Лабораторные_работы_ТИРПЗ

2.1. Основные сведения

Антенна называется компенсированной в заданном направлении, если ее

главный максимум (основной лепесток) ориентирован в указанном направлении. Компенсация ХН достигается обычно за счет введения в цепь возбуждения элементов антенны (в режиме излучения) или в цепь усиления (в режиме приема) временной задержки, реализуемой в аналоговых устройствах с помощью линий задержки. В данной лабораторной работе временная задержка реализуется программно.

Исследуемая плоская дискретная антенна (рис. 2.1, а) содержит nx ny 6 5 стержневых элементов (преобразователей). Поперечное сечение 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. 2.1, б), обладающих в общем случае своими амплитудами.

X

A1 A2 A3 A4 A5 A6 X d1 d2

d1 d2

Рис. 2.1. Излучающая поверхность антенны (а) и ее расчетная модель (б) в плоскости X 0Z

В общем случае ХН такой антенны в плоскости X 0Z при наличии фазоамплитудного распределения может быть определена как [1]:

где k ωc0 ; c0 – скорость звука в среде; Ai – амплитуды колебательных скоростей на излучающей поверхности элементов, которые пропорциональны

11

возбуждающим преобразователи электрическим напряжениям; z1 kd21 sin θ;

z1к kd21 sin θк ; θ – текущий угол; θк – угол компенсации ХН.

В данной лабораторной работе амплитудное распределение вдоль излучающей поверхности антенны не изменяется, т. е. Ai = A = const , поэтому (2.1) упрощается и принимает вид:

прерывного элемента антенны длиной d1 в направлении угла компенсации θк . Ввиду наличия заданного сдвига по фазе φ kd2 sin θк , т. е. времени задержки τк d2 sinθк c0 между соседними элементами антенны при их возбуждении, главный максимум ее ХН оказывается ориентированным в направлении θк , которое соответствует синфазному сложению волн, излученных элементами антенны.

У дискретных антенн возможно возникновение добавочных максимумов (лепестков), равных по величине главному. Условие отсутствия добавочных максимумов для линейных компенсированных антенн определяется неравенством [1–3]:

основного лепестка ХН, уменьшение уровня принимаемого гидрофоном сигнала в направлении θк и изменение значения коэффициента осевой концентрации (КОК) K , который может быть оценен по формуле [1, 2]:

12

по полупространству ввиду локализации в нем ХН исследуемой антенны.

2.2. Описание измерительной установки

Описание измерительной установки, ее структурной схемы, порядка работы с «Виртуальным прибором» и измерения ХН для компенсированной антенны аналогичны тем материалам, которые представлены в соответствующем разделе для лабораторной работы № 1. В данной лабораторной работе для ввода нужного значения угла компенсации θк следует в наборе переключаемых вкладок 9 «Параметры возбуждения» переключить кнопку «Распределение» с положения «Амплитудное» на положение «Фазовое». При этом окно для ввода угла компенсации станет активным, а окно с относительными значениями амплитуд – неактивным. Установка времени задержки τк при возбуждении элементов антенны в лабораторной работе реализуется программно с помощью «Виртуального прибора».

Для пояснения возможности поворота ХН антенны на заданный угол θк , на рис. 2.2 приведена функциональная схема линии задержки (в аналоговом варианте). Здесь показаны: набор элементов (преобразователей) П1, П2, … П6

Плз

Рис. 2.2. Функциональная схема аналоговой линии задержки

13

в составе гидроакустической антенны; линия задержки, формируемая элементами С и L , с переключаемыми отводами; Плз – переключатель линии задержки; ГС – вход генератора сигналов.

Когда переключатель Плз находится в положении «0», то это соответствует синфазному возбуждению всех элементов (преобразователей) П1, П2, … П6 антенны. Когда переключатель Плз находится в положении «1», то в цепи возбуждения элементов (преобразователей) антенны используется необходимая задержка по времени τк n0τ0 d2 sin θк c0 , где τ0 LC – минимальный дискрет (значение по времени) линии задержки, определяемый ее элементарной ячейкой L C L или C L C ; n0 – количество элементар-

ных ячеек. Характеристическое (волновое) сопротивление Rв LC служит для согласования линии задержки и устранения отражений от ее концов.

2.3.Порядок выполнения работы

1.Закрепить с помощью болтового соединения исследуемую антенну на штанге поворотного устройства и опустить 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) значение угла компенсации антенны θк 0 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.

14

задержки). Следует провести сопоставление экспериментальных и теоретических данных и проанализировать причины их расхождения. Следует также оценить для исследованных законов амплитудного распределения расчетное значение КОК по (2.4). Результаты расчетов свести в таблицу.

В отчете необходимо привести:

краткие теоретические сведения по теме лабораторной работы;

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.

2.5.Контрольные вопросы для подготовки

1.Как влияет угол компенсации на параметры ХН антенны: а) на ширину основного лепестка ХН; б) на уровень побочных лепестков?

