Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н icon

Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н



НазваниеПояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н
Дата конвертации15.09.2012
Размер170.75 Kb.
ТипПояснительная записка

ПРОСТЕЙШИЙ ВСЕГЛУБИННЫЙ (ОКЕАНСКИЙ) АБСОЛЮТНЫЙ ОДНОКОМПОНЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ЛАГ БЕЗ СВЯЗИ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ

(Пояснительная записка для инженера-конструктора)


Старший научный сотрудник ЦНИИ Морского Флота (ЦНИИМФ), к.т.н. Белоусов Анатолий Григорьевич

г. Санкт-Петербург

Раб. тел.: (812) 271-81-97

Дом. тел.
: (812) 152-83-30

Необходимые сведения из волновой теории распространения света




Обозначение, размерность, численное значение, формульные зависимости
^

Название, физический смысл



Со = 300000 км/c = 3 * 10 8 м/с

Скорость распространения электромагнитных световых колебаний в вакууме

no = 1,0

(безразмерная величина)
^

Показатель преломления света в воздухе



Со / no =3 * 10 8 / 1,0 =

= 3 * 10 8 м/с


Скорость распространения электромагнитных световых колебаний в воздухе

nводы = 1,333

(безразмерная величина)

(Опыт Физо)

^

Показатель преломления света в воде


Со / nводы =3 * 10 8 / 1,333 =

=2,251 * 10 8 м/с

(Опыт Физо)


Скорость распространения электромагнитных световых колебаний в воде

f , Гц, 1/с

Для естественного солнечного света с использованием желтого светофильтра f = 5,703 * 1014 Гц

(Опыт Физо)


Частота монохромных световых электромагнитных колебаний источника светового излучения

(1 Гц = 1/с)

о = (Со/no) / f

Для желтого света в воздухе

о = (3*108 / 1,0) / 5,703 * 1014 =

=0,526*10-6 м = 0,526 мкм

(Опыт Физо)

Длина волны при распространении монохромных световых электромагнитных колебаний в воздухе

(no = 1)


Обозначение, размерность, численное значение, формульные зависимости
^

Название, физический смысл



воды = (Со / nводы) / f

воды =о / nводы


Для желтого света в воде

воды=(3*108/1,333) / 5,703*1014 = = 0,395*10-6 м = 0,395 мкм

воды=0,526 / 1.333 = 0,395 мкм

(Опыт Физо)



Длина волны при распространении монохромных световых электромагнитных колебаний в воде

(nводы = 1,333)

Ко = 2* / о


Для желтого света в воздухе

Ко = 2*3,14 / (0,526*10 -6) =

= 11,925 *106 рад / м =

= 11,925 рад / мкм

(Опыт Физо)


Волновое число при распространении света в воздухе


Разность фаз электромагнитных световых колебаний (в радианах) на начальном и конечном участках прохождения светом единичного отрезка пути в воздухе


(физического расстояния длиной 1 м, либо 1 мкм – в зависимости от выбранной размерности длины волны)

Кводы = 2* / воды


Для желтого света в воде

Кводы = 2*3,14 / (0,395 *10 -6 ) =

= 15,907 *106 рад / м =

= 15,907 рад / мкм

(Опыт Физо)


Волновое число при распространении света в воде


Разность фаз электромагнитных световых колебаний (в радианах) на начальном и конечном участках прохождения светом единичного отрезка пути в воде


(физического расстояния длиной 1 м, либо 1 мкм – в зависимости от выбранной для расчетов размерности длины волны)




Конструктивные элементы оптического лага



^

Графическое обозначение, характеристики конструктивного элемента





Название, назначение конструктивного элемента,


L,м
no = 1,0

^

nводы = 1,333



В качестве световодных датчиков для простейшего однокомпонентного лага выберем две одинаковые герметично запаянные прямолинейные стеклянные трубки с плоскопараллельными торцами. Одну из трубок предварительно заполним водой (nводы = 1,333). Во второй трубке находится воздух (no = 1,0).


Пусть длина каждой трубки

L = 1,4875 м

(размеры лабораторной установки в опыте Физо)

L, м - длина световодных датчиков, используемых в качестве чувствительных элементов лага


Световодные датчики вместе со всеми остальными конструктивными элементами, входящими в состав всеглубинного (океанского) абсолютного оптического лага, могут устанавливаться в закрытых служебных и жилых помещениях судна, например, на рабочем столе в каюте любознательного капитана. Другими словами: чувствительые элементы оптического лага, не имеющие контакта с внешней воздушной и водной средой, в отличие от датчиков традиционных измерителей скорости (радиодоплеровских, индукционных, гидродинамических и гидроакустических лагов), не требуют своей установки на открытой палубе или в донно-забортном оборудовании судна (например, в водонепроницаемых клинкетах).





