42940

Расчет параметров плоской непрерывной акустической антенны

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Выбор конструкции антенны. Излучение или прием звука осуществляется при совместной работе антенны с передающим в режиме излучения или приемным в режиме приема трактом. Акустическая антенна обычно состоит из электроакустических преобразователей элементов антенны акустических экранов несущей конструкции акустических развязок амортизаторов и линий электрокоммуникаций.

Русский

2013-11-01

474.23 KB

9 чел.

Национальный технический университет Украины

“Киевский политехнический институт”

Кафедра акустики и акустоэлектроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Акустические антенны

тема Расчет параметров плоской непрерывной акустической антенны 

Руководитель: Моргун И.О.                        Выполнил: Шудря А.В.

Допущен к защите                                               студент  5-го  курса

“_____”___________ 2008г                               группы   ДГ-42

Защищено с оценкой                                            зачётная книжка

_______________________                                № ДГ-4224

2008

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

    2

ДГ42.2008.14 ПЗ

Разраб.

Шудря

Провер.

Моргун И.О.          

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Моргун И.О Ю.В

         

Плоская непрерывная акустическая антенна

Лит.

Листов

21

НТУУ КПИ ФЭЛ гр.ДГ-42

СОДЕРЖАНИЕ

1.

Введение………………………………………………………………….

3

2.

Техническое задание…………………………………………………….

5

3.

Теоретические сведения…………………………………………………

6

4.

Основные соотношения…………………………………………………

7

5.

Расчет параметров………………………………………………………

10

6.

Выбор конструкции антенны…………………………………………..

17

7.

Заключение………………………………………………………………

19

8.

Список литературы………………………………………………..........

20

9.

Приложение

10.

Спецификация

11.

Сборочный чертеж

ВВЕДЕНИЕ.

Акустической антенной называют устройство, обеспечивающее пространственно избирательное излучение или прием звука в рабочей среде. Излучение или прием звука осуществляется при совместной работе антенны с передающим (в режиме излучения) или приемным (в режиме приема) трактом. Акустическая антенна обычно состоит из электроакустических преобразователей (элементов антенны), акустических экранов, несущей конструкции, акустических развязок, амортизаторов и линий электрокоммуникаций.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

ДГ42.2008.14 ПЗ

 

Пространственная избирательность 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 дискретны. 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.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 4

ДГ42.2008.14 ПЗ

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 5

ДГ42.2008.14 ПЗ

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Рассчитать параметры акустической антенны:

  1.  Тип АА – Плоская непрерывная акустическая антенна без амплитудного распределения чувствительности(квадрат или прямоугольник);
  2.  Рабочая частота – 5000 Гц;
  3.  Скорость звука в рабочей среде – 1500 м/с;
  4.  Сектор обзора - =;
  5.  Ширина ХН - , ;
  6.  Критерий - по , ;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

ДГ42.2008.14 ПЗ

 

теоретические сведения

Плоский излучатель представляет собой антенну, один из волновых размеров которой значительно меньше двух других. Непрерывные антенны состоят из одного или нескольких преобразователей, образующих общую колеблющуюся поверхность. Поверхность таких антенн возбуждается синфазно, а амплитуда колебаний поверхности может быть и неравномерной. Диаграмма направленности таких антенн имеет только малые боковые лепестки и главный лепесток. Плоская непрерывная акустическая антенна имеет 2 характеристики направленности(ХН) [2].

Аналитический Обзор основных соотношений

Целью курсового проекта является рассчитать плоскую непрерывную акустическую антенну без амплитудного распределения излученности в соответствии с техническим заданием и сделать её эскизный чертеж. Характеристика направленности.

Представим антенну в виде плотно заполненного точечными источниками плоскостью длиной L на D, расположенной по осям х и у (Рис. 1)

Рис. 1. Положение плоской антенны в пространстве

Амплитудное распределение равномерно, фазовое обеспечивает компенсацию в направлении . В плоскостях хОz и yOz характеристика направленности находится по формуле по этому l=L=D :

 , (1.1)

где

 ; (1.2)

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

ДГ42.2008.14 ПЗ

 

В точке функция обращается в единицу [3].

Основные свойства функции и характеристики направленности антенны.

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.

  (1.3)

2. Функция 0,707 при , поэтому значения углов,

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

ДГ42.2008.14 ПЗ

соответствующих уровню характеристики направленности 0,7, определяется выражением (1.5):

  (1.4)

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 [1].

