Ультразвук, характеристики.

[EUgeneUS]

realeugene в сообщении #1283187 писал(а):

Эффекты испарения/конденсации тоже должны быть частотно-зависимыми.

А почему?
Вывод этой формулы содержится в Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика. Гидродинамика. 3-е изд., испр. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. на странице 355.
Конечно, там всё в духе ЛЛ - "путем простых преобразований получаем" , но приближения описаны явно:
1. Скорость движения частиц жидкости (газа) много меньше скорости звука. Это еще в параграфе при выводе волнового уравнения.
2. Размер частиц - мал.
3. Частиц одной фазы относительно другой фазы - мало.
4. При прохождении волны частицы (капли или пузырьки для другого крайнего случая) полностью не испаряются и не возникают новые. Это уже после решения собственно задачи.

[realeugene]

EUgeneUS в сообщении #1283216 писал(а):

но приближения описаны явно:

Например, потому, что в этом решении ещё и явно предполагается существование в звуковой волне общей для воздуха и капель температуры и давления насыщенного водяного пара. В то время, как оба процесса, теплообмена и парообмена, довольно инерционные. Непосредственно над поверхностью капли температура и давление водяного пара равны, соответственно, температуре капель и давлению насыщенного водяного пара при этой температуре, и постоянная времени установления такого равновесия, действительно, мала. Но из-за высокой теплопроводности воды, температуру капли можно считать одинаковой по объёму капли, а тепловые потоки определяются уравнением теплопроводности в окружающем воздухе. Потоки пара тоже определяются уравнением диффузии для окрестности капли. Но решение в Ландафшице использует стационарную кривую равновесия фаз.

PS Впрочем, глубина проникновения тепловой волны в воду на частоте 40 кГц составляет порядка микрона, что не так уж и много.

PPS Да и не предполагается в этой задаче наличия воздуха, как я вижу.

[EUgeneUS]

realeugene
спасибо за пояснения

-- 11.01.2018, 15:13 --

EUgeneUS в сообщении #1283225 писал(а):

PPS Да и не предполагается в этой задаче наличия воздуха, как я вижу.

Вот это важно, кстати.
Поправка "на туман" может оказаться и не такой уж большой...

[realeugene]

EUgeneUS в сообщении #1283225 писал(а):

Вот это важно, кстати.
Поправка "на туман" может оказаться и не такой уж большой...

Но одинаковость температуры в окрестностях капель всё равно не кажется обоснованным приближением.

В воздухе глубина диффузии волны концентрации водяного пара на частоте 40 кГц составляет порядка 10 микрон. Да, поправки могут оказаться незначительными. А вот на низких частотах - значительными.

[ViktorArs]

Спасибо за обсуждение.

EUgeneUS писал(а):

Насколько я понял ТС, он привел кипящую кастрюлю для объяснения что он имеет в виду под "паром". А так-то просто "жесткие климатические условия".

Да. НЕ берусь утверждать что «жесткие», но такого что снег, дождь, ветер – такого нет.

wrest писал(а):

Касательно влияния влажности, тумана и вообще неоднородности среды (а у вас же на пути звуковой волны характеристики среды меняются), то лично мне кажется, что надежные численные оценки вы вряд ли получите без эксперимента.

EUgeneUS писал(а):

Скорее всего, ТС что-то подобное и пытается использовать. Но для экспериментов нужна будет еще камера для моделирования внешних условий.

Да. Вы правы. Пытаюсь хоть как-то, хоть что-то сравнить.

EUgeneUS писал(а):

Давайте распутываться.
I. Скорость звука для идеального газа зависит от:
1. Температуры.
2. Показателя адиабаты, который в свою очередь зависит от состава газа (одноатомный, двухатомный, многоатомный).
3. Молекулярной массы газа.

Да. Тут все понятно.

