способ радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере

Формула изобретения

Способ радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере, заключающийся в том, что в исследуемом объеме возбуждают механические колебания с последующим измерением инициированного электрического сигнала, по характеристикам которого определяют распределение заряда, отличающийся тем, что в исследуемом объеме возбуждают механические колебания акустической волной с последующим измерением напряженности электрического поля на частоте акустического воздействия, а определение заряда аэрозольных частиц единичного объема осуществляют по формуле

где А=4 · ₀·с² - постоянный коэффициент;

- амплитудное значение напряженности электрического поля, измеренного на частоте акустического воздействия;

₀ - электрическая постоянная

с - скорость распространения электромагнитной волны;

=2 f - круговая частота акустической волны;

R - расстояние до облучаемого акустическим сигналом объема;

- удельный коэффициент ослабления акустической мощности;

- угол между направлением движения заряда и направлением на точку приема электромагнитного сигнала;

- объем атмосферы, облучаемый акустическим локатором (импульсный объем);

- направленная мощность акустического локатора;

w - мощность акустического локатора;

- ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора;

- длительность зондирующего импульса акустического локатора;

V_зв(R) - скорость звуковой волны в измеряемом объеме;

(R) - плотность воздуха в измеряемом объеме;

- коэффициент, зависящий от размера аэрозольных частиц (r), динамической вязкости воздуха ( ), плотности аэрозольной частицы ( ),

при этом по времени запаздывания отклика зондирующего акустического сигнала относительно момента его посылки получают информацию об удалении исследуемого объема от акустического локатора, а направление прихода отклика акустического сигнала определяют по угловым координатам положения антенны локатора в момент зондирования.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к метеорологии, в частности к дистанционным методам измерения характеристик атмосферы, и может быть использовано в автоматизированных системах определения опасных для авиации явлений погоды, а также в других областях человеческой деятельности, где необходимо знание о величине заряда атмосферного аэрозоля.

Актуальность данной проблемы обусловлена тем, что при решении ряда важных прикладных задач физики атмосферы, экологического мониторинга окружающей среды, воздействий на атмосферные явления и процессы, а также для обеспечения безопасности полетов авиации требуются данные об электрическом состоянии атмосферы, определяемые в настоящее время контактным способом при помощи технических устройств, установленных на борту воздушных судов, с использованием наземных ловушек или же введением в исследуемую среду зонда с измерительными приборами (Современные исследования ГГО им. Воейкова. Том 2. / Под ред. д-ра ф.-м. наук Берлянда М.Е., д-ра ф.-м. наук Мелешко В.П. - С.-Петербург: Гидрометеоиздат, 2001, с.207-228).

Известен способ измерения заряда аэрозольных частиц (Сушко Б.К., Бахтизин Р.З., Ивлев Л.С. Измерение объемного заряда аэрозольных частиц // Заводская лаборатория, 1989, N10, с.35-38), величину которого определяют по напряженности электростатического поля у одной из пластин плоского конденсатора, помещенного в исследуемую среду. При этом среднюю плотность заряда аэрозольных частиц вычисляют по формуле

где Е - напряженность электрического поля у пластины конденсатора,

- диэлектрическая проницаемость измеряемой среды,

₀=8.85·10^-12 Ф/м - электрическая постоянная,

h - расстояние между пластинами конденсатора.

Напряженность поля измеряется с помощью динамического индукционного электрометра с дифференциальным датчиком.

Диапазон измерения плотности объемного заряда равен 10 ^-10÷2·10^-6 Кл/м ³.

Недостатком данного способа является невозможность определения заряда в атмосфере на различных высотах, а также малый объем, в котором определяется заряд аэрозольных частиц.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения заряда в твердых диэлектриках (А.с. 1087927 СССР, МКИ G01R 29/24. Способ измерения плотности распределения объемного заряда в твердых диэлектриках. Опубл. в БИ, 1984, N15). Способ осуществляют возбуждением в исследуемом образце механических колебаний с последующим измерением электрического сигнала, характеризующего распределение заряда в твердом диэлектрике. Расчет плотности распределения заряда в исследуемом образце проводят по следующей схеме. Измеряют амплитудные значения тока в электрической цепи (I_n(t)) последовательно при частотах колебаний, удовлетворяющих условию возникновения в образце стоячей волны

, где d - толщина диэлектрика, - длина волны.

