9. Акустические методы

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. А 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 вызывает 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 акустических колебаний за счет различных неоднородностей среды.

В измерителях подобного типа обычно применяют как минимум двух или даже трехкомпонентные датчики скорости. Один датчик(излучатель приемник) измеряет сумму скоростей звука и потока, а другой разность между ними. Но в этом случае есть задержка во времени. Поэтому испоьзуют излучатель с одной парой. В одном цикле первый преобразователь является излучателем, а второй приемником, в след наоборот.

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

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

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. Доплеровские преобразователи включают в себя акустические излучатели (И) и приемники (П) с узконаправленными характеристиками. На пересечении акустических лучей и находится объем воды, от которого отраженный сигнал поступает на приемник. Считается, что рассеиватели в рабочем объеме воды, включая планктон, взвеси и газовые пузырьки, соизмеримы или больше по размеру длины волны (λ=0,15мм) 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 2-10МГц.

Затухание сигнала на частоте 10МГц составляет 20дБ/м. Использование высоких частот позволяет повысить разрешающую способность измерителя, а также формировать узконаправленные акустические лучи, используя малогабаритные излучатели. Рабочий объем воды располагается на расстоянии 30—60см от излучателя, что исключает внесения искажений в рабочий объем воды корпусом прибора. Сигнал доплеровской частоты проявляется в виде амплитудной модуляции несущей частоты.

Основным достоинством акустических преобразователей считается их высокие чувствительность и точность, а также 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^-2-5м/с; нелинейность во всем диапазоне составляет около 1%. Так как преобразователи практически безынерционны, они могут бытъ использованы для измерения как средних, так и пульсационных скоростей течения.