Реферат по предмету "Наука и техника"


Антенна излучающая

Антенна излучающая

Пояснительная записка к курсовому проекту 08.092.54ИС1

Выполнил: студент группы 54ИС1 Новицкий Андрей

Санкт-Петербургский Государственный Морской
Технический Университет

Кафедра 50

Санкт-Петербург

2003
Введение

К
одной из важнейшей научно-технической проблеме современности можно отнести
освоение водного пространства.  

Освоение
океана повлекло множество технических проблем. Одной из них являлась
невозможность заглянуть в глубины океана, узнать особенности дна, наличие и
особенности подводных обитателей. С появлением судов и устройств, способных
пребывать под водой более или менее долго, возникла проблема передачи
информации: связь с другими объектами, сканирование окружающего пространства и
прочее.

Акустические
(звуковые) волны, благодаря своей природы, свойствам водной среды, способны
возбуждаться при сравнительно малых затратах энергии, и распространяться на
большие расстояния, при некоторых условиях на тысячи и десятки тысячи
километров.

С
помощью гидроакустических средств (ГАС) производят картографирование дна морей
и океанов и обнаруживают предметы (эхолоты и гидролокаторы бокового обзора),
осуществляют водную связь (средства гидроакустической связи), обеспечивают
безопасность плавания судов, измерение скорости хода и глубины под килем
(средство судовождения), производят поиск скопления рыб, управление автономными
подводными приборами, доставляющими информацию о состоянии подводной обстановки
(средств телеметрии и телеуправления), обнаруживают и определяют координаты
подводных объектов.  

Процесс
преобразования электрической энергии в акустическую выполняют подводные
электроакустические излучатели и приёмники, входящие в состав антенны, и
называемые гидроакустическими преобразователями (ГАП).

Конструкцию
антенны определяют, в основном, её назначение и местоположение. Так, антенны
судовых гидроакустических систем можно размещать на корпусе судна, буксировать
или опускать за борт; антенны стационарных гидроакустических станций
устанавливают на фундаментальных опорах в прибрежных районах, у входов в порты,
в районах рейдовых стоянок и т.п.

Техническими
параметрами гидролокационных станций (ГАС) являются: рабочая частота (от
единицы до десятков килогерц), излучаемая акустическая мощность (от сотен ватт
до сотен киловатт), ширина диаграммы направленности антенны в режимах излучения
и приема в главных плоскостях, форма и длительность излучаемых импульсов,
уровень усиления приемного тракта, ширина полосы частот приемного тракта. ГАС,
которые не излучают акустическую энергию и предназначены для обнаружения и
определения пеленга (курсового угла) подводного объекта по производимому им
шуму, в частности движущегося судна, относят к пассивным средствам ШПС – полоса
рабочих частот, ширина диаграммы направленности антенны, коэффициента усиления
приемного тракта.

В
данной работе для обеспечения ХН с малыми боковыми максимумами предлагается
ромбический поршень, у которого величина бокового максимума меньше 5%.
Основная часть:
1. Выбор формы, определения размеров антенны и
направленности

Для
обеспечения малой величины бокового максимума (10%) выбираем излучающую пластину
в форме плоского ромба, характеристика направленности которого выражается
формулой

R()=, (1) 

где
- длина диагонали, - длина волны в воде.

 м

По
заданию, в осевой диагональной плоскости угловая ширина главного лепестка на
уровне 0,7 в плоскости х0z равна, а в плоскости у0z .

Обозначим
аргумент функции (1) через a, то есть . Получаем уравнение

 , откуда

 , (2) 

Построим
графики  и 0,84; корень уравнения  находится в точке
пересечения обоих графиков, которой соответствует значение . Следовательно , длина диагонали  .  

 

 

Для
м.

Для
м.

Проверка
решения уравнения (2). Подставляем  с очень малой
погрешностью.

Таким
образом, волновые размеры диагоналей равны  и . Соответствующие выражения для характеристик направленности
имеют вид , .

В
формуле  угол  отчитывается от оси z, проходящей через точку
пересечения диагоналей ромба, в плоскости x0z; в
формуле  угол  также отсчитывается от
оси z, но в плоскости y0z.

Излучающая
пластина совмещена с плоскостью х0у, которой ось z перпендикулярна.

 

Нули
в направлениях, определяемых из уравнений

, m=1,2,3......
(3)

 ,  ,  ,  и т.д.

Направления
боковых максимумов (приближенно):

 Þ
; ;  и т.д.

