Приймальна антена приладу гідроакустичному зв`язку

Санкт-Петербурзький Державний

Морський Технічний Університет

Факультет морського приладобудування.

Кафедра 50

Пояснювальна записка до курсового проекту

ПРИЙМАЛЬНЯ АНТЕНА ПРИЛАДУ гідроакустичному зв'язку

група 53ІС1Т

Студент: Сьомін І.В.

Викладач: Огурцов Ю.П.

Санкт-Петербург

2005

Зміст

Введення

1. Розрахунок характеристик спрямованості і коефіцієнта осьової концентрації антени

2. Вибір та обгрунтування коливальної системи

3. Вибір активного матеріалу і визначення розмірів коливальної системи

4. Розрахунок електроакустичних параметрів на резонансній частоті

5. Розрахунок чутливості

6. Визначення товщини обтічника

7. Опис конструкції антени

8. Опис технології складання антени

9. Розрахунок ефективності антени

10. Опис методики вимірювання параметрів і характеристик антени: спрямованості

Висновок

Список літератури

Введення

Акустичні хвилі - єдиний вид випромінювання, здатний поширюватися у воді на великі відстані завдяки порівняно малому загасання. Використовуючи пристрої, в основу яких покладено принцип використання гідроакустичного поля, можна вирішити масу технічних завдань: вимірювання глибини, визначення рельєфу дна, безпека судноводіння, видобуток корисних копалин, комунікація у водному середовищі і багато іншого.

Для випромінювання і прийому акустичних хвиль у водному середовищі використовують тіла, поверхні яких здатні здійснювати акустичні коливання.

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

У цій роботі необхідно розрахувати і розробити конструкцію приймальні гідроакустичної антени для навігаційної системи. Носієм антени є підводний плавець, максимальна глибина занурення 50 метрів. Конструкція антени силова, за типом одиночний перетворювач з п'єзоелектричним типом перетворення. Коливальна система - стрижнева.

1 Розрахунок характеристик спрямованості і коефіцієнта осьової концентрації антени

Спрямованість антени представляє залежність ЕРС на виході (або чутливості) приймача від напрямку падаючої на його діафрагму плоскої хвилі.

Спрямованість антени можна розглядати як її здатність приймати звукову енергію в певному тілесному куті.

За вихідними даними відомо, що вид характеристики спрямованості - осі симетрична, отже робоча поверхня кругла і для розрахунку характеристики спрямованості будемо використовувати наступну формулу [1]:

Де:

J 1 - функція Бесселя;

λ - довжина хвилі у воді на частоті резонансу;

а - радіус діафрагми;

l = = = 0,004 м

за завданням:

c = 1500 м / с

f = 380 кГц

[3]

а = 0,138 м

Рис.1 Діаграма спрямованості антени при θ 0-90 °

Рис.2 Діаграма спрямованості антени при θ 0-2 °

Коефіцієнт осьової концентрації антени характеризує спрямовані властивості приймача при падінні на його діафрагму хвиль з усіх напрямків, наприклад від джерел перешкод. Ця величина, К0 показує у скільки разів менша енергія перешкод від рівномірно розподілених джерел в навколишньому просторі впливає на спрямований приймач, ніж на ненаправлений. Інакше, К0 оцінює ступінь придушення перешкод, тобто завадостійкість ГАП в режимі прийому.

Коефіцієнт осьової концентрації - відношення квадрата чутливості в максимальному напрямку до середнього квадрату чутливості у всіх напрямках.

К0 =

Де:

S - площа робочої поверхні випромінювача

= 0,00 4 м

К0 = 48160

2 Вибір та обгрунтування коливальної системи

За структурою коливальної системи гідроакустичні перетворювачі поділяються на групи: стрижневі, циліндричні, пластинчасті, сферичні.

Вид механічної коливальної системи перетворювача визначається головним чином робочою частотою гідроакустичного пристрою, складовою частиною якої є проектована антена:

• для частот до 2-3 кГц придатні пластинчасті і циліндричні перетворювачі, в яких використовується згинні коливання.

• для частот до 25-30 кГц використовують пульсуючі циліндричні перетворювачі.

• для частот вище 25-30 кГц - стрижневі перетворювачі.

