Лабораторные_работы_ТИРПЗ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

____________________________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

__________________________________________

НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2017

УДК 629.4.052.2(07)

ББК З 87–5я7

П28

Пестерев И. С., Степанов Б. Г.

П28 Направленные свойства акустических систем: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 50 с.

ISBN 978-5-7629-2055-1

Приводится описание лабораторных работ по дисциплине «Теория излучения, рассеяния и приема звука», ориентированных на получение навыков измерения и расчета характеристик направленности различных по построению и характеру возбуждения акустических систем. Содержит краткие теоретические сведения, описание измерительных установок, методики выполнения и указания по проведению измерений и обработке их результатов.

Предназначено для бакалавров по направлению 12.03.01 «Приборостроение».

УДК 629.4.052.2(07)

ББК З 87–5я7

Рецензент канд. техн. наук, зам. начальника научно-исследовательского отделения АО «Концерн ”Океанприбор”» Г. Ю. Годзиашвили.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ДИСКРЕТНОЙ АНТЕННЫ С АМПЛИТУДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ

Цель работы. Исследовать характеристики направленности (ХН) линейных дискретных антенн с различными законами амплитудного распределения на ряде частот, заданных преподавателем, и сопоставить результаты измерений с данными расчетов. Ознакомиться с методами и аппаратурой для измерения ХН антенн.

1.1. Основные сведения

Плоские антенные решетки широко используются в качестве приемноизлучающих устройств как в гидроакустике, так и дефектоскопии. Использование амплитудно-фазового распределения на поверхности элементов антенны позволяет управлять ее направленными свойствами. Обычно ХН антенн определяют в какой-либо плоскости, перпендикулярной поверхности антенны. При определении ХН антенн, составленных из однотипных элементов, существенную помощь могут оказать теоремы направленности [1–3].

Исследуемая плоская дискретная антенна (рис. 1.1, а) содержит nx ny 6 5 стержневых элементов (преобразователей). Поперечное сече-

ние элементов антенны d1 d1 10 10 мм2, а расстояние между их центрами d2 12 мм. При измерении ХН антенны в плоскости X 0Z , по теореме смещения [1–3], эту антенну можно свести к линейной дискретной эквидистантной антенне, состоящей из шести однотипных линейных элементов (рис. 1.1, б), обладающих в общем случае своими амплитудами.

В данной лабораторной работе сканирование ХН не предполагается и угол компенсации θк 0. Тогда ХН рассматриваемой антенны в плоскости X 0Z при наличии амплитудно-фазового распределения может быть определена, как:

где k ωc0 ; c0 – скорость звука в среде; Ai – амплитуды колебательных скоростей на излучающей поверхности элементов, которые пропорциональны амплитудам электрических напряжений, возбуждающих преобразователи; θ – текущий угол.

3

X

A1 A2 A3 A4 A5 A6 X d1 d2

d1 d2

Рис. 1.1. Излучающая поверхность антенны (а) и ее расчетная модель (б) в плоскости X 0Z

В случае симметричного амплитудного распределения по элементам антенны (1.1) может быть упрощено, а ее ХН в плоскости X 0Z – определена с учетом теорем умножения и сложения [1–3] по следующей формуле:

4

ны в плоскости Y 0Z ; ny 5 . Интегрирование ведется по полупространству ввиду локализации в нем ХН исследуемой антенны.

1.2. Описание измерительной установки

Схема измерительной установки приведена на рис. 1.2. Измерение ХН производится в заглушенном измерительном гидроакустическом бассейне. Исследуемая антенна 5 закрепляется на штанге поворотного устройства 1, управляемого с ПЭВМ 2. Возбуждение антенны осуществляется с помощью управляющей ПЭВМ 2 с использованием многоканальных блоков формирования импульсов 3 и усилителей мощности 4. В дальней зоне акустического поля излучающей антенны расположен гидрофон 6 ( r 2D2λ, где D – наибольший линейный размер антенны). Принятый гидрофоном 6 сигнал подается на усилитель 7 и после усиления контролируется с помощью осциллографа 8. Кроме того, усиленный электрический сигнал с выхода усилителя 7 подается на блок аналого-цифрового преобразования, с выхода которого оцифрованный сигнал подается на вход «Виртуального прибора», отображаемого на экране монитора ПЭВМ. Для минимизации возможных помех и переотраженных сигналов измерения проводятся в импульсном режиме.

