2.Физические принципы работы

Предлагаемый ультразвуковой анемометр ANM/O «в соответствии с рисунком 1.1» основан на физических принципах распространения звуковой волны, согласно законам Ньютона о движении механической системы под действием сил, сообщающих ускорение телам этой системы.

Как известно «звук - упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания.»[4]. Упругие волны могут передаваться в жидкостях, твердых веществах и газах, которым и является воздух. Ветер в свою очередь является перемещением потоков воздуха в пространстве. А значит, звук, совпавший с направлением ветра, будет перемещаться быстрее.

Ультразвуковой анемометр представляет собой четыре источника механических колебаний расположенных на перпендикулярных осях. Колебания ведутся с запозданием по фазе во избежание резонанса этих волн. Рассмотрим два противоположных источника механических колебаний N и S «в соответствии с рисунком 2.1». В качестве механических колебаний в ультразвуковом анемометре применяются акустические колебания, а точнее ультразвук. Так как он также является упругой волной, распространение его во внешней среде будет схоже с любыми другими механическими колебаниями.

Один из источников посылает ультразвуковую волну. Энергия этой волны передается частицам среды находящимися непосредственно между двумя противоположными источниками звука. По мере распространения звуковой волны частицы вовлекаются в колебательное движение с частотой, равной частоте источника колебаний. Таким образом, последовательная передача колебаний между частицами находящимися между двух источников передает ультразвуковую энергию одного источника к другому. На практике источники также являются и улавливающими устройствами колебаний. Имея два противоположных источника и уловителя, мы можем измерить время распространения звуковой волны от одного источника N до уловителя S, и в обратном направлении. Известно, что скорость звука в воздухе при нормальных условия составляет 330 м/с. То есть при отсутствии ветра нет разницы во времени между испусканием звуковой волны источника N и источника S. Время, за которое звуковая волна проходит от источника N к S равно времени от S к N, и эта скорость соответствует скорости звука в воздухе при нормальных условиях.

Теперь предположим, что появился ветер в направлении от N к S. Частицы, находящиеся между этими двумя источниками начинают движение в том же направлении. При передачи источником ультразвуковой волны в направлении ветра, скорость частиц перемещающихся из-за ветра складывается с колебаниями, полученными благодаря источнику N, так как звуковые волны и ветер являются упругими волнами. Волна от источника N затратит меньше времени, чтобы дойти до уловителя S, по сравнению с проведенным опытом в нормальных условиях. Температура, давление, влажность сказываются на концентрации частиц, и их внутренней энергии между источником и уловителем. Вследствие этого, вместе с источником N испускает звуковую волну уловитель (источник) S. Поскольку его волны распространяются против скорости ветра, волна затратит больше времени на прохождение от источника S к уловителю N, по сравнению с опытом, проведенным в нормальных условиях. Имея разницу времени между распространением волн по ветру и против ветра, мы избавляемся от основных погрешностей вызываемых разницей в давлении и влажности. Что касается температуры, данный анемометр снабжен виртуальным градусником, имеющий отдельный принцип работы. Сравнивая разницу во времени с опытом в нормальных условиях, можно получить точное значение скорости ветра в направлении оси NS.

Для определения направления ветра вводится еще два источника/уловителя ультразвуковых волн, перпендикулярно первой паре. Рассмотрим распространения ветра от направления NNE (Север-Северовосток) «в соответствии с рисунком 2.1.». В соответствии с вышеприведенными примерами в направлениях от N к S механического колебания волны ускорится, но не полностью, только на составляющую скорости ветра y. В направлении от E к W ультразвук ускорится на составляющую x. На такие же составляющие в противоположном направлении замедлятся обратные волны от уловителей/источников S и W. Получим две разницы в скоростях, точнее два разных времени dt. С помощью полученных данных можно точно определить направление ветра, путем векторного сложения скоростей и разницы во времени по сравнению с опытом при нормальных условиях. Для удобства определения направления анемометр ANM/O располагают в пространстве так, чтобы расположенные источники/уловители N,S,W,E соответствовали северу, югу, западу, востоку [5,6] .

Рисунок 2.1. – Вид анемометра ANM/O сверху