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. Острота направленного действия.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

ДГ42.2008.14 ПЗ

Рис. 2. Острота направленного действия

- направление компенсации

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

ДГ42.2008.14 ПЗ

Расчет параметров ПНАА

Для того что бы синтезировать плоскую непрерывную акустическую антенну, для начала нужно определить её геометрические размеры:

согласно уравнению (1.4) мы можем определить размеры ПНАА

 , (1.5)

но стоит учитывать и сектор обзора, который равен и заданную ширину ХН равную и в соответствующих плоскостях. Так как нужно покрыть весь сектор обзора и при этом не выйти за пределы раскрыва ХН, во избежание ложности пеленга, отсчет углов компенсации будет производиться с крайних значений сектора обзора, а именно ,

Для упрощения расчетов и построений диаграмм направленности в среде Matlab (версия 7.7) была написана программа, текст которой приведен ниже

close all

clear workspace

f=5000;

c=1500;

a=c/f;

Teta0=90*pi/180;

DT=14*pi/360;

Tetak0=Teta0-DT;

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

i=1;

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

while Teta0>=-30*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

%finyu=Tetak(u)+asin(0.7014*a/(L*pi)+sin(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

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

   

a/L;

j=i-1

i=1;

L

L/a

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

ДГ42.2008.14 ПЗ

Рис3. Диаграммы направленности в заданных плоскостях

Для размер антенны L=2,835 м, 15 углов компенсации;

Для размер антенны D=1,972 м, 10 углов компенсации.

Углы компенсации для покрытия сектора обзора:

 

55

45,986

38,455

31,723

25,493

19,601

13,938

8,4275

3,0083

-2,3717

-7,761

-13,21

-18,766

-24,5

-30,49

Получаемый сектор обзора , что отличается от задания менее чем на 10%, что допустимо.

 

53

40,689

30,769

21,931

13,69

5,7812

-1,978

-9,738

-17,65

-25,876


Получаемый сектор обзора , что отличается от задания менее чем на 10%, что допустимо.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

ДГ42.2008.14 ПЗ

В плоской непрерывной акустической антенне отсутствую дополнительные единичные максимумы ХН.

Рассчитаем направления минимумов, остроту направленного действия для углов компенсации (расчет проводится в Matlabe),,

67,66

45,507

37,41

30,112

23,32

16,861

10,616

4,4966

-1,571

-7,6571

-13,83

-20,18

-26,789

-33,82

 

 

71,95

40,278

29,627

20,012

10,957

2,174

-6,558

-15,45

-24,74

-34,794

                                                               

Рис4. Диаграммы направленности для угла компенсациис раскрывомисоответственно

-34,784

-27,69

-21

-14,66

-8,465

3,695

9,803

16,027

22,45

29,191

36,409

44,38

53,6

65,646

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

ДГ42.2008.14 ПЗ

61,44

46,568

35,033

24,96

15,7

6,7551

-10,76

-19,8

-29,4

-40,022

Рис5. Диаграммы направленности для угла компенсациис раскрывомисоответственно

-37,82

-23,674

-17,2

-10,9

-4,822

1,2468

7,33

13,5

19,83

26,43

33,427

41,048

49,69

60,3

-36,06

-16,516

-7,594

1,1454

9,9117

18,921

28,451

38,943

51,324

68,88

Рис6. Диаграммы направленности для угла компенсациис раскрывомисоответственно

Случай когда не рассматривается в связи с тем что он не входит в сектор обзора.

Анализируя эти данные, можно сказать что ширина ХН с уменьшением угла компенсации сужается, потому для обеспечения пеленга в заданном секторе обзора, расчет углов компенсации нужно начинать с крайних углов по сектору обзора, то есть в данном случаем первый угол компенсации брался равным ,соответственно.

Из полученных результатов, можно сказать, что при углах близких к ХН более остронаправленная.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

ДГ42.2008.14 ПЗ

Угол, в пределах которого изменение пеленга не определяется

Рассмотрим случаи при:

  1.  При ,

 

  1.  При ,

  1.  

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

ДГ42.2008.14 ПЗ

При ,

4) При ,

5) При ,

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

Д ДГ42.2008.14 ПЗ

Г31.2007.14 ПЗ

6) При ,

 

Дальнейшее рассмотрение углов компенсации является бессмысленным, так как были рассмотрены граничные варианты.

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

описание конструкции ПНАА

Рис. 7. ПНАА

На Рис. 7 изображена типичная конструкция плоской 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.

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

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

ДГ42.2008.14 ПЗ

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

18

ДГ42.2008.14 ПЗ

фазовый шаг, искажается ДН или уменьшается угол компенсации, то есть уменьшается сектор обзора.

Пересчет параметров антенны в связи с подбором излучателей не нужен, так как передняя накладка для непрерывной антенны может быть изготовлена требуемого размера.

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.

ДИСК (МАТЕРИАЛ ЦТС-19; ЦТСТБС-1; ПКВ-460)

Геометрические размеры, мм

Матеріал

 

Материал

электрода

Соответствие ТУ

Масса

г

Dh12

Hh12

3

4

5

6

7

50,0

1,8

АТС-19

Вж ср 5-15

ОДО339.190ТУ

26,14

Так как диаметр активного элемента составляет 50 мм, а длинна апертуры антенны 2,835м на 1,972м, и стоит помнить о расстоянии между элементами в 15 мм, то в данную антенну будет входить 12 элементов.