Рис. 1.2. Схема измерительной установки

Для управления измерительной установкой с помощью ПЭВМ в среде LabVIEW разработан «Виртуальный прибор», лицевая панель которого показана на рис. 1.3. Здесь расположены: 1 – кнопка запуска «Виртуального прибора»; 2 – кнопка завершения работы; 3 – окно с изображением принятого импульсного сигнала и измерительного строба; 4 – индикатор угла поворота ан-

5

тенны; 5 – регуляторы начальной и конечной границ измерительного строба; 6 – блок управления поворотом антенны в полуавтоматическом режиме; 7 – блок управления выходом в заданную позицию; 8 – блок установки указателя угла поворота на значение «нуль», которое соответствует максимальной величине принятого сигнала (направление главного максимума). Кроме того, на лицевой панели расположен набор переключаемых вкладок 9, включающих в себя элементы управления параметрами возбуждения и вращения исследуемой антенны, а также окно 10 с графиком ХН, полученной в ходе измерений.

Рис. 1.3. Лицевая панель «Виртуального прибора»

На рис. 1.4 и 1.5 показаны вкладки (поз. 9, рис. 1.3), содержащие соответственно элементы управления параметрами возбуждения и вращения исследуемой антенны.

Элементы управления параметрами импульса возбуждения позволяют установить:

а) рабочую частоту в килогерцах; число периодов в импульсе; скважность (относительный период следования импульсов);

б) тип исследуемой антенны (преобразователя) с помощью тумблера «Тип излучателя»: для лабораторных работ № 1 и 2 – включить «Плоская дискретная антенна», а для лабораторной работы № 4 – включить «Сложный сферический излучатель»;

6

в) для лабораторной работы № 2 – заданный угол компенсации θк ХН антенны. В этом случае следует нажать и переключить кнопку «Распределение» с положения «Амплитудное» на положение «Фазовое»;

г) закон распределения относительных амплитуд A1, A2 , … A6 колебательных скоростей (электрических напряжений) для лабораторной работы № 1.

Рис. 1.4. Вкладка «Параметры возбуждения»

Рис. 1.5. Вкладка «Параметры вращения»

Элементы управления параметрами вращения исследуемой антенны разделены на две группы. Во вкладке «Предустановки» задаются значения начального и конечного углов поворота антенны, а также его шаг; устанавливается направление обхода и размер выборки (количество усреднений по амплитуде принятого сигнала в пределах выбранного строба) на каждом шаге угла поворота. Вкладка «Запуск измерительного процесса» содержит индика-

7

торы, сигнализирующие о готовности (или неготовности) «Виртуального прибора» к запуску процесса измерений, а также кнопки управления этим процессом. Регуляторы «Сглаживание» и переключатель «Шкала» определяют параметры построения графика измеряемой ХН. Непосредственно процесс измерения и построения ХН антенны можно наблюдать в режиме реального времени при включении вкладки «График ХН».

1.3.Порядок выполнения работы

1.Закрепить с помощью болтового соединения исследуемую антенну на штанге поворотного устройства и опустить ее в измерительный бассейн.

2.Установить исследуемую антенну в такое положение, при котором ее акустическая ось была бы примерно направлена на гидрофон.

3.Включить аппаратуру измерительной установки и ПЭВМ. С рабочего стола монитора ПЭВМ запустить программу «Lab_Rab» и во вкладке «Предварительно» (поз. 9, рис. 1.3) набрать номер группы, номер бригады и номер выполняемой лабораторной работы. При этом результаты измерений будут записаны в соответствующую папку.

4.Включить «Виртуальный прибор» (рис. 1.3), нажав кнопку 1. При этом происходит активация окон 3 и 4 «Виртуального прибора».

5.Выбрать на вкладке «Параметры возбуждения» (рис. 1.4) тип излучателя «Плоская дискретная антенна». Указать параметры импульса возбуждения, заданные преподавателем: частоту, число периодов в импульсе и их скважность.

6.Установить предварительно равномерный закон амплитудного распределения по поверхности антенны с помощью слайдеров А1, А2 и А3 (ввиду симметрии амплитудных распределений остальные слайдеры установятся автоматически) и нажать кнопку «OUTPUT».

