Расчет параметров линейной непрерывной акустической антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Акустические антенны

тема Расчет параметров линейной непрерывной акустической антенны

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

3. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ СООТНОШЕНИЙ

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЛНАА

5. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ЛНАА

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

гидроакустический антенна звук электрический

В значительной степени эффективность гидроакустических средств наблюдения, связи, навигации, управления и т.д. зависит от гидроакустических антенн - устройств, обеспечивающих пространственно избирательный прием или излучение звука в водной среде: преобразование звукового давления в электрический сигнал и наоборот - электрического сигнала в звуковое давление.

Поэтому очень важным, является правильный расчет акустического поля создаваемого гидроакустической антенной.

Пространственная избирательность интерференционных акустических антенн образуется вследствие интерференции (сложения гармонических сигналов, имеющих одинаковую частоту, но в общем случае различные амплитуды и фазы); во многих случаях существенное влияние на избирательность антенн оказывает и дифракция (искажение поля источника при наличии каких-либо неоднородностей, границ, тел и т.п.).

По способу создания пространственной избирательности антенны можно подразделять на интерференционные, фокусирующие, рупорные и параметрические.

Интерференционные антенны можно подразделять на непрерывные и дискретные. И непрерывные и дискретные антенны подразделяют по конфигурации геометрического образования, объединяющего активные элементы, на линейные, поверхностные и объемные.

По способу обработки принятых сигналов антенны можно подразделять на аддитивные (компенсированные, некомпенсированные, имеющие или не имеющие фазово-амплитудное распределение и т.д.), мультипликативные, самофокусирующиеся, адаптирующиеся, с синтезированной апертурой и др.

По режиму тракта, в котором работают гидроакустические антенны, их можно подразделить на антенны шумопеленгования, эхопеленгования, подводной связи, разведки, рыбопоисковых систем и многих различных средств и аппаратов специального назначения.

Конструктивные особенности акустических антенн различны. В первую очередь следует выделить антенны с общим для всех преобразователем контуром герметизации и антенны с раздельной герметизацией каждого преобразователя. Антенны с общим контуром герметизации делятся на антенны силовой и компенсированной конструкций. Антенны с раздельными контурами герметизации преобразователей делятся на антенны с плотной и разряженной постановкой преобразователей. Кроме того, по типу конструкции антенны можно подразделить на антенны имеющие собственную несущую конструкцию, и антенны, устанавливаемые на носитель поэлементно или поблочно.

По месту установки и условиям эксплуатации антенны делят на корабельные, стационарные, буксируемые, береговые, донные, вертолетных станций, радиогидроакустических буев, мин, торпед и т.д.

Акустические антенны бывают излучающими, приемными и обратимыми.

Антенны могут обеспечивать обзор некоторого сектора в пространстве путем механического поворота, введения фазового или временного распределения по элементам антенны или переключения рабочего участка. Иногда эти способы могут применятся совместно.

В настоящее время наибольшее распространение в гидроакустике получили интерференционные дискретные и непрерывные антенны.

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать параметры акустической антенны:

1. Тип АА - Линейная непрерывная акустическая антенна без амплитудного распределения чувствительности ;

2. Рабочая частота - 3000 Гц;

3. Скорость звука в рабочей среде - 1500 м/с Изначально в техническом задании ширина ХН была задана 3 . Однако в процессе вычислений было установлено, что при таком значении ширины ХН длина исследуемой антенны слишком велика и было принято решение изменить ТЗ, приняв ширину ХН равную 20;

4. Сектор обзора - =;

5. Ширина ХН - ;

6. Критерий - по ;

2. теоретические сведения

Линейный излучатель представляет собой антенну, один из волновых размеров которой значительно превышает другие, и направленность антенны определяется именно этим размером. В простейшем случае представляют собой тонкий металлический проводник, по которому протекает переменный во времени электрический ток, или узкую щель в металлическом экране, между краями которой приложено переменное напряжение. Линейную антенну можно рассматривать как совокупность дискретных (отдельных) или непрерывных источников, расположенных вдоль линии, например отрезка прямой, дуги, окружности, эллипса. К линейным антеннам относят не только прямолинейные, но также искривленные или изогнутые проводники и щели, если их поперечные размеры много меньше длины волны. В более широком смысле к линейным можно отнести некоторые типы антенн, поперечные размеры которых сравнимы с длиной волны (например, утолщенные вибраторные, спиральные, диэлектрические стержневые).

3. Аналитический Обзор основных соотношений

Целью курсового проекта является синтезировать линейную непрерывную акустическую антенну без амплитудного распределения согласно техническому заданию.

