Реферат: 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

RАнтенна излучающая(Антенна излучающая)=Антенна излучающая, (1) 

где Антенна излучающая- длина диагонали, Антенна излучающая- длина волны в воде.

Антенна излучающая м

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

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

Антенна излучающая , откуда

Антенна излучающая , (2) 

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

 

Антенна излучающая 

Для Антенна излучающаям.

Для Антенна излучающаям.

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

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

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

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

Антенна излучающая 

Нули в направлениях, определяемых из уравнений

Антенна излучающая, m=1,2,3...... (3)

Антенна излучающая , Антенна излучающая , Антенна излучающая , Антенна излучающая и т.д.

Направления боковых максимумов (приближенно):

Антенна излучающая Þ Антенна излучающая; Антенна излучающая; Антенна излучающая и т.д.

Аналогично все повторяется для Антенна излучающая, формулы те же.

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

Антенна излучающая или Антенна излучающая , (4)

где S – активная площадь антенны

Подставляя значения Антенна излучающая и Антенна излучающая, получаем

Антенна излучающая 

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

Таблица 1

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

7,8 11,8 15,8 19,9 24,1 28,5 33,0

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

Антенна излучающая Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

 Антенна излучающая

0 0,045 0 0,016 0 0,008 0

Таблица 2

 Антенна излучающая, град.

1 2 2,5 3 4 5

Антенна излучающая

0,94 0,89 0,70 0,60 0,38 0,20

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

Таблица 3

  Антенна излучающая

  Антенна излучающая

  Антенна излучающая

32 54 90

  Антенна излучающая

  Антенна излучающая

  Антенна излучающая

0 0,0055 0

Таблица 4

 Антенна излучающая,град.

5 10 15 20

 Антенна излучающая

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.

Антенна излучающая 

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

Резонансная частота при продольном пьезоэффекте определяется из уравнения

Антенна излучающая,

где Антенна излучающая- 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

Антенна излучающая, (6)

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

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

Антенна излучающая 

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

Антенна излучающая 

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

Антенна излучающаяАнтенна излучающая 

Из выражения (4) находим звуковое давление

Антенна излучающая 

Таким образом, чувствительность излучателя

Антенна излучающая

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:

Антенна излучающая 

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

Антенна излучающая 

Статическая электрическая емкость пластины

Антенна излучающаяАнтенна излучающая,

где Антенна излучающая- площадь электрода.

Антенна излучающая 

Эквивалентное сопротивление электрических потерь

Антенна излучающая ,

Антенна излучающая 

Емкостное сопротивление

Антенна излучающая
 

Коэффициент электромеханической трансформации

Антенна излучающаяАнтенна излучающаяАнтенна излучающая 

Сопротивление электрических потерь на резонансе

Антенна излучающая 

Емкостное сопротивление на резонансной частоте

Антенна излучающая 

Акустическая мощность излучения при резонансе

Антенна излучающая 

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

Антенна излучающая 

Частотная зависимость акустической мощности вблизи резонанса

Антенна излучающая,

где Антенна излучающая- механическая добротность

Антенна излучающая 

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

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

Антенна излучающая Антенна излучающая Антенна излучающая.

На частоте механического резонанса Антенна излучающая Антенна излучающая, сумма Антенна излучающая, так как

Антенна излучающая>>Антенна излучающая; Антенна излучающая.

Импеданс Антенна излучающая, Антенна излучающаяОм

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 Антенна излучающая между излучателем и приемником следует выбирать так, чтобы ХН полностью сформировалась, то есть не зависят от дальнейшего увеличения Антенна излучающая. Обычно пользуются приближенной оценкой этой величины

Антенна излучающая0,161м

где L – максимальный габаритный размер преобразователя (антенны).

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

Антенна излучающая=Антенна излучающая

Расстояние r по этому критерию оценивается неравенством

Антенна излучающая

Антенна излучающая 

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

Антенна излучающая 

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.