устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах

Формула изобретения

Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах, содержащее излучатель акустической энергии, генератор импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель, усилители-ограничители, подключенные к акустическим приемникам, линия задержки, подключенная через один усилитель-ограничитель к одному акустическому приемнику, группу логических схем И, подключенных первыми входами к выходам линии задержки, вторыми входами через другой усилитель-ограничитель - к другому акустическому приемнику, группу электронных ключей, подключенных первыми входами к выходам логических схем И, генератор опорных (счетных) импульсов, подключенный к третьим входам электронных ключей, вторые входы которых подключены ко 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, отличающееся тем, что в качестве приемной системы используются два корреляционных приемника, включающих в себя три акустических приемника, установленные по порядку с одной стороны от излучателя на фиксированных расстояниях, дополнительно устройство содержит вторую линию задержки, подключенную через соответствующий усилитель ограничитель ко второму приемнику, ко второму входу которой подключен выход формирователя тактовых импульсов, вторую группу логических схем И, подключенных первыми входами к выходам второй линии задержки, вторыми входами через соответствующий усилитель ограничитель к третьему акустическому приемнику, вторую группу электронных ключей, подключенных первыми входами к выходам логических схем И второй группы, вторыми входами подключенные ко второму выходу генератора импульсно-модулированных сигналов, третьими входами подключенные к генератору опорных (счетных) импульсов, при этом вычислительный блок дополнительно подключен вторым входом через второй блок памяти к выходам второй группы электронных ключей.

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. G01В 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 применения одной корреляционной приемной системы, включающей в себя два акустических приемника, и соответствующей ей 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, расстояние 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, первых 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 применения одной корреляционной приемной системы, включающей в себя два акустических приемника, и соответствующей ей 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, подключенные к акустическим приемникам, линия задержки, подключенная через один усилитель-ограничитель к одному акустическому приемнику, логические схемы И, подключенные первыми входами к выходам линии задержки, вторыми входами через другой усилитель-ограничитель - к другому акустическому приемнику, электронные ключи, подключенные первыми входами к выходам логических схем И, генератор опорных (счетных) импульсов, подключенный ко вторым входам электронных ключей, третьи входы которых подключены ко 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 используются два корреляционных приемника, включающих в себя три акустических приемника, расположенных на заданном расстоянии с одной стороны от излучателя акустической энергии, дополнительную линию задержки, дополнительную группу логических схем И, дополнительную группу электронных ключей и дополнительный блок памяти.

Для достижения технического результата в устройстве, содержащем излучатель акустической энергии, генератор импульсно-модулированных сигналов с двумя выходами, к одному из которых подключен излучатель, усилители-ограничители, подключенные к акустическим приемникам, линия задержки, подключенная через один усилитель-ограничитель к одному акустическому приемнику, логические схемы И, подключенные первыми входами к выходам линии задержки, вторыми входами через другой усилитель-ограничитель - к другому акустическому приемнику, электронные ключи, подключенные первыми входами к выходам логических схем И, генератор опорных (счетных) импульсов, подключенный ко вторым входам электронных ключей, третьи входы которых подключены ко 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, в качестве приемной системы используются два корреляционных приемника, включающих в себя три акустических приемника, расположенных на заданном расстоянии с одной стороны от излучателя акустической энергии, дополнительную линию задержки, дополнительную группу логических схем И, дополнительную группу электронных ключей и дополнительный блок памяти. Два корреляционных приемника формируют в пространстве два веера статических лучей приемной характеристики направленности с парами одинаково направленных лучей.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На чертеже 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, первый 3, второй 4 и третий 5 акустические приемники, установленные по порядку с одной стороны от излучателя на фиксированных расстояниях, последовательно соединенные с акустическими приемниками соответствующие им усилители-ограничители 6, 7, 8, две линии задержки 9 и 10, первая линия задержки 9 подключена одним из своих входов через усилитель-ограничитель 6 к первому акустическому приемнику 3, а вторая линия задержки 10 - через усилитель-ограничитель 7 ко второму акустическому приемнику 4, первую группу логических схем И 11, подключенных первыми входами к выходам первой линий задержки 9, вторыми входами через усилитель-ограничитель 7 ко второму акустическому приемнику 4, вторую группу логических схем И 12, подключенных первыми входами к выходам второй линий задержки 10, вторыми входами через усилитель-ограничитель 8 к третьему акустическому приемнику 5, первую группу электронных ключей 13, подключенных первыми входами к выходам логических схем И первой 11 группы, вторыми входами подключенные ко второму выходу генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, вторую группу электронных ключей 14, подключенных первыми входами к выходам логических схем И второй 12 группы, вторыми входами подключенные ко второму выходу генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, генератор 15 опорных (счетных) импульсов, подключенный к третьим входам электронных ключей 13 и 14 обеих групп, первый 16 и второй 17 блоки памяти, вычислительный блок 18, подключенный первым входом через первый блок 16 памяти к первой группе электронных ключей 13, вторым входом подключенный через второй 17 блок памяти к выходам второй группы электронных ключей 14, последовательно соединенные контактный датчик скорости звука 19, установленный на фиксированном расстоянии от излучателя 2 акустической энергии, умножителя 20 частоты и формирователя 21 тактовых импульсов, выход которого подключен ко вторым входам первой 9 и второй 10 линий задержки.

