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
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 – 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
|
|
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
|
|
|
|
| 32 | 54 | 90 |
|
|
|
|
| 0 | 0,0055 | 0 |
Таблица 4
|
|
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 – 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 §9.6 [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 –
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