7.По согласованию с преподавателем установить нужную амплитуду возбуждающего электрического напряжения и усиление на усилителе У4-28, которое удобно для проведения измерений.

8.Определить более точно максимальную амплитуду принятого сигнала путем вращения антенны в сравнительно небольшом угловом интервале (например, 10 ) с помощью кнопок «Левый борт» и «Правый борт». Величина принятого гидрофоном сигнала отображается в окне 3 «Виртуального прибора»

ина экране осциллографа. Нажать кнопку «Сброс» на панели 8 «Установка нуля характеристики направленности» и убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.

8

9.Задать положение границ измерительного строба с помощью слайдеров панели 5 «Виртуального прибора», после чего нажать кнопку «Точно» на панели 8 «Установка нуля характеристики направленности». Дождаться завершения автоматической установки оси главного максимума ХН на измерительный гидрофон. В результате акустическая ось антенны (главный максимум ее ХН) будет ориентирована на гидрофон. Нажать кнопку «Сброс» на панели 8 и убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.

10.Во вкладке «Параметры вращения» (рис. 1.5) установить диапазон измерений от –90° до 90°, шаг измерений 1° или 2° – по согласованию с преподавателем – и нажать кнопку «ПУСК». Дождаться окончания процесса измерения и повторить измерение для другого закона амплитудного распределения антенны.

11.После окончания измерений завершить работу «Виртуального прибора», нажав кнопку 2, и скопировать файлы с полученными данными из указанного преподавателем каталога с ПЭВМ на флеш-накопитель.

Исследования выполняются для двух частот, заданных преподавателем,

изаконов амплитудного распределения, указанных в таблице.

1.4. Обработка результатов измерений и требования к отчету

Результаты измерений и расчетов по (1.2) для разных законов амплитудного распределения оформляются в виде диаграмм направленности в полярных или декартовых координатах. На основании полученных экспериментальных данных и результатов расчетов определяются: полная угловая ширина основного лепестка ХН θ0 , определяемая по первым ее нулям, а также – их угловое положение; угловая ширина основного лепестка ХНθ0.7 , определяемая по уровню –3 дБ (0.707) от максимального ее значения; угловое положение и уровень первых побочных максимумов. Эти данные заносятся в таблицу. Дается физическое объяснение причин изменения ХН в зависимости от заданных законов амплитудного распределения. Следует провести сопоставление экспериментальных и теоретических данных и проанализировать причины их расхождения. Оценить для исследованных законов амплитудного распределения расчетное значение КОК по (1.3). Результаты расчетов свести в таблицу.

В отчете необходимо привести:

краткие теоретические сведения по теме лабораторной работы;

9

схему измерительной установки с описанием назначения используемой аппаратуры;

результаты измерений и расчетов в виде графиков и сводных таблиц;

сравнение экспериментальных и расчетных данных с указанием причин их расхождения;

выводы по работе.

Отчет оформляется в соответствии с общими правилами ГОСТ 7.32-2001.

1.5.Контрольные вопросы для подготовки

1.Как влияет закон амплитудного распределения на основные параметры ХН: а) на ширину основного лепестка ХН; б) на уровень побочных лепестков?

2.Какой из исследованных законов амплитудных распределений является оптимальным с точки зрения получения наименьшего уровня побочных максимумов?

3.Как будет изменяться КОК антенны в зависимости от закона амплитудного распределения?

Список литературы

1.Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика: учеб. пособие. Л.: Судостроение, 1990. 320 с.

2.Смарышев М. Д., Добровольский Ю. Ю. Гидроакустические антенны: справочник по расчету направленных свойств гидроакустических антенн. Л.: Судостроение, 1984. 304 с. (Библиотека инженера-гидроакустика).

3.Дианов Д. Б. Теория и расчет акустических приемно-излучающих устройств: учеб. пособие. Л.: Ротапринт ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина),

1981. 74 с.

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ДИСКРЕТНОЙ ЛИНЕЙНОЙ КОМПЕНСИРОВАННОЙ АНТЕННЫ

Цель работы. Ознакомиться с основными характеристиками компенсированных антенн и методикой измерения их характеристики направленности (ХН). Провести измерения ХН антенны для разных значений углов компенсации. Проанализировать результаты измерений и сопоставить их с результатами расчетов.

10