Ход световых лучей в полупрозрачном зеркале (делителе света)

Полупрозрачное зеркало позволяет разделить падающий поток света на два луча.

Для однокомпонентного лага понадобятся два полупрозрачных зеркала.





Ход световых лучей в глухом (обычном) зеркале

Глухое зеркало позволяет отклонить падающий поток света.в нужном направлении.

Для однокомпонентного лага понадобятся два глухих зеркала.
^

Графическое обозначение, характеристики конструктивного элемента





Название, назначение конструктивного элемента,

о




Для желтого света в воздухе

о = 0,526*10-6 м = 0,526 мкм

(Опыт Физо)


Источник монохромного непрерывного (синусоидального) светового излучения, например, лазерный диод с длиной волны в воздухе о




В опыте Физо использовалась зрительная труба


Приемник светового излучения

(например, фотодиод, зрительная труба, лист белой бумаги).

Используется для измерения линейных сдвигов темных и светлых полос в интерференционой картине, создавемой двумя колинеарными световыми лучами.


Оптико-механическая схема и ход световых лучей в простейшем однокомпонентном абсолютном океанском лаге





Судно




Интерференционная картина

1-й луч









Поверхность

Океана




2-луч







V –абсолютная скорость судна

(скорость судна относительно дна Океана, м/c)


Дно Океана



Интерференция световых лучей в приемном устройстве лага при неподвижном относительно дна Океана судне (V= 0)


Для объяснения физического принципа работы оптического лага, напомним основные положения из теории интерференции двух световых лучей:


Две сходящиеся в одной точке пространства световые волны усиливают или ослабляют друг друга в зависимости от разности фаз их колебаний и направлений прихода. Синфазные волны (разность фаз колебаний  = 0о) складываются, а волны приходящие в противофазе ( = 180о) – вычитаются друг из друга. В результате такого волнового взаимодействия, в плоскости наблюдения, где расположено приемное устройства лага (на экране наблюдателя), два колинеарных световых луча создают интерференционную картину, состоящую из ряда темных и светлых (ярких) полос света. С учетом масштабного коэффициента (например коэффициента увеличения зрительной трубы) расстояние между центрами интерференционных полос одинаковой интенсивности свечения соответствует длине волны распространения света в воздухе (в нашем случае о для желтого света).

Значения фаз волновых колебаний и фазовые сдвиги между ними (разности фаз) измеряют в радианной или градусной мере (360о соответствуют 2* рад). Невооруженный искусственным оптическим зрительным прибором нормальный человеческий глаз способен обнаруживать изменения в интерференционной картине, вызванные различием в набегах фаз световых колебаний порядка 30о (наблюдать и регистрировать линейные сдвиги интерференционных полос).

Рассмотрим фазовые соотношения при прохожденнии двух световых лучей в датчиках лага при неподвижном относительно дна Океана судне (интерференционную картину в приемном устройстве лага при скорости судна V=0).

Первый луч, распространяясь от левого до правого торца в верхнем световоде (датчике с воздухом с параметрами L = 1,4875 м, no = 1,0, о = 0,526*10-6 м , Ко = 11,925 *106 рад / м), приобретает дополнительный фазовый набег

1(V=0) = Ко * L = (2* / о) * L = 11,925 *106 рад / м * 1,4875 м =

=17,738437 *106 рад


Второй луч, распространяясь от левого до правого торца в нижнем световоде (датчике с водой с параметрами L = 1,4875 м, nводы = 1,333, воды= 0,395*10-6 м , Кводы = 15,907 *106 рад / м), приобретает дополнительный фазовый набег

2(V=0) = Кводы* L = (2* / воды) * L = 15,907 *106 рад / м * 1,4875 м =

==23,667662 *106 рад

Разность между дополнительными фазовыми набегами (сдвигами) двух лучей (V=0) определяет вид интерференционной картины в приемном устройстве лага при неподвижном судне относительно дна Океана. Калибровка лага на стопе судна заключается в фиксировании (привязке) первоначального положения интерференционных полос относительно выбранной координатной сетки приемного устройства (например, относительно вертикальной линии перекрестья окуляра зрительной трубы наблюдателя).



