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 ,
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):
;
;
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
|
|
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
|
|
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.