2.Каким образом изменяется КОК антенны в зависимости от угла компенсации и почему?

3.При каких углах компенсации θк для исследуемой антенны может по-

явиться добавочный максимум ХН, и чем это явление обусловлено? 4. Каково условие отсутствия добавочных максимумов?

Список литературы

1.Смарышев М. Д. Элементы теории направленности гидроакустических антенн: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. 144 с.

2.Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика: учеб. пособие. Л.: Судо-

строение, 1990. 320 с.

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

1981. 74 с.

16

Лабораторная работа № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ КРУГЛОГО И ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПОРШНЕВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

Цель работы. Ознакомиться с направленными свойствами плоских поршневых антенн круглой и прямоугольной формы. Произвести измерение их характеристик направленности (ХН) и сравнение с результатами расчетов.

3.1. Основные сведения

Плоские поршневые излучатели широко используются как в ультразвуковой технике, так и в гидроакустике. Исследуемые в данной работе излучатели имеют круглую и прямоугольную форму излучающих поверхностей.

ХН плоского круглого некомпенсированного поршневого излучателя (рис.

3.1, а) в бесконечном абсолютно жестком экране имеет вид [1–3]:

где a – радиус поршня; k ωc0 2πλ – волновое число; λ – длина волны в среде; θ – угол между нормалью к поверхности излучателя (осью Z ) и

7.01; 10.17; 13.32, которые соответствуют корням уравнения J1(ξ) 0 . Этим графиком можно пользоваться при построении расчетных ХН.

17

При ξ 0 (θ 0) функция Rкр (ξ) равна единице (направление главного максимума), а в пределах до ξ 3.82 формируется основной лепесток ХН.

Полная угловая ширина основного лепестка ХН, соответствующая первым нулям (2.1) определяется из формулы [1]: θ0 2arcsin 0.61λa .

Выражение для угловой ширины основного лепестка ХН на уровне –3 дБ

(0.707) имеет вид: θ0.7

Коэффициент осевой концентрации (КОК) круглого поршня вычисляет-

где Sкр πa2 – площадь поршня. Практически (3.2) можно использовать уже при ka 6 или aλ 1.

ХН плоского прямоугольного некомпенсированного поршневого излуча-

теля (рис. 3.1, б) в бесконечном абсолютно жестком экране имеет вид [1]:

18

Часто представляют интерес ХН в плоскостях P , перпендикулярных плоскости антенны и проходящих параллельно сторонам прямоугольника или через его диагональ. В частности, для плоскости P , параллельной стороне d ψ 0 , получим:

В том случае, когда плоскость P проходит через диагональ прямоугольника, выражение для ХН совпадает с (3.3), в которую следует подставить значение

ψ arctg bd .

На рис. 3.3 представлен обобщенный график для функций, стоящих под

Для плоскостей P , нормальных к поверхности поршня и параллельных сторонам прямоугольника, полная угловая ширина (раскрыв) основного лепестка по первым нулям ХН имеет вид:

θ0 2arcsin λd при ψ 0 и θ0 2arcsin λb при ψ π2 .

Угловая ширина основного лепестка ХН по уровню –3 дБ (0.707) равна:

θ0.7 2arcsin 0.45λd при ψ 0 и θ0.7 2arcsin 0.45λb при ψ π2 .

КОК прямоугольного поршня при b и d 2λ может быть вычислен по приближенной формуле [1, 3]: Kп 4πbdλ2 .

19

3.2. Описание измерительной установки

Экспериментальное исследование ХН круглого (диаметр: 2a 46 мм) и прямоугольного (размеры: b d 50 100 мм) поршней осуществляется с помощью измерительной установки, структурная схема которой представлена на рис. 3.4. Измерения проводятся в воздухе в импульсном режиме.

Исследуемые поршни закрепляются на излучателе 2, который возбуждается электрическим сигналом от задающего генератора 6 с помощью импульсного модулятора и усилителя мощности 7. Приемник 1 расположен на расстоянии r от центра излучающей поверхности антенны. Это расстояние выбирается из условия r 2D2λ ( D – наибольший линейный размер излучающей поверхности), чтобы приемник оказался в дальней зоне поля излучателя. Электрический сигнал с приемника 1 через усилитель 4 подается на индикатор уровня сигнала 5, в качестве которого используется осциллограф. Излучатель 2 представляет собой стержневой пьезокерамический преобразователь со сменными накладками (поршнями) круглой и прямоугольной формы. Преобразователь заключен в звукоизолирующий кожух для уменьшения влияния возможных помех. Приемником 1 служит конденсаторный микрофон. В установке предусмотрена возможность вращения излучателя (исследуемого поршня) в горизонтальной плоскости с помощью поворотного устройства 3.

r

3

Рис. 3.4. Схема измерительной установки

Методика измерений ХН заключается в регистрации амплитуды электрического напряжения на выходе усилителя 4 при различных углах поворота излучателя (исследуемого поршня) относительно направления на приемник.

20