу четвертого блока 50 вычислений, частотомер 52, входом подключенный к выходу второго делител  36 частоты, а выходом - к входу первого блока 29 вычислений, и блок 53 автоматического регулировани  частоты, выполненный в виде последовательно соеди- венных п того формировател  54, вхо- . дом подключенного к выходу второго делител  36 частоты, триггера 55, вторым входом подключенного к выходу формировател  28 четвертого акусти- ческого канала 4, четвертой схемы И 56, вторым входом подключенной к выходу высокочастотного опорного генератора 34, четвертого счетчика 54, схемы 58 сравнени  и интегратора 59, выходом подключенного к входу высокочастотного опорного генератора 34, и запоминающего блока 60, выходом подключенного к второму входу схемы 58 сравнени .

Сущность способа состоит в том, что помимо трех расположенных взаимно перпендикул рно в открытом воздухе измерительных каналов дополнительно используетс  .четвертый, ана- логичный первым трем, эталонный канал , который находитс  в таких же услови х, как и измерительные, но защищен от воздействи  ветра. Измер ютс  разности фаз между низкочас- тотными огибающими прин тых сигналов в эталонном и в каждом из измерительных каналов. При этом длины акустических баз всех четырех каналов устанавливаютс  одинаковыми. В этом

случае измер емые разности фаз пр мо пропорциональны соответствующим составл ющим вектора скорости ветра. Дл  обеспечени  помехозащищенности от естественных шумов в звуковом диапазоне частот через воздушную среду пропускаютс  в одном направлении ультразвуковые колебани , про- модулированные по амплитуде звуковой частотой. Частота амплитудной моду- л ции измен етс  таким образом, что разность фаз колебаний этой частоты на излучателе и приемнике эталонного канала поддерживаетс  равной п.

Способ осуществл етс  следующим образом. Формируютс  высокочастотные колебани , частота которых выбираетс  из услови 

2

N S,

(1)

где J - длина волны высокочастотных колебаний

S - акустическа  6asaj

N - целое число.

Например, при S 0,5 м, V 344 м/с (скорость звука в воздухе при t +20, С) и N 10000, использу  соотношение

.f.

(2)

где f - частота ультразвуковых колебаний i

С - скорость ультразвука , Д - длина ультразвуковой волны, получаем f 3,4-10 Гц. Сигнал (иьшульсный) этой частоты использует с  в качестве опорного и определ ет цену младшего дискретного разр да при измерении разности фаз низкочастотных колебаний измерительных и эталонного принимаемых сигналов,, Это же сигнал частоты f преобразуетс  в гармонические электрические колебани частоты fp /10 и , поступаю- шJie на модул тор, с выхода которого амплитудно-модулированный сигнал с несущей ультразвуковой частотой и звуковой частотой амплитудной модул ции с помощью электроакустических преобразователей излучаетс  в воздушную среду. При этом разность фаз излученных и прин тых колебаний в эта- лонном канале равна А . Если Б процессе измерений параметры воздушной среды (температура, влажность давление, газовый состав) измен ютс , то условие йФз /i нарушаетс . В этом случае в эталонном канале формируетс  сигнал рассогласовани , который используетс  дл  управлени  частотой задающего генератора. В результате автоподстройки частоты разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном канапе все врем  остаетс  равной .

Taки образом, эталонный канал позвол ет определить скорость звука в воздухе, а измерительные каналы вместе с эталонным - составл ющие скорости ветра в трех взаимно перпендикул рных направлени х, которые пропорциональны измер емой разности фаз между сигналами, прин тыми в каждом из измерительных и эталонном каналах.

Вычислени  величины и направлени  скорости движени  среды провод тс  по следующим формулам:

ЧК2+К2)2 4К2 4К2 4К ;

23 „

+

(4)

оС arctg

Vs. V,

(8)

arctg

Sv/ + v|

(9)

где

С - скорость звука в воздухе, f - звукова  частота модул ции,S - длина акустической базы; V V ,V - составл ющие скорости движени  среды в трех взаимно перпендикул рных направлени х;

у.

х (

к,-Т-дЧ-з

К2 + т

ч

кь

дЧ, iVg, 4 Ч д - разность фаз между

сигналами на приемниках в канале с неподвижной воздушной средой и в соответствующем измерительном канале, V - скорость ветра, ot - угол, образованный проек1Д1ей вектора скорости йетра на

о

горизонтальную плоскость с выбранным базовым направлением; - угол,образованный вектором

скорости ветра с вертикальным направлением.

Устройство работает следующим образом.

