Акустический метод

Акустические методы измерения характеристик течений начали использоваться в океанологии где-то с середины 60-х годов. Акустические методы обладают высокой точностью и чувствительностью, что особенно важно при исследовании процессов турбулентности и малых скоростей течений. Большинство акустических методов основано на принципе измерения скорости прохождения ультразвука в морской воде, ибо скорость его распространения относительно прибора включает в себя и составляющую скорости движения исследуемой среды, вектор которой совпадает с вектором движения звуковой волны.. Известно, что в турбулентном потоке, а это обычная картина для Мирового океана, существуют как флуктуации самой среды, так и, например, неоднородности температуры и различных концентраций. Л температурные неоднородности, вызывающие колебания скорости звука, могут на порядок; изменить измеряемую величину. Поэтому измерение скорости звука в одном: направлении в океанологической практике из-за возникающих погрешностей малоэффективно. Это нызывает необходимость использовать приборы, измеряющие разность времени прохождения ультразвука между излучателем и приемником, движущихся в противоположных направлениях, чтобы свести к минимуму влияние колебаний скорости звука на точность измерения скорости потока. Для исследования мелкомасштабной турбулентности используется метод Доплера — регистрируется сдвиг частоты аку-стических колебаний за. счет различных неоднородностей среды.

В измерителях подобного типа обычно применяют как минимум двух- или далее трехкомпонентные датчики скорости. Схемы устройства двухкомпонентных датчиков приведены на рис. 8.7. На рис. 8.7 а прибор ориентирован таким образом, что направление передачи акустического сигнала осуществляется параллельно направлению измеряемого сигнала (1). Один датчик (излучатель — (2), приемник — (3)) измеряет сумму скоростей звука и потока, а другой — разность между этими двумя скоростями. Но в этом случае возмож-

Рис. 8.7. Схемы устройства двухкомпонентных датчиков. Уел. обозначения см. текст.

но несоответствие во времени задержки: в измерительных схемах и изменение линейных размеров измерительных баз. Так, например, изменение базы между излучателем и приемником длиной 4CI мм на 1< Г3 мм эквивалентно изменению скорости течения на 2-10~2 м/с, поэтому в измерительных приборах используются акустические системы с одной парой излучатель—приемник. В одном цикле измерений первый преобразователь является излучателем, а второй — приемником:, в следующем — наоборот.

Экспериментальные исследования различных конструкций аку-стических датчиков скорости потока (по И. С. Кончину) показали, что их выходные сигналы в основном: соответствуют'косинусной диаграмме направленности при угле между направлениями акустических сигналов и водного потока не менее 25°. Поэтому направление акустических сигналов принудительно ориентируют под углом 45° к направлению измеряемой составляющей скорости, для чего используют (рис. 8.7 б) акустические отражатели (4), например, из титанового сплава.

Подобная схема используется в конструкции акустического пре-образователя измерителя течений АСМ-2. В качестве приемопередатчиков обычно используются пьезоэлектрические пластины. Так, в АСМ-2 они имеют диаметр 9, 5 мм и высоту 1 мм. Пьезоэлектрические дисковые преобразователи размещены на концах литых, алюминиевых кронштейнов на расстоянии d = 11 мм. Собственный резонанс такой конструкции близок; к несущей частоте /изл == 1, 605 МГц.

Рассмотрим принцип действия подобной аппаратуры. Пусть с — скорость распространения ультразвука в неподвижной среде; U — скорость течения; Тг и Т2 — время прохождения импульса по и против течения соответственно на расстоянии базы L между излучателем и приемником. Тогда

Тх - L/(c + U), Т2 - L/(c - U), (8.2)

а разность времени прохождения сигнала в разных направлениях

АТ = Т2-ТХ = 2LU/(c2 - U2)

является функцией с и U. При с = const значения АТ однозначно определяют U. Но в реальных условиях скорость звука не постоянна и зависит от внешних факторов (температура, соленость морской воды и т. д.). Кроме того, для получения достаточной точности определения скорости потока необходимо измерять временные задержки с погрешностью не хуже ±10~9 с. Для избежания подобных явлений удобнее перейти от уравнения для приращения времени АТ к уравнению для частоты принимаемых ультразвуковых сигналов. Сообразуясь с (8.2), имеем

fx = 1/Ту = (с + U)/L, f2 = 1 /Т2 = (с - U)/L,

где fx и f2 — частоты сигналов, распространившихся по и против течения соответственно. Отсюда

= fx - /2 “ 2U/L. (8.3)

Выражение (8.3) подчеркивает однозначную зависимость разности частот А/ от скорости потока U и лежит в основе частотного метода измерения скорости распространения ультразвука. Быстродействие прибора определяется необходимой точностью измерений.

