Экспериментальное исследование импульсного метода измерения звука в воде

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКА В ВОДЕ

Довгалёв Алексей Петрович, Студент группы РТбо4-1

Терешков Владимир Васильевич,

Доцент Института радиотехнических систем и управления

Южного федерального университета

г. Таганрог

Экспериментальное исследование импульсного метода измерения скорости звука в воде проводилось на специально созданной установке.

Описание экспериментальной установки

В экспериментальную установку (рис. 1) входит четыре основные части: рабочая станция NI PXI-1042; рабочая станция NI ELVIS; цифровой осциллограф MSO6104A; приемно-передающий пьезопреобразователь.

Рисунок 1 Экспериментальная установка для измерения скорости звука

Пьезопреобразователь помещается в резервуар с водой. В торце резервуара, на который падают ультразвуковые волны, излученные пьезопреобразователем, установлен поглотитель ультразвуковых волн. Поглотитель существенно уменьшает переотражение волн в объеме воды, что повышает точность результатов исследования.

Программа на LabVIEW-8.2 настраивает синхронную работу двух функциональных генераторов от одного внутреннего кварцевого генератора. На выходах генератора импульсов получаются два противофазных импульсных напряжения «меандр». Частоту повторения импульсов можно задавать в широких пределах. После формирования импульсов на выходах генератора устанавливаются «нулевые» напряжения (режим «тишины» для регистрации эхоимпульсов). Через 4 мс весь описанный процесс повторяется (частота зондирования - 250 Гц).

Сформированные две импульсных последовательности подаются на рабочую станцию NI ELVIS, которая используется как источник напряжения питания +12 В. На макетной плате NI ELVIS собран двухканальный усилитель импульсов. Усиленные импульсы размахом 12 В проходят через электронный узел на приемно-передающий пьезопреобразователь (рис. 2). С помощью этого преобразователя импульсы передаются сквозь воду на отражатель, а так же принимаются отраженные эхоимпульсы.

Рисунок 2 Внешний вид приемно-передающего пьезопреобразователя

Пришедшие эхоимпульсы предварительно фильтруются цифровым полосовым фильтром с избыточно широкой полосой пропускания. Этот фильтр подавляет шумовые составляющие на частотах, не имеющих отношения к эхоимпульсам.

Предварительно профильтрованные данные фильтруются основным цифровым полосовым фильтром. Центральная частота фильтра может быть назначена произвольно. Тип фильтра - Бесселя, обладающий наиболее линейной фазо-частотной характеристикой. На его выходе определяется огибающая, как средневыпрямленное значение (двухполупериодное выпрямление и фильтрация фильтром нижних частот).

Полученная огибающая эхоимпульсов в дальнейшем обрабатывалась по специально разработанному алгоритму.

С помощью программы высчитывалась скорость звука по усредненным значениям моментов времени двух, трех, четырех и пяти эхоимпульсов. На экран выводились четыре результирующих скорости звука, каждая из которых усреднялась по 100 последним отсчетам. Для каждой скорости вычислялось среднеквадратическое отклонение. Таким образом, программа обеспечивала наглядное представление результатов измерений.

По полученным зависимостям определялись моменты времени прихода всех эхоимпульсов. По значениям этих времён и известной длине пути акустической волны вычислялась оценка скорости звука в воде с учетом того, что каждый последующий импульс проходил больший путь.

Описание экспериментов

Целью эксперимента было измерение скорости звука при изменении одного из физических параметров воды -- сначала от солености, а затем от температуры.

Разработанная конструкция акустического датчика (рис. 2) обеспечивала механическую устойчивость системы. При установке пьезоэлектрического преобразователя и отражателя в резервуар, параллельность их рабочих поверхностей проверялась визуально по ширине воздушного зазора. При необходимости параллельность корректировалась вручную путём «поддавливания» уголка в нужных местах. Расстояние между рабочими поверхностями пьезопреобразователя и отражателя регулировалось с помощью штангенциркуля. В эксперименте было принято расстояние 73 мм. датчик звук скорость вода

Вертикальные рёбра уголков, погружаемых в воду, на которые могли бы упасть акустические волны, покрыты пластилином с нанесённым рифлением. Это рифление помогает поглощать волны и отражать оставшиеся их части в сторону от приемно-передающего пьезопреобразователя и отражателя.

В резервуар заливалось 3,5 литра очищенной воды.

Первым экспериментом было измерение скорости звука при повышении температуры. Происходило это следующим образом:

1. Вода в резервуаре нагревалась кипятильником в течении 1-2 минут. Но нагрев происходил так, чтобы повышение температуры произошло на величину приблизительно двух - трех градусов по Цельсию.

2. Кипятильник извлекался из резервуара. Вода тщательно перемешивалась. Делалось это для того, чтобы температура воды была одинаковой, и не образовывалось слоев с разной температурой.