Задающий генератор 34 работает на

услови 

задающего генератора 34 высокочастотные электрические импульсы поступают на вход первого делител  35 частоты, на выходе

10 частоте f , определ емой из (2). С выхода

15 рого получаем сигнал fg/IO, т

котое .

несущую ультразвуковую частоту, подлежащую излучению, котора  с помощью второго полосового фильтра 39 преобразуетс  в синусоидальный сигнал и поступает на модул тор 38. Здесь она модулируетс  низкой, звуковой частотой синусоидальной формы, которую мы получаем с помощью второго делител  36 частоты, на

30

выходе которого имеем сигнал и первого полосового фильтра 37. Длина волны сигнала звуковой частоты составл ет 2S. Устройство и принцип работы каждого из каналов 1, 2, 3 аналогичны. Рассмотрим работу одного из каналов 1, 2, 3. Амплитудно-модулированный сигнал с выхода модул тора 38 поступает на излучающий преобразователь 5р где происходит преобразование электрических сигналов в звуковые. На приемном преобразователе 9 происходит преобразование прин тых акустических сигналов в электрические. Прин тые колебани  с помощью полосового усилител  13 усиливаютс , детектор 17 вьщел ет низкочастотную огибающую ультразвуковых колебаний, котора  амплитудным .дискриминатором 21 преобразуетс  в пр моугольные импульсы j5 той же частоты, а формирователь 25 по переднему фронту этого импульса формирует короткий импульс.

35

40

Аналогичные преобразовани  претер- 50 певает сигнал в эталонном канале 4,

который изолирован от воздействи  ветра. Звукова  частота выбираетс  таким образом, что половина длины ее волны точно укладываетс  на длине 55 акустической базы. В результате разность фаз сигналов на излучаемом преобразователе 8 и приемном преобразователе 12 в эталонном канале 4 посто нна и равна /Г .

В результате того, что в измерительном канале 1 звуковые колебани  распростран ютс  в движущейс  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 движени  ветра в канале 1 по направлению совпадают, то сигнал с выхода формировател  25 по витс  раньше, чем сигнал с выхода формировател  28, и временной селектор 40, на входы которого подаютс  оба эти сигнала, формирует импульс, длительность которого равна временной разности поступлени  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 оказываетс  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 по витс  сигнал, инфЬрмирующий о положительном знаке составл ющей скорости ветра V. , который поступает в четвертьй блок 50 .вычислений.. Если скорость ультразву- ка и скорость движени  ветра направлены навстречу друг другу,то задерж- .ка в измерительном канале 1 будет больше, чем в эталонном канале 4, и сигнал с выхода формировател  28 по витс  раньше, чем с формировател  25, и временной селектор 40 оп ть формирует импульс длительностью, равной временному запаздыванию одного импульса относительно другого, который открывает схему И 43,и в

счетчике 46 с высокой точностью запи- 45 ние частоты генератора такой, что

сываетс  цифровой :эквивалент разности фаз, код которого поступает во второй блок 49 вычислений, а на третьем выходе (минусовом) временного селектора по витс  сигнал, инфор- 50 мируюш 1й от отрицательном направлении V , который поступает в четвертый блок 50 вычислений. Измерительные каналы 2 и 3 дл  измерени  V и

на длине акустической базы S всегда будет укладыватьс  посто нное число импульсов, значение которого опре I

N

делаетс  числом - в формуле (1) . Таким образом, блок 53 автоматического регулировани  частоты так у1 равл ет .частотой генератора 34, что половина

V- составл ющих скорости ветра рабо- 55 волны точно укладываетс 

на длине акустической базы S вне зависимости от состо ни  среды и разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном, а также в каж

тают аналогично.

Дп  компенсации зависимости скорости распространени  звуковых колебаний от параметров воздушной среды (температуры, влажности, давлени , газового состава) и соответственно дл  увеличени  точности, в устройстве используетс  блок 53 автоматического регулировани  частоты.