Аналогично
все повторяется для , формулы те же.

Коэффициент
осевой концентрации, учитывая немалые размеры излучающей поверхности, рассчитывается
по формуле

 или  , (4)

где
S – активная площадь
антенны

Подставляя
значения  и , получаем

 

Для
плоскости х0z ( ДН содержит только один главный лепесток:  и , а  , то есть последующих
нулевых направлений нет. В плоскости y0z  значения углов  и величины боковых
максимумов даны в следующей таблице 1: 

Таблица
1




 





 





 





 





 





 





 







 7,8





 11,8





 15,8





 19,9





 24,1





 28,5





 33,0







 





 





 





 





 





 





 







 0





 0,045





 0





 0,016





 0





 0,008





 0






Таблица
2




 , град.





 1





 2





 2,5





 3





 4





 5













 0,94





 0,89





 0,70





 0,60





 0,38





 0,20






В
плоскости х0z () значения углов  и величины боковых
максимумов дана в следующей таблице 2: 

Таблица
3




 





 





 







  32





  54





  90







 





 





 







  0





  0,0055





  0






Таблица
4




 ,град.





 5 





 10 





 15





 20







 





 0,91





 0,71





 0,44





 0,20






Как
видно из таблиц, наибольший боковой максимум равен 0,045, то есть составляет
4,5%. Следовательно, требования задания выполнено, что обеспечено выбором формы
антенны, при которой амплитуда колебаний уменьшается от середины к краю.
2. Колебательная система преобразователя

По
заданию, колебательная система преобразователя – полуволновая, то есть пьезо-

керамическая
поршневая пластина не нагружена накладками (рис.5). Боковые размеры пластины
велики по сравнению с ее толщиной. Электроды наложены на большие грани,
перпендикулярные оси z.


 

Необходимые
расчетные формулы даны в §9.6 [1] и в пособии [2].

Резонансная
частота при продольном пьезоэффекте определяется из уравнения

,

где
- скорость распространения волны в пластине, измеренная при
разомкнутых электродах.

Для
дальнейших расчетов требуется знать конкретный пьезоэлектрический материал,
марку пьезокерамики.
3. Чувствительность излучателя

Эффективность
излучателя можно оценить давлением P, которое он создает в точке, в направлении главного максимума
при определенном электрическом напряжении U на входе. Такая оценка называется чувствительностью излучателя
и определяется по формуле

, (6)

где
r –
расстояние до точки измерения давления. Если принять r=1м и U=1В, то величина .

Для
определения акустического давления воспользуемся известным соотношением между
излучаемой мощностью  и давлением на оси

 

Допустимая
удельная мощность излучения ограничивается порогом кавитации , величина которого тем выше, чем меньше длительность
импульса  и больше
гидростатическое давление (заглубление  антенны). При  и  [2]. Зависимость от  определяется формулой

 

По
заданию, =100м, получаем . С учетом длительности  можем принять . Тогда , - излучаемая площадь антенны.

 

Из
выражения (4) находим звуковое давление

 

Таким
образом, чувствительность излучателя


Выбор активного материала и расчет электрических
параметров

Основным
назначением рассматриваемой антенны является излучение акустической энергии.
Известно, что при одинаковой напряженности электрического поля наибольшая
мощность излучения будет у преобразователей из пьезокерамики составов ЦТБС-3,
ЦТС-19 и ЦТСНВ-1 [1]. Следовательно, для получения наибольшей удельной
акустической мощности при наименьшей величины напряжения целесообразно
использовать указанные активные материалы. Остановимся на ЦТБС-3, приведем
значения ее постоянных:

 

Толщину
пьезокерамической пластины определим, принимая заданную частоту 250 кГц за
частоту резонанса, так как антенна излучающая, тогда

 

Статическая
электрическая емкость пластины

,

где
- площадь электрода.

 

Эквивалентное
сопротивление электрических потерь

 ,

 

Емкостное
сопротивление


 

Коэффициент
электромеханической трансформации

 

Сопротивление
электрических потерь на резонансе

 

Емкостное
сопротивление на резонансной частоте

 

Акустическая
мощность излучения при резонансе

 

Здесь
- КПД, учитывающий механические потери; принимаем . Величина - активное сопротивление излучения, соответствует немалым
волновым размерам пластины:

 

Частотная
зависимость акустической мощности вблизи резонанса

,

где
- механическая добротность

 

При
такой высокой добротности резонансная кривая мощности представляется весьма
узкополосной: относительная ширина полосы  и

Электрический
импеданс преобразователя образован из сопротивлений электрической части и
приведенных к ней механических:

  .