Характеристика направленности.

Представим линейный излучатель виде плотно заполненного точечными источниками отрезка прямой длиной l, расположенного по оси х (Рис. 1)

Рис. 1. Положение линейной антенны в виде отрезка в пространстве

Амплитудное распределение равномерно, фазовое обеспечивает компенсацию в направлении .

Давление, развиваемое такой антенной в дальнем поле, определяется выражением

, (1.1)

где - характеристика направленности, равная

, (1.2)

Где

; (1.3)

и - текущий угол и угол компенсации, отсчитываемые от плоскости хОу (т.е. дополнительные к углам и ).

Вид и характерные особенности функции ясны с Рис. 2, на котором изображены сомножители и и их произведение . В точке функция обращается в единицу.

Рис. 2 Функция и ее отдельные сомножители

Основные свойства функции и характеристики направленности антенны в виде отрезка.

1. Функция обращается в нуль при всех , где - любое целое число, за исключением . Таким образом, нуль характеристики направленности отрезка, имеющий порядковый номер , имеет место при угле , определяемом из выражения , т. е.

(1.4)

2. Функция = 0,707 при , поэтому значения углов, соответствующих уровню характеристики направленности 0,7, определяется выражением (1.5):

(1.5)

где знак плюс соответствует , большему , а минус - значению , меньшему .

3. Добавочные максимумы функции имеют знак , где - номер добавочного максимума, абсолютные значения добавочных максимумов монотонно убывают в соответствии с законом и первые максимумы имеют величину: -0,22; 0,13; -0,09; 0,07;-0,06; 0.05. Располагаются добавочные максимумы примерно посредине между соседними нулями.

4. При , т. е. в отсутствие компенсации, при изменении от 0 до 90 величина меняется от 0 до , и поэтому число нулей характеристики направленности в первом квадранте равно целой части отношения .

5. При число добавочных максимумов характеристики направленности в первом квадранте равно целой части отношения без единицы.

6. Направление боковых максимумов с допустимой погрешностью в 15%:

, (1.6)

где m=1,2,3…

7. Острота направленного действия.

Рис. 3. Острота направленного действия

- направление компенсации

- острота направленного действия - расстояние, измеряемое в градусах между соседними первыми нулями направления компенсации.



1. Ширина основного лепестка характеристики направленности.

Рис.4. Ширина основного лепестка ХН

,

где

Ширина основного лепестка:

 (1.7)

4. Расчет параметров ЛНАА

Для того что бы синтезировать линейную непрерывную акустическую антенну, для начала нужно определить её геометрические размеры: согласно уравнению (1.5) мы можем определить длину ЛНАА

, (1.8)

Однако стоит учитывать и сектор обзора, который равен и заданную ширину ХН равную . Так как нужно покрыть весь сектор обзора и при этом не выйти за его пределы, во избежание ложности пеленга, расчет углов компенсации будет производиться с максимального значения угла в секторе обзора, а именно

Выбираем максимальные значения и подставляем в (1.8):

(м),

где (м)

Для удобства подсчета углов и построения характеристики направленности антенны была создана программа с среде Matlab R2007a, ниже приведена программа для расчета нужных нам параметров:

% -------------------------------------------------------------

f=3000;

c=1500;

a=c/f;

Teta0=90*pi/180;

DT=20*pi/360;

Tetak0=Teta0-DT;

L=1.391557*a/(pi*(sin(Teta0)-sin(Tetak0)));

i=1;

tetta=0:pi/180:2*pi;

while Teta0>=-60.0*pi/180

Tetak(i)=(asin(sin(Teta0)-1.391557*a/(pi*L)))*180/pi;

deltafi(i)=2*pi*sin(Tetak(i)*pi/180);

DT=(Teta0-Tetak(i)*pi/180);

Teta0=Tetak(i)*pi/180-DT;

R0(i,:)=abs(sin(pi*(L/a)*(sin(tetta)-sin(Tetak(i)*pi/180)))./(pi*(L/a)*(sin(tetta)-sin(Tetak(i)*pi/180))));

polar(tetta,R0(i,:),'r');hold on; grid on

i=1+i;

end

hold off

k=1:i-1;

tettak(k)=Tetak(k)

fazzad(k)=deltafi(k)

nyu=0.08;

u=1;

amin(k)=asin(sin(Tetak(u)*pi/180)-k*(a/L))*180/pi

amin1(k)=asin(sin(Tetak(u)*pi/180)+k*(a/L))*180/pi

ond=asin(sin(Tetak(u)*pi/180)+(a/L))*180/pi

ond1=asin(sin(Tetak(u)*pi/180)-(a/L))*180/pi

od=abs(ond-ond1)

finyu1=(0.78*sqrt(nyu)*a/(L*cos(Tetak(u))))*180/pi

R0(u,:)=abs(sin(pi*(L/a)*(sin(tetta)-sin(Tetak(u)*pi/180)))./(pi*(L/a)*(sin(tetta)-sin(Tetak(u)*pi/180))));

figure

plot(0:360,R0(u,:))

hold on; grid on

a/L;

j=i-1

i=1;