(V=0) = 2(V=0) - 1(V=0) =

=(Кводы - Ко ) * L = 2**L*(1/воды –1/о) =

=23,667662 *106 рад - 17,738437 *106 рад =5,929225 *106 рад


Более наглядный анализ фазовых соотношений между лучами получается в градусной мере

(V=0)град = (V=0)рад *(180о /  ) = 360о *L*(1/воды –1/о) =

=5,929225 *106 *(180о /  ) = 339719568,2835о


Избавимся от громоздких цифр, поскольку изменение фазовых величин удобнее рассматривать и анализировать в пределах от 0 до 360о.

Разделим величину (V=0)град на 360о и отбросим целую часть получившегося числа

(V=0)град / 360о = 339719568,2835о / 360о =943665,4674542

Умножим оставшуюся дробную часть (0,4674542) получившегося числа на 360о и окончательно получим


(V=0)град= 2(V=0) - 1(V=0) = 0,4674542 * 360о = 168,2835 о


Следовательно, в центральной части приемного устройства лага (по центру экрана) при неподвижном судне относительно дна Океана будет формироваться темная (слабоосвещенная) интерференционная полоса, поскольку световые колебания от двух лучей будут приходить практически в противофазе ((V=0)град =168,2835о).

Предположим, что амплитуды световых колебаний двух лучей после прохождения их через световодные датчики остаются примерно одинаковыми (А = А1  А2). Тогда, пользуясь правилом сложения двух синусоидальных колебаний равной амплитуды, с одной длиной волны (о) и сдвигом по фазе (), квадрат суммарной амплитуды световых колебаний (А) в центральной части приемного устройства лага, можно определить по простой формуле

А2 = 4*А2*(1 – cos )

Предварительный расчет величиы А2 позволяет спрогнозировать ожидаемую яркость интерференционных полос и привязать их к опорной системе координат (например к положению перекрестья окуляра зрительной трубы).


При неподвижном судне, где величина А2(V=0) = 4*А2*(1 – cos (V=0)) =

=4* А2*(1–cos 168,2835 о)= 0,0833* А2, наблюдатель зафиксирует следующую интерференционную картину



























о


Яркость

0,0833*А2

Яркость

4*А2

Интерференция световых лучей в приемном устройстве лага при движущемся с прямолинейной постоянной скоростью относительно дна Океана судне (V  0)


Предположим, что судно движется относительно дна океана с прямолинейной равномерной (постоянной) скоростью V = 7,059 м/с .

(для численного моделирования выбрано значение скорости судна равной скорости протекания воды в установке Физо)


V = 7,059 м/с

(скорость судна относительно дна Океана)


no, о, Ко, Со/nо

1-й луч


L L




2-й луч

nводы, воды, Кводы, Со/nводы


Для того, чтобы четко представлять волновые процессы при распространении света в световодах (датчиках) лага при движении судна необходимо осознать и разобраться в следующих, на первый взгляд, противоречивых физических явлениях:


^ 1. Световые колебания, в отличие от звуковых колебаний, движущимися газовыми, жидкими и твердыми прозрачными средами не увлекаются

(обоснование - реальная работа современных лазерных и световолоконных гироскопов, основанных на эффекте Саньяка);


2. Время, необходимое для прохождения светом ограниченного линейного участка световода, движущегося относительно поверхности Земли (дна Океана), отличается от времени прохождения светом того же ограниченного линейного участка световода, покоящегося относительно поверхности Земли.

(обоснование - эффект Саньяка, неудачные опыты Майкельсона-Морли по обнаружению эфирного ветра на поверхности Земли, опыт Физо);


^ 3. Реальные линейные размеры физических тел при перемещениях не изменяются (обоснование - опыт Физо, эффект Саньяка, релятивистские заблуждения Эйнштейна);


4. Световые колебания (фотоны), в отличие от звуковых колебаний (фононов) проходят разные физические расстояния в светопрозрачных средах по ходу и против двжения этих сред относительно поверхности Земли (обоснование - опыт Физо, эффект Саньяка);


Независимо от того, покоятся или перемещаются датчики лага относительно поверхности Земли (дна Океана), световые колебания в них распространяются с постоянными скоростями. Другими словами, на движущемся судне, также как и на неподвижном, световой луч распространяется в датчике с водой с постоянной скоростью Со/nводы. Тоже самое справедливо и для датчика с воздухом , где значение скорости распространения светового луча Со/nо также остается величиной неизменной.