11ри отсчете разности частот через 1 с чувствительность измерений скорости составляет 4/10 2 м/с. Уменьшая дискретность опроса или увеличивая выходную частоту, можно повысить чувствительность. Объединив в одном устройстве несколько подобных измерителей, можно одновременно измерить различные составляющие скорости. Чувствительность f, достигнутая в этих приборах, составляет 200 кГц; df/dU = 300 Гц/(см-с).

При использовании фазовых методов измеряется разность фаз (время прихода) двух встречных акустических импульсов. Если срх и Ф:, — разности фаз между опорным сигналом, снимаемым с генератора, и сигналами, прошедшими по течению и против него соответственно, то

Фх = aL/(c + U), ф2 = соL/(c - U),

или

= oiL/c 4- соUL/c2, ф2 = ФЬ/С - aUL/c2,

н для разности фаз получим

Дф = фг - ф2 = 2(S)UL/c2,

где со = 2nf, т. е. чувствительность преобразователя, основанного на измерении скорости распространения ультразвука фазовым методом, пропорциональна частоте со.

Широко используются и акустические измерители характеристик течения, основанные на определении доплеровского сдвига частоты излученных колебаний. Эффект Доплера заключается в том, что отраженный от перемещающегося объема воды, содержащего в себе множество неоднородностей и различных включений, ультразвуковой сигнал имеет частоту, отличную от излучаемой, Доплеров- ские преобразователи включают в себя акустические излучатели (И) и приемники (П) с узконаправленными характеристиками. Различные варианты расположения излучателей и приемников в доплеров- оких преобразователях представлены на рис. 8.8. На пересечении акустических лучей и находится объем воды, от которого отраженный сигнал поступает на. приемник. Считается, что рассеиватели в

И

Рис. 8.8. Схемы доплеровских преобразователей.

рабочем объеме воды, включая планктон:, взвеси и газовые пузырьки, соизмеримы или больше по размеру длины волны (X = 0, 15 мм) и их число достаточно велико. Они стационарны относительно потока и перемещаются вместе с ним. Поэтому отраженный сигнал несет в себе информацию о скорости потока. Оптимальный диапазон частот в доплеровских измерителях лежит в полосе 2—10 МГц.

Затухание сигнала на частоте 10 МГц составляет 20 дБ/м. Ис-пользование высоких частот позволяет повысить разрешающую спо-собность измерителя, а также формировать узконаправленные акус-тические луги, используя малогабаритные излучатели. Рабочий объем воды располагается на расстоянии 30—60 см от излучателя, что ис-ключает внесения искажений в рабочий объем воды корпусом прибора. Сигнал доплеровскоЗ частоты проявляется в виде амплитудной модуляции несущей частоты.

Рассматривая расположение датчиков, представленных на рис. 8.8 в, с учетом соотношения векторов скорости течения и распространения акустического сигнала, сообразуясь с выражением (8.3), можно записать

/д = f ~f = [(с + f/cospybi - (с - £ /cosP)/.L2],

или

/д = U(L| + L2)cosp/(L1L2) — c(L 2 — L^)/{LyL^),

где fA — доплеровский сдвиг частоты; f — частота принимаемого сигнала; / — частота излучаемого сигнала; р — угол между вектором скорости потока и направлением излучатель—приемник. Для реально достижимой точности Ьг — L2 == L и при незначительных изменениях с можно считать

c(L2 ~ LI)/(L1L2) = 0.

Отсюда

/д = (2i7/L)coSp,

т. е. скорость течения U однозначно определяется /.

Основным достоинством акустических преобразователей является их высокие чувствительность и точность, а также практическая безынерционность и надежность. Однако гидродинамический шум часто ограничивает применение акустических преобразователей, особенно если пространственный масштаб измеряемых неоднородностей поля скорости соизмерим с масштабом турбулентных искажений, возникающих при обтекании измерителя. Акустические преобразователи позволяют измерять скорость течения в диапазоне 10'2—5 м/с; нелинейность во всем диапазоне составляет около 1 %. Так как преобразователи практически безынерционны, они могут быть использованы для измерения как средних, так и пульсационных скоростей течения.