EUgeneUS писал(а):

II. Скорость звука для идеального газа описывается простой формулой (есть в википедии).
1. Сложность в том, что воздух - это смесь газов. При этом смесь разных газов (азот и кислород - двухатомные, аргон - одно атомный, а пары воды - трехатомный).
2. Поэтому для расчета скорости звука нужно рассчитать молекулярную массу для смеси газов и показатель адиабаты.
3. Да к тому же для текущего состава смеси.
4. Основную роль в изменении этих параметров играет содержание водяного пара.

Да. Понятно.
Пока рыскал где-то видел расчёт параметров СМЕСИ газов. Но сейчас что-то не могу найти. Не подскажете где посмотреть?

EUgeneUS писал(а):

III. Итак для идеального газа (смеси идеальных невзаимодействующих газов) нужно:
1. Учитываем, что на Ваших расстояниях (до 10 метров) состоянии атмосферы можно считать одинаковым.
2. Измеряем температуру, измеряем относительную влажность.
3. Рассчитываем скорость звука для данной влажности и данной температуры.
4. Это скорее всего даст точность в единицы процентов. Если можно ограничиться точностью около 10%, то до некоторой температуры (до 50 градусов Цельсия, например, но не до ста, конечно!), то примесью водяного пара можно пренебречь.

Здесь вы имеете ввиду экспериментальные измерения? Я пытаюсть сравнивать эксперимент и расчет.

EUgeneUS писал(а):

А теперь самое интересное. Как Вы заметили, всё вышесказанное относится к идеальному газу \ смеси идеальных газов.
Выделим три случая:
1. Сухой воздух. Это означает, что паров воды в нем нет.
2. Влажный воздух. Который содержит некоторое количество паров воды.
3. Туман, когда уже произошла конденсация некоторого количества влаги.
Так вот, первые два случая хорошо приближаются идеальным газом. А третий - нет. Согласно Ландафшицу, в тумане скорость звука резко падает (по моим оценкам на 30 м/с, или даже больше), при этом падает она скачком. А это значит:
1. Точность измерения становится порядка 10% и даже хуже.
2. Вы получаете не только рассеяние и затухание сигнала, но и отражение от границы "чистый воздух" - туман.

Да. Тут мне тоже все понятно, но только на уровне понимания физики и происхождения явлений (на пальцах, как обывателя), но не на уровне расчёта. Хотелось бы в идеале как-то оценить все три упомянутых случая. Ну или хотябы первые два, уже будет что-то. :) И не подскажете страницу в ЛЛ где про "скорость звука в тумане скачком"?

EUgeneUS писал(а):

Энергетика дальномера вопрос отдельный, но в контексте работающей конструкции - тоже очень важный. Кроме упомянутой уважаемым realeugene, четвёртой степени ослабления мощности отражённого сигнала в зависимости от расстояния, любые осадки будут дополнительно ослаблять сигнал, и довольно сильно.

интересуют (по крайней мере пока) три выше описанных варианта: сухой, пар, туман.

EUgeneUS писал(а):

Согласно Ландафшицу - от температуры зависит, от удельной теплоты испарения зависит, и от удельной теплоемкости газовой фазы зависит. И всё.
При этом скорость на границе тумана меняется скачком и сильно...

wrest писал(а):

EUgeneUS писал(а):

Согласно Ландафшицу - от температуры зависит, от удельной теплоты испарения зависит, и от удельной теплоемкости газовой фазы зависит. И всё.

Это если среда однородная по температуре, влажности и т.п.

Тоже можно для начала допустить такое.

Цитата:

Ака "кастрюля с кипящей водой", ведь ТС заявил диапазон измерений до 10 метров, упомянутая кастрюля тут будет точечным источником, кмк.

Если это большая проблема, можно наверно рассматриваемый диапазон расстояний уменьшить до 2 метров, например. И нагрев равномерный на всем протяжении от УЗ ПРД до УЗ ПРМ.
PS: Повторюсь, надеюсь цитаты и имена форумчан не перепутал. Если что, заранее извиняюсь. :)

[EUgeneUS]

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

Пока рыскал где-то видел расчёт параметров СМЕСИ газов. Но сейчас что-то не могу найти. Не подскажете где посмотреть?