Затем решают уравнение (2) относительно (х) методом обратного преобразования Фурье:

где - поверхностная плотность заряда;

V ₀ - амплитудное значение колебательной скорости частиц;

- частота колебаний.

К недостатку данного способа относится его ограниченное применение, только для определения плотности распределения зарядов в твердых диэлектриках.

Общим недостатком известных способов является необходимость контакта с заряженной средой при проведении измерений, их ограниченное применение и малый исследуемый объем.

Задача предполагаемого изобретения состоит в дистанционном определении заряда аэрозольных частиц в атмосфере с одновременным расширением объема исследуемой среды и диапазона измерений в области максимальных значений.

Сущность предлагаемого способа дистанционного радиоакустического определения заряда аэрозольных частиц заключается в том, что первоначально осуществляют возбуждение в исследуемом объеме механических колебаний заряженных частиц, инициированных акустической волной и порождающих ответное электромагнитное излучение. Затем измеряют электромагнитный сигнал на частоте воздействия, по параметрам которого определяют распределение заряда аэрозольных частиц в атмосфере.

Общими для заявляемого способа и прототипа являются следующие признаки:

- возбуждение механических колебаний в исследуемом объеме;

- измерение электрического сигнала, характеризующего распределение заряда.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- возбуждение механических колебаний аэрозольных частиц в исследуемом объеме, инициированных акустической волной;

- измерение ответного электромагнитного сигнала на частоте воздействия акустической волны;

- определение заряда аэрозольных частиц по величине напряженности электрического поля, излучаемого данными заряженными частицами при их колебании с частотой акустической волны.

Технический результат изобретения заключается в дистанционном определении заряда аэрозольных частиц в атмосфере, а также в увеличении объема исследуемой среды и расширении диапазона измерений в области максимальных значений.

Данный технический результат достигается за счет принципиального отличия предлагаемого способа радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере, заключающегося в том, что в качестве генератора механических колебаний используется акустический локатор, что позволяет расширить объем измеряемого пространства, а источником информации о распределении заряда аэрозольных частиц в атмосфере является электромагнитный сигнал, измеренный на частоте воздействия акустической волны, что позволяет увеличить диапазон измерений.

Для чего, в предлагаемом способе, акустическим локатором с известными характеристиками (w - мощность; f - частота акустической волны, - длительность зондирующего акустического импульса, - ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора) возбуждаются механические колебания атмосферного воздуха с последующей регистрацией напряженности электрического поля, являющегося откликом заряженных аэрозольных частиц на акустическое воздействие, а определение заряда аэрозольных частиц единичного объема осуществляют по формуле:

где A=4 · ₀·с² - постоянный коэффициент,

- амплитудное значение напряженности электрического поля, измеренного на частоте акустического воздействия;

₀ - электрическая постоянная,

с - скорость распространения электромагнитной волны;

=2 f - круговая частота акустической волны;

R - расстояние до облучаемого акустическим сигналом объема;

- удельный коэффициент ослабления акустической мощности;

- угол между направлением движения заряда и направлением на точку приема электромагнитного сигнала;

- объем атмосферы, облучаемый акустическим локатором (импульсный объем);

- направленная мощность акустического локатора;

w - мощность акустического локатора;

- ширина диаграммы направленности антенны акустического локатора;

- длительность зондирующего импульса акустического локатора;

V_зв(R) - скорость звуковой волны в измеряемом объеме;

(R) - плотность воздуха в измеряемом объеме;

- коэффициент, зависящий от размера аэрозольных частиц (r), динамической вязкости воздуха ( ), плотности аэрозольной частицы ( ), при этом по времени запаздывания отклика зондирующего акустического сигнала относительно момента его посылки получают информацию об удалении исследуемого объема от акустического локатора, а направление прихода отклика акустического сигнала определяют по угловым координатам положения антенны локатора в момент зондирования.