3. В резервуар аккуратно погружался приемно-передающий пьезопреобразователь.

4. С помощью электронного термометра фиксировалась температура в зазоре между приемно-передающим преобразователем и отражателем.

5. Производился запуск программы по измерению скорости звука и запись полученных результатов.

Эта процедура повторялась несколько раз, в результате чего были получены данные об изменении скорости звука в воде в диапазоне температур: от 17°С до 40 °С. Вода была охлаждена до 17 °С с помощью льда. Постоянными параметрами воды в этом эксперименте были: соленость 0,1 промилле и давление 1 атмосфера (0,1 МПа)

Второй эксперимент заключался в изменении солености воды в резервуаре при постоянном давлении 1 атмосфера (0,1 МПа). Температура равнялась 25 °С.

Чтобы повысить соленость воды на 1 промилле необходимо растворить в 1 литре 1 грамм соли. За отсутствием точных весов было принято решение измерять необходимую массу с помощью мерного стаканчика. 1 мл соли имеет массу 1,3 грамм, значит, чтобы повысить соленость воды в резервуаре на 5 промилле необходимо растворить там 13,5 мл соли (17,5 грамм).

Эксперимент проходил в следующем порядке:

1. В кружку набиралась часть воды из резервуара, в которую затем добавлялась соль 13,5 мл. Вода в кружке размешивалась до полного растворения кристаллов соли. Это обусловлено тем, что гораздо проще и быстрее размешать соль в кружке, чем в резервуаре.

2. Соленый раствор равномерно добавлялся в резервуар и тщательно размешивался. Соленость воды в резервуаре повысилась на 5 промилле.

3. В резервуар аккуратно погружался приемно-передающий пьезопреобразователь.

4. Производился запуск программы по измерению скорости звука и запись полученных результатов.

Скорость звука измерялась для соленостей от 0,1 до 35 промилле через каждые 5 промилле. Таким образом, было получено 8 значений солености.

Результаты экспериментальных исследований

В ходе эксперимента были получены скорости звука при разных температурах и солености, с помощью которых были построены соответствующие графики зависимостей. Для построения были взяты значения скорости звука по четырём отраженным импульсам.

Для наглядности табличные и экспериментально полученные зависимости скорости звука в воде изображены ниже на одном рисунке.

Результаты измерения скорости звука при разной температуре показаны на рис. 3, при разной солёности - на рис.4.

К сожалению, в условиях учебной лаборатории не было возможности провести исследование влияния давления на скорость звука в воде.

Рисунок 3 Экспериментальная и табличная зависимости скорости звука в воде от температуры воды

Рисунок 4 Экспериментальная и табличная зависимости скорости звука в воде от солености воды

Из рис. 3 видно, что при температуре от 17 °С до 24 °С совпадение экспериментальных данных с теоретической кривой было высоким, разность составляла около 0,3 м/с. Но с дальнейшим увеличением температуры разность тоже увеличилась и максимальное значение расхождений было около 3 м/с при 36 °С.

Увеличение погрешности можно легко объяснить. Во-первых, при увеличении температуры на плоской поверхности приемно-передающего пьезопреобразователя и отражателя образовывались пузырьки воздуха. Даже после аккуратного их удаления с поверхностей, они снова образовывались, хоть и в гораздо меньшем размере. Во-вторых, пьезопреобразователь был закреплен к конструкции с помощью пластилина. При температуре выше 30 градусов пластилин становился мягким, что могло повлиять на параллельность двух пластин.

Несмотря на то, что при высоких температурах погрешность была высокой, результат эксперимента можно считать неплохим. В частности, выяснилось, что установка хорошо работает при измерениях скорости звука в воде с температурами: от 17 до 25 °С. Но для точных измерений в воде с температурой выше 25 градусов такая установка не подходит, необходимо усовершенствовать конструкцию.

Что касается измерений скорости звука от разной солености (рис. 4), то результаты получились точными, повторяющими табличные данные. Расхождения составляли не более 0,2 м/с.

Таким образом, можно сделать вывод, что эксперимент прошел успешно. Все теоретические данные нашли свое подтверждение в эксперименте, а разработанный алгоритм позволил получить довольно точные результаты.

Список используемых источников

1. Принцип работы сонаров и подводная акустика. Информационный ресурс https://geektimes.ru/post/254086

2. Бабий В.И. Проблемы и перспективы измерения скорости звука в океане. Морской гидрофизический институт НАН Украины. Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 2009. 142 с.

3. Коробов А.И., Сапожников О.А., Хохлова В.А. Измерение скорости звука в жидкостях. Методическая разработка. М.: Физический факультет МГУ, 2010. 37 с.

Размещено на Allbest.ru