У стрижневих системах застосовуються: вільний електромеханічний активний стрижень, стрижень з однією або двома накладками з неактивного (пасивного) матеріалу, в них порушуються поздовжні коливання по осі стрижня з певним розподілом амплітуд, при цьому коливання торців можна вважати поршневими. На високих частотах накладка не потрібна; на середніх - застосовується, як правило стрижень з одного накладкою; на низьких - стрижень з двома накладками.

Основним матеріалом для виготовлення ГАП є п'єзокераміка. Технологічність і хороші електромеханічні характеристики цього матеріалу дозволяє використовувати його в якості активного елементу перетворювача.

За завданням робоча частота дорівнює 380 кГц, задана стрижнева коливальна система; тип антени: одиночний перетворювач; принцип перетворення: п'єзоелектричний. Отже, раціонально використовувати п'єзоелектричний стрижень дискової форми.

3 Вибір активного матеріалу і визначення розмірів коливальної системи

В якості активних матеріалів ГАП сучасних антен, як правило застосовують пьезокерамику різних складів і сплавів і магнітострикційні метали і сплави. З параметрів, що характеризують роботу гідроакустичних перетворювачів у режимі прийому, найбільш важливими є наступні:

1. чутливість

2. характеристика спрямованості

3. коефіцієнт осьової концентрації

Ефективність здійснюваного приймачем акустико-електричного перетворення оцінюють чутливістю приймача.

У залежності від призначення п'єзокерамічні матеріали ділять на 4 класи. Матеріали I класу придатні для виробництва п'єзоелементів приймачів і випромінювачів малої та середньої потужності, сюди входять ЦТСНВ-1, ЦТС-19, ЦТБС-1. З матеріалів II класу виготовляють елементи, що працюють в сильних електричних полях і при великих механічних напругах і придатні для випромінювачів великої (ЦТСС-1, ЦТС-23) і середньої потужності (ЦТБС-3, ТБК-3, НБС-1). Матеріали III класу використовуються для виробництва п'єзоелементів з підвищеною стабільністю параметрів у часі і при зміні температури (ЦТС-22, НБС-3). Матеріали IV класу використовуються для виробництва високотемпературних п'єзоелементів, що володіють підвищеною стабільністю параметрів в заданому інтервалі температур і механічних напруг.

Отже, в якості активного матеріалу, вибирається такий матеріал, який володіє найбільшою чутливістю.

Виходячи з вимог щодо чутливості, а також меншої витрати активного матеріалу вибирається п'єзокераміка марки ЦТБС-3.

Матеріал марки ЦТБС-3 має наступні значення постійних [4]

У таблиці прийняті наступні позначення:

r - щільність; Ei - модуль пружності; з i - швидкість звуку; e / e 0 - відносна діелектрична проникність; ru - питомий електричний опір; s р - межа міцності при статичному розтягуванні; t к, - температура (точка) Кюрі; d - п'єзоелектричний модуль, k - коефіцієнт електромеханічної зв'язку.

Перетворювач стрижневого типу, який забезпечує задану відносну ширину смуги частот близько 5%.

За методичці [4], при поздовжньому п'єзоефекті основна електромеханічна частота:

де:

l - розмір стрижня в напрямку коливань

1) Довжина стержня:

Таблиця 1

2) Маса:

4 Розрахунок електроакустичних параметрів на резонансній частоті

П'єзоелектричний диск з використанням п'єзоефекту - подовжнього:

D = 2 * a = 0,276 м

Рис. 3

За навчальним посібником [4] умова електромеханічного резонансу при поздовжньому п'єзоефекті - для суцільного стержня:

де:

l - розмір стрижня в напрямку коливань

З умови при поздовжньому п'єзоефекті, виходить:

- Резонансний розмір перетворювача.

Коефіцієнт електромеханічної трансформації (КЕМТ). При поздовжньому п'єзоефекті:

Електромеханічна добротність:

де (З довідника [4])

Ширина смуги пропускання:

Ємність:

де:

Електричний імпеданс перетворювача:

при активний опір і імпеданс:

і

де:

активне електричний опір втрат

активне електричний опір механічне

де:

r - опір активне механічне,

де:

- - Безрозмірний коефіцієнт активного опору випромінювання,

- - Хвильовий опір води,

- - Акустико-механічний ККД перетворювача,

Отже, активний опір:

Електричний імпеданс:

Активна складова: 2,165 Ом

Реактивна складова: Ом

Електромеханічний ККД при резонансі

5 Розрахунок чутливості

Чутливість приймача при електромеханічному резонансі [4]:

де:

- Коефіцієнт електромеханічної трансформації:

-

- - Безрозмірний коефіцієнт активного опору випромінювання

- - Хвильовий опір води

-

де:

Отже:

6 Визначення товщини обтічника

Як обтічника антени виберемо звукопровідне гуму З-572, яка не створює додаткових перешкод для проходження звукової хвилі. Властивості та застосування гуми: маслостійке, електроізоляційні. Герметизація пьезоблоков, вводів, і з'єднань проводів та кабелів, ущільнювальні прокладки, діафрагми компенсаторів.

