Антена випромінює

Пояснювальна записка до курсового проекту 08.092.54ІС1

Виконав: студент групи 54ІС1 Новицький Андрій

Санкт-Петербурзький Державний Морський Технічний Університет

Кафедра 50

Санкт-Петербург

2003

Введення

До однієї з найважливішою науково-технічну проблему сучасності можна віднести освоєння водного простору.

Освоєння океану спричинило безліч технічних проблем. Однією з них була неможливість зазирнути в глибини океану, дізнатися про особливості дна, наявність і особливості підводних мешканців. З появою судів і пристроїв, здатних перебувати під водою більш-менш довго, виникла проблема передачі інформації: зв'язок з іншими об'єктами, сканування навколишнього простору та інше.

Акустичні (звукові) хвилі, завдяки своєї природи, властивостями водного середовища, здатні збуджуватися при порівняно малих витратах енергії, і поширюватися на великі відстані, при деяких умовах на тисячі й десятки тисяч кілометрів.

За допомогою гідроакустичних засобів (ГАС) виробляють картографування дна морів і океанів і виявляють предмети (ехолоти і гідролокатори бічного огляду), здійснюють водну зв'язок (кошти гідроакустичної зв'язку), забезпечують безпеку плавання суден, вимірювання швидкості ходу і глибини під кілем (засіб судноводіння), проводять пошук скупчення риб, управління автономними підводними приладами, що доставляють інформацію про стан підводної обстановки (засобів телеметрії і телекерування), виявляють і визначають координати підводних об'єктів.

Процес перетворення електричної енергії в акустичну виконують підводні електроакустичні випромінювачі і приймачі, що входять до складу антени, і звані гідроакустичними перетворювачами (ГАП).

Конструкцію антени визначають, в основному, її призначення та місце розташування. Так, антени суднових гідроакустичних систем можна розміщувати на корпусі судна, буксирувати або опускати за борт; антени стаціонарних гідроакустичних станцій встановлюють на фундаментальних опорах у прибережних районах, біля входів в порти, в районах рейдових стоянок і т.п.

Технічними параметрами гідролокаційних станцій (ГАС) є: робоча частота (від одиниці до десятків кілогерц), випромінювана акустична потужність (від сотень ватів до сотень кіловатів), ширина діаграми спрямованості антени в режимах випромінювання і прийому в головних площинах, форма і тривалість випромінюваних імпульсів, рівень посилення приймального тракту, ширина смуги частот приймального тракту. ГАС, які не випромінюють акустичну енергію і призначені для виявлення і визначення пеленга (курсового кута) підводного об'єкта по виробленому їм шуму, зокрема рухомого судна, відносять до пасивних засобів ШПС - смуга робочих частот, ширина діаграми спрямованості антени, коефіцієнта посилення приймального тракту.

У даній роботі для забезпечення ХН з малими бічними максимумами пропонується ромбічний поршень, у якого величина бічного максимуму менше 5%.

Основна частина:

1. Вибір форми, визначення розмірів антени і спрямованості

Для забезпечення малої величини бічного максимуму (10%) вибираємо випромінюючу пластину у формі плоского ромба, характеристика спрямованості якого виражається формулою

R () =, (1)

де - довжина діагоналі, - довжина хвилі у воді.

м

За завданням, в осьовій діагональної площини кутова ширина головного пелюстка на рівні 0,7 у площині х0z дорівнює, а в площині у0z.

Позначимо аргумент функції (1) через a, то є. Отримуємо рівняння

, Звідки

, (2)

Побудуємо графіки і 0,84; корінь рівняння знаходиться в точці перетину обох графіків, якій відповідає значення. Отже, довжина діагоналі.

Для м.

Для м.

Перевірка рішення рівняння (2). Підставляємо з дуже малою похибкою.

Таким чином, хвильові розміри діагоналей рівні і . Відповідні вирази для характеристик спрямованості мають вигляд, .