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 достигают акустических приемников 3, 4 и 5, которые вместе с усилителями-ограничителями 6, 7, и 8, линиями задержки 9, 10 и логическими схемами И 11 и 12 образуют два канала корреляционной приемной акустической системы - первый корреляционный приемник образован акустическими приемниками 3 и 4, усилителями-ограничителями 6 и 7, первой линией задержки 9 и первой группой логических схем И 11, второй корреляционный приемник образован акустическими приемниками 4 и 5, усилителями-ограничителями 7 и 8, второй линией задержки 10 и второй группой логических схем И 12. Характеристика направленности каждого корреляционного приемника Ф( ) соответствуют выражению

где =dcos _i/c₀ - 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; _i- угол приема рассеянного акустического сигнала; с₀ - скорость звука в жидкости на горизонте расположения приемоизлучающей системы; f ₀ - частота несущих колебаний.

Первая 9 и вторая 10 линии задержки обеспечивают изменение угла наклона _0i, основного максимума характеристики направленности каждого корреляционного приемника в зависимости от временной задержки t_зi, соответствующей i-тому отводу согласно выражению (2), причем текущий угол наклона _0i основного максимума первого корреляционного приемника равен соответствующему углу наклона основного максимума второго корреляционного приемника.

По мере распространения излученного акустического импульса его глубина непрерывно увеличивается, соответственно увеличивается от 0° до 90° угол приема _i рассеянных акустических сигналов. Вследствие этого на выходах логических схем И первой 11 и второй 12 групп, начиная с последних в группе, подключенных к n-ным отводам первой 9 и второй 10 линий задержки, соответствующим времени задержки t_зn=d/c ₀ и углу наклона характеристик направленности _0n=0°, а также на выходах i-тых схем И и кончая логическими схемами И в каждой группе, подключенными к первым отводам, соответствующим t_зi=0 и _0i=90°, будут выделяться электрические сигналы через промежутки времени t_n, t _i, t₁, отсчитываемые от момента излучения.

Выход каждой схемы И 11 первой группы подключен к одному из входов соответствующего электронного ключа 13 первой группы. Выход каждой схемы И 12 второй группы подключен к одному из входов соответствующего электронного ключа 14 второй группы. Вторые входы ключей первой 13 и второй 14 групп подключены ко второму выходу генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, а третьи входы этих ключей подключены к генератору 15 опорных (счетных) импульсов.

В исходном состоянии все электронные ключи первой 13 и второй 14 групп закрыты. Электрический импульс со второго выхода генератора 1 импульсно-модулированных сигналов, соответствующий переднему фронту зондирующего импульса, открывает электронные ключи обеих групп 13 и 14. С этого момента с выхода генератора 15 опорных импульсов через ключи 13 и 14 в первый 16 и второй 17 блоки памяти начинают поступать опорные (счетные) импульсы. Закрываются ключи в каждой группе последовательно в соответствии с поступлением на их вход импульсов с выходов логических схем И 11 и 12. Первыми через время t_n закрываются ключи 13 и 14, подсоединенные соответственно к выходам n-ных логических схем И 11 и 12, последними - ключи 13 и 14, подключенные соответственно к выходам первых логических схем И 11 и 12. Количество опорных (счетных) импульсов, поступающих с выхода i-го электронного ключа 13 и 14, пока они открыты, в первый 16 и второй 17 блоки памяти соответственно, 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 19 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 19 скорости звука через последовательно соединенные умножитель 20 частоты с коэффициентом умножения m и формирователь 21 тактовых импульсов подключен ко вторым входам первой 9 и второй 10 линий задержки.

Первая 9 и вторая 10 линии задержки с отводами выполнены по схеме регистра сдвига с параллельными выходами от 1-го, промежуточных i-тых и n-го разряда. Сигнал на каждом из выходов задержан по времени относительно входного сигнала линий 9 и 10 задержки на , где N_i - число разрядов линий 9 и 10 задержки от входа до соответствующего выхода; f _m - частота тактовых импульсов, поступающих на их второй вход, равная

Временные задержки сигнала на выходах линий 9 и 10 задержки равны

Этим задержкам соответствуют углы наклона характеристик направленности первого и второго корреляционных приемников

Вычислительный блок 18 с первым 16 и вторым 17 блоками памяти по известным значениям расстояний между акустическими приемниками d, между излучателем 2 акустической энергии и приемной системой D, известным углам приема _i (углам наклона _0i характеристик направленности приемной системы) и измеренным значениям времен t_i производит расчет вертикального распределения скоростей звука с_i на различных глубинах в исследуемой жидкой среде.

Возможность достижения цели изобретения подтверждается следующими теоретическими выводами. Известно, что скорость звука с_i в слое жидкой среды можно вычислить по разности времен прихода t_i, отраженных от границ слоя лучей, охарактеризованных фиксированным значением лучевого параметра р (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; c ₀ - скорость звука на горизонте размещения приемоизлучающей системы. Поскольку расстояние между приемниками есть d, то скорость звука с_i в i-том слое при вертикальном излучении (прямоугольная схема зондирования) определяется из выражения

Вертикальная протяженность слоя z_i определяется при помощи следующего выражения

Расположив три акустических приемника последовательно друг за другом с одинаковыми расстояниями между ними с одной стороны на известном расстоянии от акустического излучателя и построив два корреляционных приемника, первый из которых использует первый и второй акустические приемники, а второй - второй и третий акустические приемники, можно определить скорость звука по вертикальной трассе распространения звукового сигнала, перекрыв ее приемными лучами характеристик направленности корреляционных приемников, 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, двумя корреляционными приемниками, а разность времен прихода t_i определяется по измеренному времени прихода рассеянного сигнала на первый и второй корреляционные приемники.

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, применение двух корреляционных приемников в качестве приемной системы с использованием трех акустических приемников 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.