Представим доказательство наличия указанного технического результата в предлагаемом радиоакустическом способе измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере.

Известно (Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с.284-287), что под воздействием акустической волны аэрозольные частицы совершают колебательные движения с частотой воздействия.

Дифференциальное уравнение, описывающее такое движение, будет иметь вид:

где r - радиус аэрозольной частицы; - ее плотность; _r - скорость движения аэрозольной частицы; v_зв - скорость движения акустической волны (скорость колебательного движения воздуха), t - текущее время; - динамический коэффициент вязкости воздуха.

Решение уравнения (4) относительно V_r имеет вид (Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы - Л.: Гидрометеоиздат, 1990, с.284-287):

где А - амплитуда колебаний скорости аэрозольной частицы под влиянием акустического воздействия;

( _r)_t=0 - скорость движения аэрозольной частицы в отсутствие акустических колебаний в момент времени t=0.

Значение амплитуды скорости колебательного движения аэрозольных частиц (А) найдем, используя соотношение (Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. - М.: Наука, 1989, с.321-322):

где I - интенсивность звуковой волны.

Свяжем значение А с направленной мощностью W акустического излучателя, используя соотношение

Таким образом, подставляя (7) в формулу (6), получим

Общее решение уравнения (4) будет иметь вид.

где - удельный коэффициент ослабления акустической мощности определяется следующим образом (Атмосфера. Справочник / Под ред. Ю.С.Седунова - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.497-499)

где Т₀=293.15 К, Р ₀=1013 ГПа, f - частота акустического воздействия.

Где _кол. i - для кислорода i означает О и для азота i означает N,

fp,i - частота релаксации, Гц; с=343.23 (Т/То)^1/2, м/с;

i - характерная колебательная температура, К;

Т - температура воздуха, К;

i - молярная концентрация фракции, безразмерная;

₀=2239.1 К; ₀=0.209; _N=3352.0 К; _N=0,781.

Зависимость релаксационных частот (Гц) от влажности и температуры выражается следующими формулами:

где: h=e/P - молярная концентрация водяного пара, %.

Колебательные движения заряженной аэрозольной частицы под воздействием акустических волн вызывают излучение электромагнитных волн. Напряженность электрического поля этих волн в некоторой точке приема электромагнитных волн, удаленной от колеблющейся аэрозольной частицы на расстояние R определяется выражением (Фейман Р. и др. Феймановские лекции по физике. - М.: Изд-во «Мир», 1976, с.42-43):

где q - заряд аэрозольной частицы,

- коэффициент ослабления электромагнитных волн,

a(t) - ускорение колебательного движения аэрозольной частицы под воздействием акустических волн в момент времени t, полученное из выражения (9)

Атмосферу при акустической локации можно рассматривать как объемно распределенную цель, т.е. совокупность множества отражающих элементов, имеющих статистически однородную структуру и полностью заполняющих рассеивающую область (Атмосфера. Справочник / Под ред. Ю.С.Седунова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.497-499).

Учитывая, что на частотах звукового диапазона значение чрезвычайно мало, можно считать е^{- R} 1.

В результате этого величина напряженности электрического поля, создаваемого заряженными аэрозольными частицами в объеме зондирующего акустического сигнала, будет определяться выражением:

Из выражения (17) с учетом выражения (16), получаем формулу для расчета величины заряда аэрозольных частиц единичного объема в атмосфере:

где Q=q·N - заряд аэрозольных частиц в единице объема.

Структура принимаемого электромагнитного сигнала, инициированного акустической волной, является реализацией случайного процесса, поэтому для его приема и последующей регистрации необходимо использовать энергетический приемник со средней частотой, равной частоте зондирующего акустического сигнала

Согласно литературным источникам, например (Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Г.И.Тузова. - М.: Радио и связь, 1985, с.10-15, рис.1.5), вероятность обнаружения такого сигнала энергетическим приемником равна Р _обн=0.95 при вероятности ложной тревоги Р _л.т.=10^-2 и отношении сигнал/помеха по мощности . При увеличении отношения сигнал - помеха до и той же вероятности ложной тревоги Р_л.т. =10^-2, вероятность обнаружения полезного сигнала увеличивается до 0.99.