% -------------------------------------------------------------

График характеристики направленности:

Для размер антенны L= 14.578 м, 61 угол компенсации:

8067.593163.187259.430656.080253.01550.16447.480944.933542.498440.157637.897335.706533.575931.498129.466727.476425.522223.600321.706919.838817.99316.16714.358212.564410.78369.01377.25295.49933.75142.00740.2656-1.4755-3.2176-4.9623-6.7112-8.466-10.2284-12.0001-13.7832-15.5795-17.3911-19.2203-21.0696-22.9415-24.8391-26.7654-28.7242-30.7195-32.7559-34.839-36.9747-39.1707-41.4357-43.7804-46.2182-48.766-51.4459-54.2872-57.3314-60.6395

В линейной непрерывной акустической антенне отсутствуют дополнительные единичные максимумы ХН.

На Рис.5,6,7,8 приведем графики ХН в декартовой системе координат для наиболее показательных углов компенсации полученных расчетным путем:

1) ширина ХН

Рис. 5. ХН при

2)



Рис. 6. ХН при

Рис. 7. ХН при



Рис. 8. ХН при

4) Приведем график сшивания ХН по уровню 0,7 для двух углов компенсации в пределе заданного сектора обзора:

Рис.8. ХН при

Проанализировав полученные графики приходим к выводу, что при уменьшении угла компенсации ширина ХН сужается, из чего следует, что для обеспечения пеленга в заданном секторе обзора расчет углов компенсации необходимо начинать с границ сектора обзора. В данном случае первый угол компенсации равен 90.

Количество нулей находится, как целая часть отношения , следовательно углов.

Направления нулей занесены в Табл. 1:

(108.0)71.898966.378461.87457.953254.421351.170848.135145.269342.541539.928137.41134.975832.610930.30728.056125.851323.686921.557919.459617.388215.3413.311711.30029.30287.31675.33943.36851.4015

Рис. 9. Нули ХН

Острота направленного действия рассчитывается согласно п. 7.

Рассмотрим случай 1, когда (см. рис.9).

Расчет производится согласно данным, полученным с программы:

	71.8989	66.3784

Посчитаем разницу

В данном случае ОНД равно 5,53 градуса.

Рассмотрим второй случай когда , изобразим графически:

Рис. 10. Нули ХН при

Табл. 4

	1.4015	-0.5637

Проанализировав полученные результаты, можно сказать, что при ХН более остронаправлена.

Угол, в пределах которого изменение пеленга не определяется

Рассмотрим случаи при:

1. ,

Рис. 11. ^для

Аналогично:

2. ,

3. ,

Пересчет характеристик антенны не производится по причине возможности конструирования фронтальной накладки для набора преобразователей рассчитанного размера.

5. описание конструкции ЛНАА

Рис. 12. Типичная ЛНАА

На Рис. 12 изображена типичная конструкция линейной непрерывной акустической антенны. Детально данный тип антенн состоит из:

1. Тыльная накладка, которая выполняет функцию демпфера, повышая при этом КПД излучения. Выполняется обычно из твердых металлических сплавов.

2. В качестве активных материалов ГАП современных антенн применяют главным образом пьезокерамику различных составов и в значительно меньшей степени магнитострикционные металлы и сплавы. Свойства активных материалов во многом определяют параметры и характеристики ГАП, их конструкцию, условия эксплуатации, стабильность работы..

3. Излучающая накладка изготавливается из сплавов АМг или титановых сплавов, для эффективного излучения пьезоэлементами и соблюдает непрерывность излучения всеми активными элементами по апертуре антенны.

Выбирая конструкцию антенны, стоит учитывать некоторые нюансы.

Взаимодействие по полю между элементами приводит к изменению их импедансов и рассогласованию с узлами электрической цепи (усилителями, генераторами), к искажению ДН преобразователей. Для ослабления этого взаимодействия волновые размеры рабочих поверхностей преобразователей следует выбирать по возможности большими или промежуток между соседними элементами принимать не менее . Вместе с тем делать промежуток более 0,7 не рекомендуется, так как получается большой фазовый шаг, искажается ДН или уменьшается угол компенсации, то есть уменьшается сектор обзора.