Временной интервал, необходимый для прохождения 2-го светового луча на движущемся судне от левого торца до правого торца в датчике с водой, обозначим через t.

За время t левые и правые торцы датчиков с воздухом и водой, вследствие перемещения судна относительно дна Океана со скоростью V, синхронно сместятся вправо на величину L = t * V.

За время t 2-й световой луч , распространяясь в датчике с водой с постоянной скоростью Со/nводы, пройдет реальное (а не релятивистское) физическое расстояние L +L = t. * Со/nводы,

Решая систему из двух уравнений с двумя неизвестными, окончательно получим

t = L / (Со/nводыV) =

= 1,4875 м./ (2,251 * 10 8 м/с -7,059 м/с) = 0,0066 * 10-6 с = 0,0066 мкс


L = L* V / (Со/nводыV) =

=1,4875 м * 7,059 м/с / (2,251 * 10 8 м/с -7,059 м/с) = 0,0467 * 10-6 м =

= 0,0467 мкм


Рассмотрим фазовые соотношения при прохожденнии двух световых лучей в датчиках лага при перемещающемся относительно дна Океана судне с прямолинейной равномерной скоростью V = 7,059 м/с

(интерференционную картину в приемном устройстве лага при скорости судна ^ V0).

Первый луч, распространяясь от левого до правого торца в верхнем световоде (датчике с воздухом с параметрами L+L=1,4875 м + 0,0467 * 10-6 м, no = 1,0, о = 0,526*10-6 м , Ко = 11,925 *106 рад / м), приобретает дополнительный фазовый набег


1(V0) = Ко * (L + L) = (2* / о) * (L +L)=

=11,925 *106 рад / м * (1,4875 м + 0,0467 * 10-6 м) =

=17,738437 *106 рад + 0,55689 рад


Второй луч, распространяясь от левого до правого торца в нижнем световоде (датчике с водой с параметрами L+L=1,4875 м + 0,0467 * 10-6 м, nводы = 1,333, воды= 0,395*10-6 м , Кводы = 15,907 *106 рад / м), приобретает дополнительный фазовый набег


2(V0) = Кводы* (L + L) = (2* / воды) *(L +L) =


=15,907 *106 рад / м * (1,4875 м + 0,0467 * 10-6 м) =

=23,667662 *106 рад + 0,74286 рад

Разность между дополнительными фазовыми набегами (сдвигами) двух лучей (V0) определяет вид интерференционной картины в приемном устройстве лага при перемещении судна относительно дна Океана. Калибровка лага на постоянной скорости судна заключается в измерении линейного сдвига наблюдаемых интерференционных полос по отношению к первоначальному их положению, зафиксированному на стопе судна.



(V0) = 2(V0) - 1(V0) =

=(Кводы - Ко ) * (L + L) =

= 2 * *(1/воды –1/о) * (L + L) =


= (23,667662 *106 рад -+ 0,74286 рад) – (17,738437 *106 рад + 0,55689 рад)=

=5,929225 *106 рад + 0,18597 рад = 168,2835 о + 10,6553 о = 178,9388 о

Следовательно, перемещение судна со скоростью V = 7,059 м/с вызывает изменение в первоначальной интерференционной картине (на стопе судна (V=0)град=168,2835о, при движении судна (V0)град=178,9388о, дополнительный фазовый набег световых лучей  =10,6553 о).


 = (V0) - (V=0) =

= 2 * *(1/воды –1/о) * L =

= 2 * *(nводы /о – no /о) * L* V / (Со/nводы – V) 

2 * * L* V *(nводы – no) * nводы / (Со*о) =

= 360 о * L* V *(nводы – no) * nводы / (Со*о) =


= 360о * 1,4875 м * 7,059 м/с *(1,333 – 1,0) * 1,333 / (3 * 10 8 м/с *0,526*10-6 м) =

=10,6553 о


Скоростную фазовую чувствительность лага можно рассчитать по формуле

 / V = 360 о * L *(nводы – no) * nводы / (Со*о) =


=10,6553 о / 7,059 м/с =1,51 град * с / м


На движущемся судне, где величина А2(V0) = 4*А2*(1 – cos (V0)) =

=4* А2*(1–cos 178,9388 о)= 0,000686* А2, наблюдатель зафиксирует линейный сдвиг интерференционной картины относительно неподвижного перекрестья окуляра, выставленного ранее при калибровке лага на стопе судна


Яркость

0,0833*А2




V = 0




























V0























о


Яркость

0,000686*А2

Яркость

4*А2

Относительный линейный сдвиг полос  / о в интерференционной картине связан с дополнительным фазовым набегом световых лучей  при движении судна следующей зависимостью