На
частоте механического резонанса  , сумма , так как

>>; .

Импеданс
, Ом
Конструкция антенны

Кабель
3 марки ПГЭШ-1.0 вклеивается в хвостовик корпуса 2, выполненного из латуни
Л-63. Хвостовик корпуса вместе с кабелем вулканизируется резиной. Сырьем для
вулканизации служит сырая резина марки С-576. Текстолитовая шайба 5 и
пенопластовая обойма 4 склеиваются клеем К-153. В обойму из полиуретана
вклеивается пьезокерамический преобразователь 1 с припаянными проводниками.
Провод укладывается в канал блока, он припаян к кабелю 3 и к преобразователю.
Рабочую поверхность преобразователя и части образующей корпус 2 смазывают
клеем. Затем осуществляется заливка компаундом
6. Измерение характеристики направленности (ХН)

Измерения
характеристики направленности (ХН) излучателей и приемников звука является
простой операцией, но требует выполнения ряда условий для получения правильных
результатов.

Испытуемый
преобразователь (излучатель, приемник) поворачивается вокруг оси,
перпендикулярной плоскости в которой определяется ХН. Расстояние  между излучателем и
приемником следует выбирать так, чтобы ХН полностью сформировалась, то есть не
зависят от дальнейшего увеличения . Обычно пользуются приближенной оценкой этой величины

0,161м

где
L – максимальный
габаритный размер преобразователя (антенны).

Если
за критерий взять среднюю фазовую ошибку, то относительная погрешность
измерения  направленности антенны
размером L будет равна

=

Расстояние
r по
этому критерию оценивается неравенством



 

Если
же излучение и прием осуществляются излучателями заключительных размеров, то
расстояние r отвечает неравенству

 

Условия
измерений должны соответствовать свободному полю, чтобы при каждом новом
повороте регистрировался (измерялся) только прямой сигнал, распространяющийся
от излучателя к приемнику.

Поворот
системы производится электромеханических приводом – двигателем и набором
шестерней, обеспечивающих приемлемую частоту вращения, определяемую скоростью
фиксации сигналов, характером среды и требуемой точностью структуры ХН.

Для
регистрации ХН в полярных координатах используют круглые бланки,
поворачивающиеся синхронно с поворотом испытуемого преобразователя.  

Синхронизация
движения бумаги и вращения испытуемого преобразователя лучше всего
обеспечивается сельсильной связью: ось сельсина – датчика механически
соединяется с валом, непосредственно вращающим преобразователем, а ось сельсина
– приемника – с осью вращения бланка. Сельсины обеспечивают точность передачи
угла порядка 0,5°, что вполне достаточно для большинства акустических измерений.
Заключение

Спроектирован
излучающий преобразователь в виде пьезокерамического поршня в форме ромба.
Такая форма обеспечивает малый уровень боковых максимумов (4,5%). Эффективность
преобразователя достаточна, благодаря применению пьезокерамического материала
состава ЦТБС-3.

Требования
задания по направленности антенны выполнено с соответствующим выбором размеров (диагоналей)
излучающей поверхности.
Список литературы

Свердлин
Г.М. Прикладная гидроакустика. Л: Судостроение, 1990

Свердлин
Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны Л.: Судостроение, 1988.

Свердлин
Г.М., Огурцов Ю.П. Расчет преобразователей. Учебное пособие. Л: ЛКИ, 1976.

Кобяков
Ю.С. и др. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. Л:
Судостроение, 1986.

Колесников
А.Е. Акустические измерения. Учебник для вузов. Л: Судостроение, 1983.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Особенности представлений студентов о карьере
Реферат Особенности и функции современной семьи
Реферат Особенности социальной мобильности в России
Реферат The Importance Of Being Earnest -A Review
Реферат Особистість у системі соціальних зв’язків
Реферат Реализация воспитательной функции морали в работе юриста
Реферат Возникновение банковского дела. Процессы гигантизации банков и концентрации банковского капитала
Реферат Физические качества и методика их развития
Реферат Westside Story Essay Research Paper Romeo
Реферат To The Lighthouse Essay Research Paper Modernism
Реферат Атма: Здоровье и Созидание
Реферат Основные подходы к образованию
Реферат Теоретико-метологические осмысления безопасности на железной дороге
Реферат Особенности и тенденции генезиса институтов клубной системы
Реферат Дело - система автоматизации делопроизводства и электронного документооборота