В данном типе антенны выбираем материал активного элемента ЦТС-19. ЦТС-19 - пьезокерамика 1 класса, пригодна для производства пьезоэлементов приемников и излучателей малой и средней мощности. Размер одного активного элемента будет выбираться из соображений геометрических размеров антенны и типоразмеров пьезокерамик. Типоразмеры выбираются из ряда производимы пьезокерамических заготовок компании "Аврора-ЭЛМА".

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1. Пьезоэлементы, изготовленные из пьезокерамического поликристаллического материала, обладают физическими свойствами преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Пьезокерамические материалы могут использоваться для изготовления изделий различных форм и размеров для использования в различных устройствах.

2. Пьезоэлементы могут быть изготовлены из пьезокерамических материалов ЦТС-19, ЦТСНВ-1, ЦТБС-3, ЦТССт-3, ЦТСтБС-1, ПКВ-460 в соответствии с требованиями ОДО.339.190 ТУ по рабочей конструкторской и технологической документации.

3. Общий вид, габаритные и установочные размеры должны соответствовать чертежам.

4. Внешний вид пьезоэлементов должен соответствовать образцам внешнего вида, утвержденным в установленном порядке.

5. Толщина покрытия пьезоэлемента должна соответствовать требованиям чертежа.

6. Прочность сцепления электрода с керамикой должна быть не менее 4,9*10⁶ Па.

7. Полярность пьезоэлемента должна соответствовать чертежу.

8. Электрофизические параметры пьезоэлементов при приемке и поставке должны соответствовать требованиям приведенным в таблице № 4.

9. Правила приемки и методы контроля пьезоэлементов согласно ОДО.339.190 ТУ.

1.2 ЦИЛИНДР (МАТЕРИАЛ ЦТС-19; ПКВ-460)

№ п/п	Чертеж №	Геометрические размеры, мм	Материал	Материал Электрода	Соответствие ТУ	Вес пьезоэлемента г	Примечание
		Dh12	dH12	Hh12
1	2	3	5	7	6	8	1
		74,0	66,0	20,0	ЦТС-19	-//-	-//-	130,19

Так как диаметр активного элемента составляет 74 мм, а длинна апертуры антенны 14.57 м, и стоит помнить о расстоянии между элементами в 11 мм, то данная антенна будет содержать 171 элемент.

Параметры излучающей накладки должны соответствовать условию линейных непрерывных антенн, а именно один размер вдвое и более раз больше других. То есть, длинна пластины будет равна длине нашей антенны ширина на 11мм больше диаметра активного элемента, так как излучение должно быть равномерным по всей апертуре антенны

Тыльная накладка выбрана с диаметром, равным диаметру активного элемента.

ВЫВОды

В итоге выполнения курсового проекта была синтезирована линейная непрерывная антенна с равномерным амплитудным распределением по апертуре антенны согласно техническому заданию. Для того, что бы веер ХН данной антенны, состоящий из 61 ХН, покрывал заданный сектор обзора , были рассчитаны углы компенсации, которые имели точку отсчета от поскольку раскрыв ХН уменьшается с уменьшением угла компенсации, для того что бы четко покрыть заданный сектор обзора по уровню 0,7. Также были просчитаны направления минимумов ХН. Согласно полученной ХН, первые добавочные максимумы имеют величину: -0,22; 0,13; -0,09; 0,07;-0,06; 0.05 и располагаются примерно посредине между соседними нулями, что соответствует теоретическим значениям;

Посчитана острота направленного действия при и . Данный расчет показал, что ХН более остронаправлена при малом угле компенсации.

Подобран и рассмотрен критерий . Полученные данные показали, что изменение пеленга поисходит уже при смещении наблюдаемого объекта на градуса

В конструкции в качестве активного элемента будет использована пьезокерамика ЦТС-19.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коржик А.В. Акустические Антенны. Конспект лекций.- К.: НТУУ «КПИ», 2011 г.

2. Смарышев Д.М. Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. -Л.: Судостроение, 2008г, 106 с.

3. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика, . -Л.: Судостроение, 1990 г.

4. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны: Учебник.-2-е изд., перераб. И доп. -Л.: Судостроение, 2008.-200 с.

5. Евтютов А.П. Митько В. Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. -Л.: Судостроение, 2012

6. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. Под редакцией профессора Воскресенского Д.И. Учебное пособие для вузов. М. Изд-во «Советское радио», 2011, стр. 320.

Размещено на Allbest.ru

...