У формулі кут звітує від осі z, що проходить через точку перетину діагоналей ромба, в площині x0z; у формулі кут також відраховується від осі z, але в площині y0z.

Випромінююча пластина суміщена з площиною х0у, якій вісь z перпендикулярна.

Нулі в напрямках, визначених з рівнянь

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

, ,, і т.д.

Напрями бічних максимумів (приблизно):

Þ; , І т.д.

Аналогічно все повторюється для, формули ті ж.

Коефіцієнт осьової концентрації, враховуючи чималі розміри випромінюючої поверхні, розраховується за формулою

або , (4)

де S - активна площа антени

Підставляючи значення і, отримуємо

Для площині х0z (ДН містить тільки один головний пелюсток: і , А, тобто подальших нульових напрямів немає. У площині y0z значення кутів і величини бічних максимумів дані в наступній таблиці 1:

Таблиця 1

Таблиця 2

У площині х0z () значення кутів і величини бічних максимумів дана в наступній таблиці 2:

Таблиця 3

Таблиця 4

Як видно з таблиць, найбільший бічний максимум дорівнює 0,045, тобто становить 4,5%. Отже, вимоги завдання виконано, що забезпечено вибором форми антени, при якій амплітуда коливань зменшується від середини до краю.

2. Коливальна система перетворювача

За завданням, коливальна система перетворювача - полуволновой, тобто п'єзо-

керамічна поршнева пластина не навантажена накладками (мал. 5). Бічні розміри пластини великі в порівнянні з її товщиною. Електроди накладені на великі межі, перпендикулярні осі z.

Необхідні розрахункові формули дані в § 9.6 [1] і в посібнику [2].

Резонансна частота при поздовжньому п'єзоефекті визначається з рівняння

,

де - швидкість розповсюдження хвилі у пластині, виміряна при розімкнутих електродах.

Для подальших розрахунків потрібно знати конкретну п'єзоелектричний матеріал, марку п'єзокераміки.

3. Чутливість випромінювача

Ефективність випромінювача можна оцінити тиском P, яке він створює в точці, в напрямку головного максимуму при певному електричному напрузі U на вході. Така оцінка називається чутливістю випромінювача і визначається за формулою

, (6)

де r - відстань до точки вимірювання тиску. Якщо прийняти r = 1м і U = 1В, то величина.

Для визначення акустичного тиску скористаємося відомим співвідношенням між випромінюваної потужністю і тиском на осі

Допустима питома потужність випромінювання обмежується порогом кавітації, величина якого тим вище, чим менше тривалість імпульсу і більше гідростатичний тиск (заглиблення антени). При і [2]. Залежність від визначається формулою

За завданням, = 100м, отримуємо. З урахуванням тривалості можемо прийняти. Тоді, - Випромінювана площа антени.

З виразу (4) знаходимо звуковий тиск

Таким чином, чутливість випромінювача

Вибір активного матеріалу і розрахунок електричних параметрів

Основним призначенням даної антени є випромінювання акустичної енергії. Відомо, що при однаковій напруженості електричного поля найбільша потужність випромінювання буде у перетворювачів з п'єзокераміки складів ЦТБС-3, ЦТС-19 і ЦТСНВ-1 [1]. Отже, для отримання найбільшої питомої акустичної потужності при найменшої величини напруги доцільно використовувати зазначені активні матеріали. Зупинимося на ЦТБС-3, приведемо значення її постійних:

Товщину п'єзокерамічної пластини визначимо, приймаючи задану частоту 250 кГц за частоту резонансу, тому що антена випромінює, тоді

Статична електрична ємність пластини

,

де - площа електрода.

Еквівалентний опір електричних втрат

,

Ємнісний опір

Коефіцієнт електромеханічної трансформації

Опір електричних втрат на резонансі

Ємнісний опір на резонансній частоті

Акустична потужність випромінювання при резонансі

Тут - ККД, що враховує механічні втрати; приймаємо. Величина - активний опір випромінювання, відповідає чималим хвильовим розмірами пластини:

Частотна залежність акустичної потужності поблизу резонансу

,

де - механічна добротність

При такій високій добротності резонансна крива потужності представляється вельми вузькосмуговій: відносна ширина смуги і

Електричний імпеданс перетворювача утворений з опорів електричної частини і приведених до неї механічних:

.