Параметры излучающей накладки должны соответствовать условию плоских непрерывных антенн, а именно два размера в двое и более раз больше третьего.

Тыльная накладка будет диаметром равным диаметру активного элемента.

ВЫВОды

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

19

ДГ42.2008.14 ПЗ

В данном курсовом проекте была синтезирована плоская непрерывная антенна с равномерным амплитудным распределением по апертуре антенны согласно техническому заданию. Для того, что бы веер ХН данной антенны, который равен 15 ХН в одной плоскости и 10 ХН в другой, покрывал заданный сектор обзора, были рассчитаны углы компенсации, которые имели точку отсчета от (так как с уменьшением угла компенсации – уменьшается раскрыв ХН), для того что бы покрыть заданный сектор обзора по уровню 0,7. Были просчитаны и построены направления минимумов ХН; первые максимумы имеют величину: -0,22; 0,13; -0,09; 0,07;-0,06; 0.05 и располагаются добавочные максимумы примерно посредине между соседними нулями; острота направленного действия; углы, в пределах которого изменение пеленга не определяется для крайних и центральных углов

Данный расчет показал, что при малом угле компенсации, ХН более остронаправлена.

Подобран и рассмотрен критерий . Полученные данные показали что изменение пеленга поиcходить уже при смещении наблюдаемого объекта на градуса в одной плоскости и в другой.

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

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

20

ДГ42.2008.14 ПЗ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коржик А.В. Акустические Антенны. Конспект лекций.- К.: НТУУ «КПИ», 2007 г.

2. Смарышев Д.М. Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Справочник. –Л.: Судостроение, 1948г, 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, 1988.-200 с.

5. Евтютов А.П. Митько В. Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. –Л.: Судостроение, 1980

Поз.

обозн.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

24

ДГ42.2008.14 ПЗ

Разраб.

Шудря А.В.

Провер.

Моргун И.О.

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Моргун И.О.

            

       СПЕЦИФИКАЦИЯ

Лит.

Листов

24

НТУУ“КПИ”ФЭЛ гр.ДГ-42

Наименование

Примечание

Кол.

Конденсаторы


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

6851. Механіка. Методичні рекомендації до лабораторних робіт 310.5 KB
  Лабораторні роботи Згідно з навчальною програмою дисципліни Механіка передбачені такі лабораторні роботи: Лабораторна робота № 1. Визначення розрахунковими та експериментальними методами масових та інерційних характеристик елементів М ПЕА. Лаб...
6852. Операційна система Microsoft Windows 7. Робота з файлами, папками, ярликами. Програма Провідник. Налаштування робочого середовища операційної системи Windows 2.53 MB
  Операційна система Microsoft Windows 7. Робота з файлами, папками, ярликами. Програма Провідник. Налаштування робочого середовища операційної системи Windows. Мета: Формувати практичні вміння та навички роботи з інтерфейсом, файлами та довідкою опер...
6853. Антивирусная защита компьютерных систем 4.33 MB
  Антивирусная защита компьютерных систем. Установка и предварительная настройка Антивируса Касперского Сценарий. Основа антивирусной защиты компьютера - это использование надежной антивирусной программы. Антивирусные программы бывают разные...
6854. Изучение методов проведения анализа частотных характеристик в системе Micro-Cap 49 KB
  Изучение методов проведения анализа частотных характеристик в системе Micro-Cap Цель работы: изучить методы работы с диалоговым окном задания параметров моделирования в режиме анализа частотных характеристик (AC Analysis Limits)...
6855. Сложение чисел в компьютерах с фиксированной запятой 80 KB
  Сложение чисел в компьютерах с фиксированной запятой В лабораторном задании даны числа. Для получения отображений чисел в памяти компьютера потребуется - 7 разрядов для целой части числа...
6856. Визначення інерційних параметрів ланок методом фізичного маятника 63 KB
  Визначення інерційних параметрів ланок методом фізичного маятника Мета роботи: визначення координат центра мас ланки визначення момента інерції ланки. Розрахункові методи визначення інерційних параметрів ланок...
6857. Визначення коефіцієнтів тертя ковзання 87 KB
  Визначення коефіцієнтів тертя ковзання Мета роботи Метою є експериментальне визначення коефіцієнтів тертя ковзання у тертєвих парах з різних конструкційних матеріалів. Використовується метод В.О. Желіговського (нахиленої лінійки), що дає можли...
6858. Определение коэффициентов трения скольжения 66 KB
  Определение коэффициентов трения скольжения Цель работы Цель - экспериментальное определение коэффициентов трения скольжения в трущихся парах из разных конструкционных материалов. Используется метод В.A. Желиговского (наклонной линей...
6859. Визначення геометричних параметрів зубчатих коліс 84 KB
  Визначення геометричних параметрів зубчатих коліс Ціль роботи: засвоєння методики розрахунку геометричних параметрів евольвентних зубчатих передач визначення геометричних параметрів (розшифровка) евольвентних зубчатих коліс засвоєння правил офо...