При пользовании в приемнике режима накопления сигналов можно увеличить отношение сигнал-помеха в n - раз по мощности и, следовательно, дополнительно увеличить вероятность обнаружения сигнала, где n - количество накапливаемых сигналов (Казаринов Ю.М. и др. Радиотехнические системы. - М.: Сов. радио, 1968, с.142-144, рис.4.25).

Рассмотрим пример конкретного осуществления предлагаемого способа и достижения технического результата.

Типичный акустический локатор, имеющий следующие основные технические параметры:

частота акустической волны f=2 кГц;

длительность зондирующего импульса =250 мс;

акустическая мощность излучателя w=1000 Вт;

ширина диаграммы направленности =1,74 рад

излучает акустическую волну (Атмосфера. Справочник / Под ред. Ю.С.Седунова - Л.: Гидрометеоиздат, 1991, с.497-499). Данная волна возбуждает в атмосфере колебания заряженных аэрозольных частиц.

Эти колебания порождают ответное электромагнитное излучение, например, с напряженностью электрического поля Е=50 мкВ/м, которое регистрируется соответствующим энергетическим приемником (в качестве регистратора может использоваться антенна типа АИ 4-1 (Антенна дипольная измерительная. Паспорт и инструкция по эксплуатации пи 2.729.026-02.пс 2.) в сочетании с измерительными приборами.

Состояние атмосферы в данный момент времени характеризуется следующими параметрами:

изменение температуры воздуха с высотой описывается формулой

T(R)=Т ₀-GR, где R - удаление измеряемой зоны;

изменение давления с высотой описывается формулой

где Rc=287 Дж/(кг·К), g=9.8 м/с² ;

изменение плотности воздуха с высотой

изменение парциального давления с высотой

e(R)=ff·6.1078·10^{(7.665·t(R))/(243.33+t(R))} ;

вертикальный градиент температуры G=0.65°С/100 м;

относительная влажность воздуха ff=100%;

средние размеры аэрозольных частиц r=10^-6 м;

температура у поверхности земли Т₀=288,15 К;

давление у поверхности земли Р₀=760 мм рт. ст.;

плотность воздуха у земли =1,225 г/м³;

скорость звука с высотой меняется по следующему закону

Требуется определить величину заряда аэрозольных частиц единичного объема.

Решение задачи.

Используя исходные данные, по формуле (3) определим заряд аэрозольных частиц единичного объема, находящегося на удалении R=1 км от источника акустического излучения

где А=4 · ₀·с²=4·3,14·8,85·10 ^-12·9·10¹⁶ 10⁷;

²=(2· ·2000)²=1,58·10 ⁸;

- направленная мощность акустического сигнала;

- объем атмосферы, облучаемый акустическим локатором (импульсный объем).

Таким образом, проведенные расчеты с использованием осредненных данных многолетних наблюдений за метеорологическими и физическими параметрами в атмосфере (Облака и облачная атмосфера. Справочник. / Под ред. Мазина И.П., Хргиана А.Х. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989. - 646 с.) и данных о распределении физических характеристик по высоте, принятых в качестве эталонных (ГОСТ 4401-81. Стандартная атмосфера. Параметры. - М.: Издательство стандартов, 1981 г.), показали работоспособность предлагаемого способа.

Полученные результаты свидетельствуют о наличии причинно-следственной связи между новой совокупностью существенных признаков в предлагаемом способе и достигаемым техническим результатом.

Возможность технической реализации предлагаемого способа заключается в наличии стандартных метеорологических акустических локаторов (например, «Волна-3») с фиксированными техническими характеристиками и энергетических приемников электромагнитного сигнала в заданном диапазоне длин волн (например, антенна типа АИ 4-1 в сочетании с измерительными приборами).

Таким образом, предлагаемый способ радиоакустического измерения заряда аэрозольных частиц в атмосфере не имеет принципиальных ограничений в техническом исполнении и может быть реализован на основе известных функциональных устройств.