На частоті механічного резонансу , Сума, так як

>> ;.

Імпеданс, Ом

Конструкція антени

Кабель 3 марки ПГЕШ-1.0 вклеюється в хвостовик корпусу 2, виконаного з латуні Л-63. Хвостовик корпусу разом з кабелем вулканізується гумою. Сировиною для вулканізації служить сира гума марки С-576. Текстолітовая шайба 5 і пінопласту обойма 4 склеюються клеєм К-153. У обойму з поліуретану вклеюється пьезокерамический перетворювач 1 з припаяними провідниками. Провід укладається в канал блоку, він припаяний до кабелю 3 та до перетворювача. Робочу поверхню перетворювача і частини твірного корпус 2 змащують клеєм. Потім здійснюється заливка компаундом

6. Вимірювання характеристики спрямованості (ХН)

Вимірювання характеристики спрямованості (ХН) випромінювачів і приймачів звуку є простою операцією, але вимагає виконання ряду умов для отримання правильних результатів.

Випробуваний перетворювач (випромінювач, приймач) повертається навколо осі, перпендикулярної площини в якій визначається ХН. Відстань між випромінювачем і приймачем слід вибирати так, щоб ХН повністю сформувалася, тобто не залежать від подальшого збільшення. Зазвичай користуються наближеною оцінкою цієї величини

0,161 м

де L - максимальний габаритний розмір перетворювача (антени).

Якщо за критерій взяти середню фазову помилку, то відносна похибка вимірювання спрямованості антени розміром L буде дорівнює

=

Відстань r за цим критерієм оцінюється нерівністю

Якщо ж випромінювання і прийом здійснюються випромінювачами заключних розмірів, то відстань r відповідає нерівності

Умови вимірів повинні відповідати вільному полю, щоб при кожному новому повороті реєструвався (вимірювався) тільки прямий сигнал, що поширюється від випромінювача до приймача.

Поворот системи виробляється електромеханічних приводом - двигуном і набором шестернею, забезпечують прийнятну частоту обертання, що визначається швидкістю фіксації сигналів, характером середовища і необхідною точністю структури ХН.

Для реєстрації ХН в полярних координатах використовують круглі бланки, що повертаються синхронно з поворотом випробуваного перетворювача.

Синхронізація руху паперу і обертання випробуваного перетворювача найкраще забезпечується сельсільной зв'язком: вісь сельсина - датчика механічно з'єднується з валом, безпосередньо обертає перетворювачем, а вісь сельсина - приймача - з віссю обертання бланка. Сельсіни забезпечують точність передачі кута порядку 0,5 °, що цілком достатньо для більшості акустичних вимірювань.

Висновок

Спроектовано випромінюючий перетворювач у вигляді п'єзокерамічного поршня у формі ромба. Така форма забезпечує малий рівень бічних максимумів (4,5%). Ефективність перетворювача достатня, завдяки застосуванню п'єзокерамічного матеріалу складу ЦТБС-3.

Вимоги завдання по спрямованості антени виконано з відповідним вибором розмірів (діагоналей) випромінюючої поверхні.

Список літератури

Свердлін Г.М. Прикладна гідроакустика. Л: Суднобудування, 1990

Свердлін Г.М. Гідроакустичні перетворювачі і антени Л.: Суднобудування, 1988.

Свердлін Г.М., Огурцов Ю.П. Розрахунок перетворювачів. Навчальний посібник. Л: ЛКІ, 1976.

Кобяков Ю.С. та ін Конструювання гідроакустичної рибопошуковою апаратури. Л: Суднобудування, 1986.

Колесніков А.Є. Акустичні вимірювання. Підручник для вузів. Л: Суднобудування, 1983.