Вот такое нашлось:

Цитата:

Скорость звука в сухом воздухе определяется по формуле:
$c = 20,1 \sqrt{T}$ м/с, (2)
а во влажном воздухе:
$c_B = 20,1 \sqrt{T_B}$ м/с, (3)
где ${T_B}$ - так называемая акустическая виртуальная температура, которая определяется по формуле $T_B = T (1+ 0,275 e/p)$.
При изменении температуры воздуха на 1° скорость звука изменяется на 0,61 м/с. Скорость звука зависит от величины отношения $e/p$ (отношение влажности к давлению), но эта зависимость мала, и, например, при упругости водяного пара менее 7мм пренебрежение ею дает ошибку в скорости звука, не превышающую 0,5 м/сек.
При нормальном давлении и Т = 0 °С скорость звука в сухом воздухе равна 333 м/сек. Во влажном воздухе скорость звука может быть определена по формуле:
$c = 333 + 0,6T + 0,07е$ (4)
В диапазоне температур (t) от -20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек.

(3) - приближенная формула, которая учитывает квадратичную зависимость от температуры, а зависимость от влажности "спрятана" в "так называемую акустическую температуру"
(4) - линейное приближение.
Если Вас устраивает точность, которую дают эти формулы - пользуйтесь ими.

-- 12.01.2018, 11:28 --

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

Да. НЕ берусь утверждать что «жесткие», но такого что снег, дождь, ветер – такого нет.

А можно все таки чуть подробнее рассказать, что именно делается? Чтобы представлять, что должно учитываться, а что - нет. Пока какая-то странная картинка рисуется: снега и дождя нет, а кастрюля с супом - есть. Но нужен дальномер.

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

Здесь вы имеете ввиду экспериментальные измерения?

Не очень понял вопрос.

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

Хотелось бы в идеале как-то оценить все три упомянутых случая. Ну или хотябы первые два, уже будет что-то.

Так первые два "оценили" уже. По ним какие-то вопросы остались?

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

И не подскажете страницу в ЛЛ где про "скорость звука в тумане скачком"?

EUgeneUS в сообщении #1283216 писал(а):

Вывод этой формулы содержится в Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика. Гидродинамика. 3-е изд., испр. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. на странице 355.

Но, как справедливо заметил уважаемый realeugene, в этой задаче нет воздуха, только пар и капли тумана. Поэтому напрямую применять этот результат нельзя.

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

PS: Повторюсь, надеюсь цитаты и имена форумчан не перепутал. Если что, заранее извиняюсь. :)

Выделяете мышкой текст, который хотите процитировать. Жмете кнопку "вставить" под сообщением, откуда цитируете.

[realeugene]

ViktorArs в сообщении #1283397 писал(а):

Если это большая проблема, можно наверно рассматриваемый диапазон расстояний уменьшить до 2 метров, например. И нагрев равномерный на всем протяжении от УЗ ПРД до УЗ ПРМ.

Так у вас определённая задача, которую вы пытаетесь решить, или вы, просто, играетесь с датчиками и думаете, к чему бы их приспособить?

[ViktorArs]

