Измерение скорости модели Доплеровским методом
Предлагаю обсудить нетривиальный, но довольно точный метод измерения скорости полёта моделей с двигателем, основанный на Доплеровском эффекте для звуковых волн. Теория здесь:
fizika.ayp.ru/2/2_8.html
Требуется всего-лишь снять на камеру со звуком пролёт модели в максимальной близости от микрофона и на разнице тонов звука при приближении и удалении модели вычислить скорость. Очевидно что длина волны, а значит и частота слышимого звука двигателя модели изменяется прямо пропорционально приросту скорости полёта к скорости звука, тогда приняв:
F – частота звука при подлёте,
f – частота звука при отлёте,
V – скорость звука,
v – скорость полёта,
можно записать:
(V+v)/(V-v)=F/f,
откуда
v = V((F-f)/(F+f))
Для испытаний выбран Экспериментальный Концептуальный Образец (ЭКО Джет) - размах 960мм, площадь 14.4 дм2, вес 780 гр, импеллер VasaFan65G.
частоты определены спекрографом професиональной аудиомонтажной программы Steinberg Nuendo. Можно любым другим спектрографом. Получилось скорость полёта 120 км/ч, или 33 м/c, что очень близко к расчётным для данной модели.
прилагаю видеофрагмент и его анализ.
Предлагаю обсудить нетривиальный, но довольно точный метод измерения скорости полёта моделей с двигателем
Метод работающий, главный недостаток - многоэтапность процесса измерения.
Точность оценивали?
Навскидку около 10% должно получиться?
А на малых скоростях и того более.
Хорошо бы оценить погрешность по Vзвука (от температуры и давления)
И погрешность, связанную с тем, что траектория движения не проходит через наблюдателя (ну это небольшая должна быть, если мерять подальше от себя).
есть вариант проще.
камера неподвижна, это важно.
снимаем модель летащую под 90гр к направлению съемки.
берем несколько стоп кадров и считаем, сколько длинн корпусов пролетает модель за полукадр.
полукадр - 50герц.
пример:
длинна модели 1 метр.
за 10 полукадров она пролетает 5 длинн корпусов.
5 метров за 0,2 секунды
25 метров/сек.
90км/ч.
усе.
☕ А не проще ли будет приобрести вот это?
☕ А не проще ли будет приобрести вот это?
“вот это” денег стоит дополнительных, а камера у многих и так есть 😃
есть вариант проще.
камера неподвижна, это важно.
снимаем модель летащую под 90гр к направлению съемки.
берем несколько стоп кадров и считаем, сколько длинн корпусов пролетает модель за полукадр.
полукадр - 50герц.пример:
длинна модели 1 метр.
за 10 полукадров она пролетает 5 длинн корпусов.
5 метров за 0,2 секунды
25 метров/сек.
90км/ч.
усе.
Эту тему я уже поднимал пару лет назад
rcopen.com/forum/f1/topic15023 😃
есть вариант проще.
камера неподвижна, это важно.
снимаем модель летащую под 90гр к направлению съемки.
берем несколько стоп кадров и считаем, сколько длинн корпусов пролетает модель за полукадр.
😃 а ещё помню как мы базу отмеряли и флажками махали 😃
сегодня получил более чистый замер. на нём вполне можно произвести как доплеровский так и фотографический анализ скорости и сравнить результаты. итак, камера лежит неподвижно на земле и смотрит вверх. модель разгоняется (ой хорошо разгоняется!) с горки, наклон около 30 градусов, по траектории направленной на объектив. в паре метров от земли полёт выравнивается и фиксируется камерой.
прилагаю видео (30 кадров/сек) и доплеровский анализ. спектр не ограничивал, поэтому получен ряд кратных гармоник звука.
приближение:
656, 1336, 2016, 2684, 3352 Hz
удаление:
516, 1008, 1523, 2039, 2531 Hz
оценка скорости по соответствующим гармоникам:
146, 171, 170, 167, 171 км/ч
результат по первой гармонике явно выбивается из ряда, по остальным вполне устойчивые данные.
результат по первой гармонике явно выбивается из ряда, по остальным вполне устойчивые данные.
Анатолий, а какие обороты двигателя?
Тыщ 12, на разгоне или более?
Тогда младшие цифры - какие-то механические резонансы корпуса\крыльев и их можно не учитывать.
Интересно, а такое большое количество гармоник связано с многолопастностью импеллера?
Стоп. Но, если мы ориентируемся на звук двигателя,
то так доплером мерять нельзя.
Частота источника меняется. Движок на пикировании был разгружен, набрал обороты, в горизонте снова загрузился - обороты будут падать.
Сплошной переходной режим. 😦
Метод работающий, главный недостаток - многоэтапность процесса измерения.
Точность оценивали?
Навскидку около 10% должно получиться?
А на малых скоростях и того более.
