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.