Блок 53 работает следующим образом . Импульсом с выхода формировател  54, входом подключенного к выходу

второго делител  36 частоты, триггер 55 опрокидываетс  и в счетчик 57 через схему И 56 поступают счетные импульсы . Импульсом с выхода формировател  28 триггер 55 возвращаетс  в

исходное состо ние и в счетчике 57 оказываетс  записанным цифровой эквивалент разности фаз в эталонном канале между акустическими колебани ми на излучателе и приемнике, код

0 которого сравниваетс  в схеме 58

- сравнени  с кодом фиксированного эталонного числа, записанного в запоминающем блоке 60. В случае изменени  параметров воздушной среды происходит изменение скорости распространени  звуковых колебаний, а следовательно , и разности фаз между сигналами на излучателе и приемнике, в результате чего код эталонного числа в запоминающем блоке 60 отличает- с  от кода числа в счетчике 57. Поэтому схема 58 сравнени  вьщает си1- налы рассогласовани  Больше или Меньше, которые интегратором 59

5 преобразуютс  в управл ющее напр жение , с помощью которого происходит изменение частоты высокочастотного опорного генератора 34 в соответствующую сторону. При совпадении кодов

0 указанных чисел схема 58 сравнени  не выдает сигнала рассогласовани . Система автоматического регулировани  на основе схемы 58 сравнени  и интегратора 59 обеспечивает поддержа-.

5

0

на длине акустической базы S всегда будет укладыватьс  посто нное число импульсов, значение которого опре- I

N

делаетс  числом - в формуле (1) . Таким образом, блок 53 автоматического регулировани  частоты так у1 равл ет .частотой генератора 34, что половина

волны точно укладываетс 

на длине акустической базы S вне зависимости от состо ни  среды и разность фаз сигналов на излучателе и приемнике в эталонном, а также в каждом из измерительньгх каналов, в aiy- чае отсутстви  ветра, остаетс  посто нной и равной If , Устройство обеспечивает высокую точность скорости распространени  звука в среде и вектора скорости движени  среды.

Claims (3)

1. Способ определени  скорости распространени  звука в среде и вектора скорости движени  среды, включающий размещение пар излучающих и приемных преобразователей в двух взаимно перпендикул рных направлени х на фиксированном рассто нии, излуче ние и прием ультразвуковых колебаний и измерение времени задержки при прохождении фиксированного рассто ни , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, излучают модулированные ультразвуковые сигналы в трех взаимно перпендикул рных направлени х и в четвертом, произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, определ ют разность фаз между сигналами , прошедшими среду в трех взаимно перпендикул рных направлени х относительно сигнала, прошедшего в четвертом , произвольном направлении, в котором разность фаз излучаемым и принимаемым сигналами поддерживают посто нной и равной S , и с учетом измеренных величин определ ют

..

искомые параметры.

, 35 автоматического регулировани  час

2. Устройство дл  определени  ско ты, первым входом подключенным к

рости распространени  звука в среде и вектора скорости движени  среды, содержащее четыре акустических канала , три из которых расположены во взаимно перпендикул рных направлени х , а четвертый - в произвольном и изолированном от воздействий внешней среды направлении, и включающие в себ  последовательно электроакустически соединенные излучающий и приемный преобразователи, полосовой усилитель, амплитудный детектор, амплитудный дискриминатор и формирователь , 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- 55 мировател , вторые входы четвертой

щим преобразовател м, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений,, генератор зондирующих импульсов выполнен в

Ш

J5

349210

виде последовательно соединенных высокочастотного опорного генератора, первого и второго делителей частоты, первого полосового фильтра и модул тора , выход которого  вл етс  выходом генератора.зондирующих импульсов , и второго полосового фильтра, входом подключенного к выходу первого делител  частоты, а выходом - к второму входу модул тора, устройст- во снабжено подключенными к каждому из трех взаимно перпендикул рных каналов последовательно соединенными временным селектором, первый вход которого подключен к выходу формировател  акустического канала, а второй вход подключен к выходу формировател  четвертого акустического канала , схемой И, вторым входом подключенной к выходу высокочастотного опорного генератора, и счетчиком, третьим блоком вьгаислений, 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 индикатором, .входом подключенным к выходу, четвертого блока вычислений, частотомером, входом подключенным к выходу второго делител  частоты, а выходом - к входу первого блока вычислений и блоком

20

25

30

, 35 автоматического регулировани  частовыходу второго делител  частоты, вторым входом - к выходу высокочастотного опорного генератора, треть- им входом - к выходу формировател  четвертого акустического канала, а выходом - к входу высокочастотного опорного генератора.

3. Устройство по п. 2, о т л и- чающеес  тем, что блок автоматического регулировани  частоты выполнен в виде последовательно соеиненных п того формировател , триггера , четвертой схемы И, четвертого счетчика, схемы сравнени  и интегратора , и запоминающего блока, выходом подключенного к второму входу схемы сравнени , причем вход п того форсхемы И и триггера. вл ютс  первым, вторьм и третьим входами, а выход интегратора - выходом блока автоматического регулировани  частоты.