Нет, определенной задачи нет. Просто научный интерес "русского пытливого ума". (с) Задорнов М.Н.
Вопросы в целом пока открыты если есть кому что добавлять, буду рад.
Пока пытаюсь что-то рассчитать, но нечего еще показывать, поэтому временно ничего не пишу.
К вопросу о формуле - зависимости скорости света от температуры и влажности:
а есть же проги типа Comsol, Ansys . Наверняка уважаемые много чего моделировали?
Вот задача с упрощениями (упрощения - это только на мой взгляд, возможно и не прав и не упрощения вовсе):
- горячая вода (не кипит, но как я понимаю пар при этом образуется и туман как следствие тоже),
- дополнительное упрощение - тумана нет,
- все это на полу в центре помещения/объема ну допустим 8 м3 (2х2х2).
Надо рассчитать поле (если так можно выразиться) температуры ну и влажности над жидкостью.
Привел я в допущениях объем (3D), но в принципе наверно интересует только двумерная задача. Т.е. температура в каждой точке над жидкостью. Вообщем задача про конвекцию плюс теплопередача. (излучение наверно мало крайне.)
Вообщем скачал матлабовскую приблуду FEATools. Запустил. Страх. Ниче не понятно.
Вопрос можно ли замоделировать то, что описал выше?
И где это как можно проще сделать? (ибо посмотрел что такое комсол - в нем еще 1.5-2 года разбираться надо прежде чем что-то сделаешь. Вообщем хочу оценить куда дальше копать и что делать? За что стоит браться, а что для меня не подъемно)
Всем заранее благодарен за ответы. Жду поправок и критики.
С уважением.

[ViktorArs]

По моделям нет знатоков?

[Pphantom]

ViktorArs в сообщении #1285489 писал(а):

По моделям нет знатоков?

Видите ли, Вы хотите странного, и из предыдущих уже трех с лишним страниц темы совершенно непонятно, зачем. Если человеку угодно чесать правой ногой левое ухо, то, безусловно, он имеет право, но помогать ему в этом занятии смысла не видно.

ViktorArs в сообщении #1285193 писал(а):

К вопросу о формуле - зависимости скорости света от температуры и влажности:

Надеюсь, все-таки звука...

[ViktorArs]

Pphantom в сообщении #1285558 писал(а):

ViktorArs в сообщении #1285489 писал(а):

По моделям нет знатоков?

Видите ли, Вы хотите странного, и из предыдущих уже трех с лишним страниц темы совершенно непонятно, зачем. Если человеку угодно чесать правой ногой левое ухо, то, безусловно, он имеет право, но помогать ему в этом занятии смысла не видно.

Прошу прощения, совершенно не понимаю вас. Т.е. если у меня нет конкретной задачи, которую мне кто-то поставил, то помощи мне не видать? А вариант "загорелся в одном месте лед" - не вариант? Что делать если интересно?
Захотелось мне например явление Гиббса по изучать. Поковырял с одной стороны, с другой. Философски рассуждая ничего я из этого всего не имею, кроме кругозора. А если еще глубже - то нафиг оно мне не сдалося, для реальной жизни на планете Земля. И что? Если нет формулировки типа хочу сделать прибор с такими-то характеристиками - то уже все, крест на этом всем? Странные рассуждения у вас, извините.
В последнем посте суть такая: нагретая вода, конвекция, пространство замкнутое (тут я не знаю, но судя по прочитанному, расчеты в таком случае по проще). Рассчитать поле температур в воздухе над поверхностью воды? И вопрос в том можно ли, в какой программе (где по проще) построить модель такой вот системки.

Pphantom в сообщении #1285558 писал(а):

Надеюсь, все-таки звука...

Да, конечно звука.
PS: А почему нельзя отредактировать сообщение?

[EUgeneUS]

ниже, ИМХО:

ViktorArs в сообщении #1285586 писал(а):

Прошу прощения, совершенно не понимаю вас. Т.е. если у меня нет конкретной задачи, которую мне кто-то поставил, то помощи мне не видать?

Совершенно не важно, кто поставил задачу: Вы или Вам.
Важно, но не очень, хотите ли Вы использовать результат решения на практике или хотите рассмотреть задачу только теоретически.
Очень важно, чтобы задача была. Чтобы она была поставлена.
Иначе решается неизвестно что, условия меняются на ходу, а люди, ранее искренне желающие помочь, демотивируются - что-то помогал, а оказывается это и не нужно, другая задача оказалась.
И это не только здесь, на форуме, это сплошь и рядом.

[wrest]

ViktorArs в сообщении #1285586 писал(а):

Т.е. если у меня нет конкретной задачи, которую мне кто-то поставил, то помощи мне не видать?

