Антенна излучающая
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 тАУ 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
R
(
)=
, (1)
где 
- длина диагонали, 
- длина волны в воде.
м
По заданию, в осевой диагональной плоскости угловая ширина главного лепестка на уровне 0,7 в плоскости х0z равна
, а в плоскости у0z 
.
Обозначим аргумент функции (1) через a, то есть 
. Получаем уравнение
, откуда
, (2)
Построим графики 
и 0,84
; корень уравнения 
находится в точке пересечения обоих графиков, которой соответствует значение 
. Следовательно 
, длина диагонали 
.
Для 
м.
Для 
м.
Проверка решения уравнения (2). Подставляем 
с очень малой погрешностью.
Таким образом, волновые размеры диагоналей равны 
и 
. Соответствующие выражения для характеристик направленности имеют вид 
, 
.
В формуле 
угол отчитывается от оси z, проходящей через точку пересечения диагоналей ромба, в плоскости x0z; в формуле 
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
, m=1,2,3... (3)
, 
, 
, 
и т.д.
Направления боковых максимумов (приближенно):
Þ 
; 
; 
и т.д.
Аналогично все повторяется для 
, формулы те же.
Коэффициент осевой концентрации, учитывая немалые размеры излучающей поверхности, рассчитывается по формуле
или 
, (4)
где S тАУ активная площадь антенны
Подставляя значения 
и , получаем
Для плоскости х0z (
ДН содержит только один главный лепесток: 
и 
, а 
, то есть последующих нулевых направлений нет. В плоскости y0z 
значения углов 
и величины боковых максимумов даны в следующей таблице 1:
Таблица 1
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
| 7,8 | 11,8 | 15,8 | 19,9 | 24,1 | 28,5 | 33,0 |
| 
| 
|  
| 
| 
| 
|
| 0 | 0,045 | 0 | 0,016 | 0 | 0,008 | 0 |
Таблица 2
, град. | 1 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 |
| 0,94 | 0,89 | 0,70 | 0,60 | 0,38 | 0,20 |
В плоскости х0z (
) значения углов 
и величины боковых максимумов дана в следующей таблице 2:
Таблица 3
Таблица 4
,град. | 5 | 10 | 15 | 20 |
| 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 тАУ 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.
Необходимые расчетные формулы даны в Вз9.6 [1] и в пособии [2].
Резонансная частота при продольном пьезоэффекте определяется из уравнения
,
где 
- 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
, (6)
где r тАУ расстояние до точки измерения давления. Если принять r=1м и U=1В, то величина 
.
Для определения акустического давления воспользуемся известным соотношением между излучаемой мощностью 
и давлением на оси
Допустимая удельная мощность излучения ограничивается порогом кавитации 
, величина которого тем выше, чем меньше длительность импульса 
и больше гидростатическое давление (заглубление 
антенны). При 
и 
[2]. Зависимость от определяется формулой
По заданию, =100м, получаем 
. С учетом длительности 
можем принять 
. Тогда 
, 
- излучаемая площадь антенны.
Из выражения (4) находим звуковое давление
Таким образом, чувствительность излучателя
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:
Толщину пьезокерамической пластины определим, принимая заданную частоту 250 кГц за частоту резонанса, так как антенна излучающая, тогда
Статическая электрическая емкость пластины
,
где 
- площадь электрода.
Эквивалентное сопротивление электрических потерь
,
Емкостное сопротивление
Коэффициент электромеханической трансформации
Сопротивление электрических потерь на резонансе
Емкостное сопротивление на резонансной частоте
Акустическая мощность излучения при резонансе
Здесь 
- КПД, учитывающий механические потери; принимаем 
. Величина 
- активное сопротивление излучения, соответствует немалым волновым размерам пластины: 
Частотная зависимость акустической мощности вблизи резонанса
,
где 
- механическая добротность
При такой высокой добротности резонансная кривая мощности представляется весьма узкополосной: относительная ширина полосы 
и 
Электрический импеданс преобразователя образован из сопротивлений электрической части и приведенных к ней механических:
.
На частоте механического резонанса 
, сумма 
, так как
>>
; 
.
Импеданс 
, 
Ом
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 
между излучателем и приемником следует выбирать так, чтобы ХН полностью сформировалась, то есть не зависят от дальнейшего увеличения . Обычно пользуются приближенной оценкой этой величины
0,161м
где L тАУ максимальный габаритный размер преобразователя (антенны).
Если за критерий взять среднюю фазовую ошибку, то относительная погрешность измерения 
направленности антенны размером L будет равна
=
Расстояние r по этому критерию оценивается неравенством
Если же излучение и прием осуществляются излучателями заключительных размеров, то расстояние r отвечает неравенству
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 тАУ 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 тАУ датчика механически соединяется с валом, непосредственно вращающим преобразователем, а ось сельсина тАУ приемника тАУ с осью вращения бланка. Сельсины обеспечивают точность передачи угла порядка 0,5В°, 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.
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.
Вместе с этим смотрят:
Aerospace industry in the Russian province
Airbus Industries
AVR микроконтроллер AT90S2333 фирмы Atmel
Bachelor
Cкремблирование и дескремблирование линейного сигнала