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



 sin( 2 sin  ) 
R 1 (  )= 
 , (1)


sin  
 2

2
где  - длина диагонали,  - длина волны в воде.

С
1500

 0,006 м
f 250 103
По заданию, в осевой диагональной плоскости угловая ширина главного лепестка на
уровне 0,7 в плоскости х0z равна 20,7  20 , а в плоскости у0z 20,7  5 .
Обозначим аргумент функции (1) через , то есть (
(
sin 

sin 


) sin    . Получаем уравнение
2
) 2  0,707 , откуда
 0,707  0,84 , (2)
Построим графики sin  и 0,84  ; корень уравнения sin   0,84 находится в точке
пересечения обоих графиков, которой соответствует значение   1 . Следовательно

2
sin  0,7  1 , длина диагонали  
.
  sin 0,7
2
Для 1 
2
2  0,006

 0,022 м.

  sin 10 3,14  0,17
Для  2 
2
 0,088 м.
  sin 2,5
Проверка
решения
уравнения
(2).
sin 1
 0,84
1
Подставляем
с
очень
малой
погрешностью.
Таким
2


образом,
волновые
размеры
диагоналей
равны
1


0,022
 3,67
0,006
и
0,088
 14,67 . Соответствующие выражения для характеристик направленности имеют
0,006
2
 sin( 14,67  sin  ) 
 sin( 3,67  sin  ) 
вид R1 ( )  
, R2 ( )  
 .

 3,67  sin  
 14,67  sin  
2
В формуле R1 ( ) угол  отчитывается от оси z, проходящей через точку пересечения
диагоналей ромба, в плоскости x0z; в формуле R2 ( ) 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
 1
sin  m  m , m=1,2,3...... (3)
2
sin  o 
2
4
6
8
, sin  2 
, sin  4 
, sin  6 
и т.д.
1
1
1
1
Направления боковых максимумов (приближенно):
 1
3
3 2
5 2
7 2
 sin 1  
; sin  3  
; sin  5  
и т.д.
sin 1 
2
2
2 1
2 1
2 1
Аналогично все повторяется для  2 , формулы те же.
Коэффициент осевой концентрации,
поверхности, рассчитывается по формуле
Ko 
4S

2
или K o 
2 1 2
2
учитывая
немалые
размеры
излучающей
, (4)
где S – активная площадь антенны
Подставляя значения  1 и  2 , получаем
Ko 
2  0,022  0,088
 338
0,0062
Для плоскости х0z (
1

 3,67)
ДН содержит только один главный лепесток:
sin o  0,54 и  o  33 , а sin  2  1,09 , то есть последующих нулевых направлений нет. В

плоскости y0z ( 2  14,67) значения углов o ,2 ,...,1 ,3 ,... и величины боковых максимумов

даны в следующей таблице 1:
Таблица 1

7,8
R1 ( o )
0

о
1
 2
11,8
R1 (1 )
0,045
Таблица 2
1
 , град.
0,94
R1 ( )
1
15,8
R1 ( 2 )
0
 3
19,9
R1  3 
0,016
2
0,89
2,5
0,70
24,1
R1 ( 4 )
0
 5
28,5
R1  5 
0,008
 6
33,0
R1 ( 6 )
0
3
0,60
4
0,38
5
0,20
 4
0,022
) значения углов  о ,1... и величины боковых максимумов
 0,006
дана в следующей таблице 2:
В плоскости х0z (

Таблица 3

32
R2 o 
0
Таблица 4
 ,град.
R2  
 2
1о
54
R2 1 
0,0055

о
5
0,91
10
0,71
90
R2 2 
0
15
0,44
20
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 пьезокерамическая 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
сtg
 p
2C D

2
2 K 33
CD
 p
,
где C D - 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
SU 
Pr
, (6)
U
где r – расстояние до точки измерения давления. Если принять r=1м и U=1В, то
величина SU  P .
Для определения акустического давления воспользуемся известным соотношением
между излучаемой мощностью Pa и давлением на оси
 P2 
Pa   o   4r 2
 ( c)в 
Допустимая удельная мощность излучения ограничивается порогом кавитации I доп ,
величина которого тем выше, чем меньше длительность импульса tи и больше
Вт
гидростатическое давление (заглубление h антенны). При tи  2 мс и I доп  15  16 2 [2].
см
Зависимость I доп от h определяется формулой
I доп  0,3(1  0,1h) 2
Вт
. С учетом длительности hи  0,5 мс
см 2
Вт
1
 36
. Тогда Pа  Pа. уд  S , S   1 2 - излучаемая площадь
2
см
2
По заданию, h =100м, получаем I доп  36
можем принять Pа. уд  I доп
антенны.
S  0,5  0,022  0,088  9,68  104 м2  9,68 см 2
Из выражения (4) находим звуковое давление
Pa  c в
36  9,68  1,5  106 1