Лично я бы сказал так. В общем и целом, зависимости и их границы -- понятны. Вопрос только в конкретных значениях. Теоретически, к вашим услугам приведенные источники (ЛЛ и т.п.). Участниками тут высказаны противоречивые мнения, например о степени влияния тумана, и эти мнения не подвинутся и не сделаются консенсусными. Реализация же на практике обязательно приведет к необходимости учитывать что-то, чего нет в моделях собственно среды (смеси газов и капель): харатеристики излучателя, приемника, какой формы сигнал, как он детектируется, с какой скоростью\точностью и т.п.

ViktorArs в сообщении #1285586 писал(а):

А вариант "загорелся в одном месте лед" - не вариант? Что делать если интересно?

На мой взгляд, убедиться в правильности теоретических представлений можно только построив прибор из конкретных компонент. Поэтому ответ на вопрос "что делать" такой: строить или купить прибор.

(Оффтоп)

Приведу пример из своего, так сказать, опыта когда "интересно". Вот есть жилой дом, меряем давление внизу, поднимаемся наверх, меряем вверху. Как по разности давлений определить высоту? Барометр есть у меня в телефоне, и есть программа в которая считает разность высот. Оказалось, что высота не сходится с реальной на несколько метров на 60-ти метрах. Я завел тут тему. В теме были высказаны различные версии: что дом немножко дырявый и причиной ошибки является тяга, что погрешность датчика слишком высока, что неверно учитывается температура и т.п. Пока наконец кто-то не спросил, а правильно ли измерена реальная высота, и тут выяснилось что первый этаж выше других и это было причиной ошибки. Так что интерес был удовлетворен. Правда, еще небольшая ошибка осталась и как я с помощью форума выяснил, программа неправильно учитывает температуру.

Я это к чему: никто вам точно не напишет как оно будет "на самом деле" в абстрактном случае с кастрюлей, вы это можете только проверить сами. А уж если будут необъяснимые результаты, тогда пишите сюда, и имея конкретные данные, можно будет разобраться. Так вы покажете, что у вас действительно есть интерес и заинтересуете участников форума.
Так что еще раз призываю вас, если вам "интересно" -- хотя бы найдите готовый прибор и поэксперементируйте. Сейчас зима и условия в помещении и на улице сильно отличаются как по температуре так и по влажности. Плюс, вы можете напустить туману в своей ванной комнате и посмотреть на его влияние самостоятельно, ну и так далее.

[Pphantom]

ViktorArs в сообщении #1285586 писал(а):

Прошу прощения, совершенно не понимаю вас. Т.е. если у меня нет конкретной задачи, которую мне кто-то поставил, то помощи мне не видать? А вариант "загорелся в одном месте лед" - не вариант? Что делать если интересно?

Да что угодно. Видите ли, в данном случае сложность в том, что это должно быть интересно не только Вам, а этого (пока) нет.

[ViktorArs]

Учту сказанное. Постараюсь четче выражаться. (то что меняются на ходу условия, это только от того, что я не ощущаю, надеюсь пока, где вообще границы того что возможно рассчитать)

Поэкспериментировал. Скорость УЗ оценивал по задержке прохождения УЗ сигнала из т.А. в т.Б.

При увеличении температуры от 20 до 50 град. скорость УЗ совсем чуть чуть падает (задержка растет примерно на 3-4%).
Далее скорость УЗ увеличивается. От 60 до 100 град, задержка уменьшается примерно на 20-30%.

Выше говорилось о изменении скорости звука в тумане. Зависимость с корнем. При образовании тумана - скачок значения. Итд итп.
Глава VIII - Звук
Стр. 355. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теоретическая физика. Гидродинамика. 3-е изд., 1986.
Изучил, на том уровне на сколько мне это вообще доступно.
Вопрос: на сколько звук правомерно сравнивать с ультразвуком? (частота УЗ = 40 кГц)