Хорошо бы оценить погрешность по Vзвука (от температуры и давления)
И погрешность, связанную с тем, что траектория движения не проходит через наблюдателя (ну это небольшая должна быть, если мерять подальше от себя).
недостатков много, поэтому метод не годится для соревнований, где нужен быстрый результат, а скорее полезен для испытательных работ и тд. к тому же метод годится только для винтовых или импеллерных моделей. у турбореактивных невозможно выделить чёткие гармоники звука так как спектр свиста турбин имеет непрерывный характер.
нужно к тому же разбираться в работе со звуком, уметь фильтровать посторонние шумы, ветер, работать со спектром. для звукорежиссёра с 10-летним стажем проблем нет 😁
погрешность увеличивается на малых скоростях - а так ли интересно знать скорость по определению медленных моделей? другое дело гоночных или рекордных экземпляров…
погрешность, связанная с несовпадением траектории с направлением на наблюдателя также решается аналитически. над этим работаю.
ветер теоретически влияет на доплеровское смещение. но в данном случае когда модель приближается и удаляется ошибка либо сначала прибавляется, потом вычитается, или наоборот взависимости от направления ветра, в результате получается ноль, и ветер не влияет.
Про ветер я как-то забыл. А вот как скорость звука (опорная величина для расчётов) меняется от природных условий? (температура\давление, интересно, влажность влияет?)
к тому же импеллеры в полёте разгружаются незначительно, что тоже говорит в пользу малости переходных изменений.
Поверю на слово, с импеллерами не общался. 😃
самолёт довольно тяжёлый и за время перехода в горизонталь и совершения замера не успевает затормозиться. это происходит где-то через 3-4 секунды и на удалении 150-200 метров, когда камера уже не фиксирует звук. замер произведён на расстояни плюс-минус пол-секунды от появлении модели в кадре. так что величины переходных изменений чрезвычайно малы.
обороты двигателя по данным производителя около 40 000 в минуту (Mega1615/3, Lipo 4S), к тому же импеллеры в полёте разгружаются незначительно, что тоже говорит в пользу малости переходных изменений.
скорость звука определяется по таблицам в зависимости от температура, давления и тд. я принял 340м/с
Этот метод интересно проверить на ДВС.
Там основная частота выхлопа должна хорошо выделяться.
Если это так, то возможно построить автономный измеритель скорости на микроконтроллере.
Хотя бы как дополнительная функция к измерителю оборотов двигателя.
тоже думал над возможностью создания прибора, реализующего весь описанный алгоритм. всего-то нужен микрофон и микрокомпьютер. програмное обеспечение должно быть весьма продвинутое, так как надо избавиться от паразитных сотавляющих ветра и окружающего шума, ограничить спектр полезного сигнала, решить какие гармоники принять для измерений, а какие выкинуть. всё это я делаю вручную в Nuendo и Sound Forge. Как это будет делать автомат - непонятно.
по поводу гармоник и оборотов.
нижняя гармоника соответствует оборотам двигателя, это 500-600 Hz или 3000-3600 об/мин.
однако есть у меня замер когда выползли совершенно некратные гармоники 630 и 3797 на приближении, 519 и 3117 на удалении.
нетрудно догадаться и посчитать, что верхняя гармоника - это нижняя умноженная на 6, то есть частота двигателя умноженная на количество лопаток!
Как это будет делать автомат - непонятно.
Одна надежда, что от ДВС будет меньше гармоник и основной сигнал будет заметно большей амплитуды.
Потому и прошу: при случае, померяйте также ДВСку в воздухе.
Хотя когда-то давно я пытался тахометр для ДВС с микрофонным датчиком делать. Поставил микрофон и осциллограф рядом с КМД на стенде.
Простыми аналоговыми средсвами выделить чистый импульс для счёта не удалось.
по поводу гармоник и оборотов
Анатолий, вы ж раньше про десятки тыс. об\мин писали 😊
Что-то мало 3.000 для импеллера?
И почему амплитуда высшей гармоники так отличается на приближении и удалении.
Это опечатка, нолик пропустил.
конечно же 30-36 тысяч оборотов в минуту, это равно частоте 500-600 оборотов в секунду.
и это не предел для импеллеров.
с ДВС-никами как-то не приходится пересекаться, летаю в безлюдном месте, в лучшем случае на Развилке. если мне пришлют кусок записаного соответствующим образом звука или видео со звуком, могу посчитать скока там чего.
И почему амплитуда высшей гармоники так отличается на приближении и удалении.
да, отличаются. объяснений может быть два:
- алгоритмы кодировки звука Quicktime, Mpeg-2, Mp-3, которые применяются в камере и при последующем монтаже основаны на преобразовании спектра, и эти преобразования весьма значительны.
- звук модели в принципе разный если смотреть (и слушать) спереди и сзади. это чисто конструктивные особенности. спереди более выражен звук мотора, сзади больше высокочастотного свиста струи