  6,45  103 Па
2
2
4r
4  3,14  r
r
Po 
Таким образом, чувствительность излучателя
SU  6,45  103
Па  м
В
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:
кг D
Н
Кл
Кл S
; C33  16,4 1010 2 ; d 33  3,2 10 10
;  33  17,7 2 ;  33
 1280 o ; K 33  0,6;
3
м
м
Н
м
Ф
м
tg 33  0,03;  o  8,84 10 12 ; C3  4770 .
м
с
  7200
Толщину пьезокерамической пластины определим, принимая заданную частоту 250
кГц за частоту резонанса, так как антенна излучающая, тогда

С3D
4770

 0,0094 м  9 мм
2 f p 2  250  103
Статическая электрическая емкость пластины
Сo 
 33S  S эл

,
где Sэл  S - площадь электрода.
Co 
1280  8,84  1012  9,68  104
 12  1010Ф
0,009
Эквивалентное сопротивление электрических потерь
Rэ.п. 
1
,
Соtg 33
Rэ.п.  (2fCotg33 )1  (2f( кГц )  103  12 1010  0,03)1  0,44 107  f( кГц )
i
1
1
10
0,013 10
 i
 i

i
3
C o
2fCo
2f ( кГц ) 10 12
f ( кГц )
10
7
Емкостное
сопротивление
Коэффициент электромеханической трансформации
N
 33S 17,7  9,68  104
H

 18

0,009
B
Сопротивление электрических потерь на резонансе
Rэ.п. 
1
 0,017  107  0,17 MOм
2  250  10  12  1010  0,03
3
Емкостное сопротивление на резонансной частоте
  0,013  107 
i  5,2  102 i  520i
X c  
250


Акустическая мощность излучения при резонансе
Pa. p 
2
4 N 2aм
U2
( c)в S
Здесь  ам - КПД, учитывающий механические потери; принимаем ам  0,5 . Величина
( с)в S  rs - активное сопротивление излучения, соответствует немалым волновым размерам
пластины: 1  3,6;  2  14,6
Pa. p 
4  182  0,25
U 2  0,22U 2
1,5  106  9,68  10 4
Частотная зависимость акустической мощности вблизи резонанса
1

f 
Pa
f
 1  Q 2 (  p ) 2  ,
Pa. p 
fp
f 
где Q 
Q
 p aм
- механическая добротность
( с) в
2  250  103  72000  0,009  0,5
 34
1  1,5  106
При такой высокой добротности резонансная кривая мощности представляется весьма
f
1
220
узкополосной: относительная ширина полосы
 7 кГц .

 3,3% и f 
30
f p 30
Электрический импеданс преобразователя образован из сопротивлений электрической
части и приведенных к ней механических:
1
 1

x
C D S
1
r
( c)в S
.
Z 
 iCo 
;
R


;
X


м
м

Rм  iX м 
N 2 4 ам N 2
N2
N2
 Rэ.п
 1
1  1
 
На частоте механического резонанса ( f  f p ) X м  0 , сумма 
, так как

 Rэ.п Rм  Rм
1
4  0,25  182
Rэ.п >> Rм ;

 0,446 .
Rм 1,5  106  9,68  10 4
Импеданс Z p 
1
0,446 0,0017


i  2,24  0,0085i , Z p  2,24 Ом
0,446  0,0017i 0,4462 0,4462
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 r между излучателем
и приемником следует выбирать так, чтобы ХН полностью сформировалась, то есть не
зависят от дальнейшего увеличения r . Обычно пользуются приближенной оценкой этой
величины
2  0,022
r

 0,161м

0,006
2 L2
2
где L – максимальный габаритный размер преобразователя (антенны).
Если за критерий взять среднюю фазовую ошибку, то относительная погрешность
измерения  направленности антенны размером L будет равна
0,05 L4
0,05  0,022
 0,012
 2 2 =
r 
0,1612  0,0062
4
Расстояние r по этому критерию оценивается неравенством
r
0,22L2
 
r
0,22 L2 0,22  0,022

 0,161м
 
0,012  0,006
2
Если же излучение и прием осуществляются излучателями заключительных размеров,
то расстояние r отвечает неравенству
r
0,63L2
 
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.