/ о =  / (2 *) =

= L* V *(nводы – no) * nводы / (Со*о) =

= 1,4875 м * 7,059 м/с *(1,333 – 1,0) * 1,333 / (3 * 10 8 м/с *0,526*10-6 м) =

= 0,0296


Предположим, что на экране наблюдателя расстояние между центрами интерференционных полос (линий одинаковой освещенности) с учетом коэффициента увеличения зрительной трубы о экрана = 25 мм (примерно соответствует масштабам приведенных выше рисунков). Тогда ожидаемый наблюдателем видимый линейный сдвиг полос на экране экрана при движении судна со скоростью V = 7,059 м/с можно теоретически рассчитать из следующей зависимости


экрана / о экрана =  / о = L* V *(nводы – no) * nводы / (Со*о)


Отсюда экрана = о экрана * (  / о ) = 25 мм * 0,0296 = 0,74 мм


Наши предшественники более 100 лет назад умели наблюдать и фиксировать относительные сдвиги интерференционных полос c минимальными величинами порядка 0,01 - 0,001. Ученые, конструкторы и инженеры того времени не обладали лазерными когерентными источниками света, чувствительными болометрами и фотодиодами, прекрасно обходились без знания специальной теории относительности и они были на порядок умнее и талантливее наших современников.


В заключение хотелось бы отметить, что простейший однокомпонентный оптический лаг, состоящий из двух стеклянных трубок с водой и воздухом, измеряет также и скорость заднего хода судна относительно дна Океана (происходит сдвиг интерференционных полос в обратном направлении). Четыре трубки крестом – и мы получаем двухкомпонентный лаг, измеряющий продольную и поперечную составляющие вектора путевой скорости судна (самолета, автомобиля, пешехода). Используя световолокно в качестве чувствительных элементов лага, организуя оптимальные многопроходные схемы для световых лучей (звоните, спрашивайте, приезжайте, смотрите действующие лабораторные макеты, запатентовано) можно в короткие сроки (1,5 года) разработать и организовать серийное производство наиболее современных и конкурентноспособных измерителей скорости и пройденного расстояния практически для всех видов подвижных носителей.

Хватит спать дорогие Россияне. - солнце уже на западе.

23 апреля 2004 г.




Похожие:

Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconИнструкция утверждаю директор; иное должностное лицо, уполномоченное утверждать должностную инструкцию
На должность инженера-конструктора назначается лицо, имеющее: высшее профессиональное (техническое) образование, и стаж работы в...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconИслам и политика
Айдын Али-заде, кандидат философских наук, старший научный сотрудник Института философии и политико-правовых исследований нана
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconНевский врачебный вестник. 1999. Т. 1, N с. 4-5
Владимир Сибирцев, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории Биотестирования токсических факторов окружающей...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconНовое в жизни. Науке, технике
Мин виктор Петрович, кандидат искусствоведе­ния, старший научный сотрудник внии искусствознания, ав­тор книг «Фильм без интриги»,...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconМорфологический подход Владимир Павлович Галкин, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, научный руководитель ниумп «Лаборатория проблем цивилизации»
Рассмотрены основные объективные и субъективные компоненты информационных систем систем получения и циркуляции знания в обществе,...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconН. В. Тютюгина искусствовед, старший научный сотрудник
Гималайские этюды Николая Константиновича Рериха уникальное явление в мировом искусстве. Ощутить их воздействие на зрителя помогли...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconЛ. В. Серегина л. В. Серегина, научный сотрудник отдела закон
Л. В. Серегина, научный сотрудник отдела законодательства о труде и социальном обеспечении Института законодательства и сравнительного...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconРубрика: проблема
Нии фпм при УрГУ, а по закону о профсоюзах такое совмещение невозможно. Во всяком случае, так утверждает старший научный сотрудник...
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconА. валидов: пребывание у власти исхаков Салават Мидхатович
Исхаков Салават Мидхатович, кандидат исторических наук, старший научный сотрудник Института российской истории ран
Пояснительная записка для инженера-конструктора) Старший научный сотрудник цнии морского Флота (цниимф), к т. н iconОдесского национального морского университета
Научно-исследовательского проектно-конструкторского института морского флота Украины
Разместите кнопку на своём сайте:
Документы


База данных защищена авторским правом ©podelise.ru 2000-2014
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Документы

Разработка сайта — Веб студия Адаманов