Даний вибір марки гуми зроблений на підставі того факту, що вона повністю задовольняє вимогам завдання, швидкість звуку в неї близька до швидкості звуку у воді, а її хвильовий опір близько до (r c) води і забезпечує майже повне проходження звуку з мінімальними втратами, якими можна знехтувати. Крім того, цю гуму можна використовувати на глибині до 400 метрів, що задовольняє умові вихідних даних, так як за завданням величина занурення 50 метрів.

Товщину гуми (d р) вибирається залежно від частоти. На частотах більше 100 кГц (d р) ³ 5 мм. Приймемо товщину гуми 10 мм з технологічним запасом.

, [2]

де

= 1591,74 - хвильове число

tp - коефіцієнт проходження хвилі

h - товщина обтічника

7 Опис конструкції антени

Антена з загальним контуром герметизації діляться на антени силовий і компенсованій конструкції. Контур герметизації антени силової конструкції повністю сприймає на себе зовнішнє гідростатичний тиск, і перетворювачі антени такої конструкції перебувають при одному і тому ж тиску незалежно від глибини занурення.

Перетворювач, що входить до складу проектованої антени, має силову конструкцію. Внутрішня порожнина перетворювача заповнена повітрям.

Конструкція антени зображена на складальному кресленні і (рис. 4), де:

1 - активний елемент;

2 - електроізоляційне підставу, акустично м'який екран - пориста гума марки 51-1415 (для глибин до 300 м);

3 - металеву основу;

4 - обтічник;

5 - захисна решітка;

6 - ущільнювальна трубка;

7 - гайка;

8 - кільця ущільнювальні;

9 - гвинти кріплення захисної решітки;

10 - шайба;

11. - Кабель з'єднувальний.

Коливальна система складається з п'єзокерамічного стержня.

У силових конструкціях (рис. 4) забортної гідростатичний тиск завдяки механічної трансформації викликає в активному елементі одностороннє напруга (стиснення), тому що внутрішній об'єм корпусу заповнений повітрям при нормальному атмосферному тиску.

Даний п'єзоелектричний перетворювач представляє собою полуволновой електромеханічний активний стрижень, тобто стрижневі систему з однієї прийомної накладкою, яка виконує герметизацію внутрішньої порожнини перетворювача (силовий конструкції), яку заповнюють повітрям або яким або інертним газом, наприклад елегазом (шестівторістой сірої). Газ, що заповнює внутрішню порожнину перетворювача, забезпечує хорошу акустичну екранівку інших елементів коливальної системи.

Рис. 4 Стрижневий пьезокерамический перетворювач

8 Опис технології складання антени

Перетворювач містить активний елемент у вигляді одиночного п'єзокерамічного перетворювача, виконаного з матеріалу ЦТС-19, бічні поверхні якого посріблені і є електродами.

Припаяні до електродів висновки приєднані до дроту. Зверху і знизу на кільце надіті електроізоляційні кришки, виконані з текстоліту. Провід протягнуто через отвори в кришці і підставі. Щоб вода не потрапила всередину перетворювача, передбачено герметизуюче кільце, виконане за допомогою вулканізації. Перетворювач з кришками прикріплюється до металевого підстави за допомогою чотирьох шпильок і гайок. Обтічник виготовляється за допомогою прес-форми, внутрішня поверхня якої забезпечує надійну форму обтічника. При виготовленні дуже важливо добитися однорідності обтічника і відсутності пухирців повітря в ньому.

При заповненні порожнини в прес-формі поліуретаном, останній міцно скріплюється з підставою і не вимагає склеювання. Повітря з прес-форми виходить за спеціальними канавках.

Для захисту антени від механічних пошкоджень до основи прикручується решітка, виконана з металевого дроту. У хвостовій частині металевої підстави є отвори для ущільнювальних кілець.

9 Розрахунок ефективності антени

Під ефективністю антени розуміється сукупність властивостей системи, що характеризують її робочі якості. Для розробляється антени найбільш важливою характеристикою є чутливість в режимі прийому. Чутливість була розрахована в п. 7 даної курсової роботи.

Приблизний термін експлуатації антени становить близько десяти років. І, звичайно ж, ремонт такої складної техніки обходиться далеко не дешево. Тому, при збірці антени потрібно прагнути до максимальної надійності системи.

10 Опис методики вимірювання спрямованості антени

У даному курсовому проекті були розраховані розміри та основні характеристики прийомної антени приладу гідроакустичної зв'язку.

Так як розміри антени відносно малі, то випробування її параметрів і характеристик доцільно проводити у випробувальному басейні. У подібних випробуваннях дуже важливо уникнути впливу на прийомну антену сигналів відбитих від стінок і дна басейну чи сигналів від сторонніх джерел шуму. Для цього використовуються спеціальні звукоізолюючі екрани, при цьому слід враховувати можливість появи дифракції.

Так як ефективна чутливість у режимі прийому антени

, То при вимірах у випробувальному басейні необхідно використовувати методи моделювання акустичних вимірювань, засновані на принципі динамічного подоби.

Вимірювальний гідроакустичний басейн являє собою залізний резервуар, встановлений за допомогою амортизаторів на бетонній подушці. Для звукозаглушения внутрішніх поверхонь басейну використовуються клинові звукозаглушающіе пристрою. Вони виконуються з гуми з повітряними порожнинами. Передбачається підйомно-опускні поворотні пристрої, що забезпечують установку перетворювача. Розмір басейну 10х5х5. [6]

У подібних випробуваннях дуже важливо уникнути впливу на антену сигналів відбитих від стінок і дна басейну чи сигналів від сторонніх джерел шуму, для цього використовуються спеціальні звукоізолюючі екрани, при цьому слід враховувати можливість появи дифракції, особливо при випробуванні низькочастотних перетворювачів.

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

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

м

Відстань r за цим критерієм оцінюється нерівністю

м

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 характеристики спрямованості. Для реєстрації характеристики спрямованості 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.

Необхідний імпендансний режим роботи щоб ​​страбіровать прийом тільки прямого сигналу. Тривалість пассилкі повинна бути такою, щоб накривав антену.

Висновок

У даному курсовому проекті була розроблена прийомної антени приладу гідроакустичної зв'язку. Дана антена володіє хорошою чутливістю при прийомі, характеристикою спрямованості і коефіцієнтом осьової концентрації.

Технічні характеристики:

• Діапазон робочої частоти 380 кГц;

• Смуга частот 7,427 кГц;

• Осе симетричний вид спрямованості;

• П'єзоелектричний принцип перетворення;

• Конструкція антени силова;

• Тип антени одиночний перетворювач;

• Стрижнева полуволновой коливальна система;

• Матеріал випромінювача п'єзокераміки ЦТБС-3;

• Носієм антени є підводний плавець.

• Чутливість у режимі прийому ;

У технології складання були прикладені всі зусилля, щоб система працювала ефективно, без збоїв, і прослужила довгий час.

Але недоліки все-таки існують. Найістотніше з них, який знижує ефективність антени, це те, що активний диск зроблений з складових частин. Звичайно, вплив також робить той факт, що терміни роботи даної антени будуть знижені через недосконалість матеріалів, які були використані при виготовленні, а також представників морської флори, які, з часом, будуть закріплюватися на її поверхні.

Але в цілому, дана антена відповідає всім вимогам і обіцяє виконувати свої функції ефективно, якісно і тривалий час.

Список літератури

1. Г.М. Свердлін «Прикладна гідроакустика»

   1. Видавництво «Суднобудування», 1990 рік.

2. Г.М. Свердлін «Прикладна гідроакустика», 1990 р.

3. Г.М. Свердлін «Гідроакустичні перетворювачі і антени», Видавництво «Суднобудування», 1987році.

4. Навчальний посібник «Розрахунок перетворювачів» Г.М. Свердлін, Ю.П. Огурцов. Видавництво ЛКІ, 1976 рік.

5. Підводні електроакустичні перетворювачі. Довідник.

   1. Видавництво «Суднобудування», 1983 рік.

6. А.Є. Колесников «Акустичні вимірювання» Видавництво «Суднобудування», 1983 рік.