Лабораторные_работы_ТИРПЗ

3.3.Порядок выполнения работы

1.Изучив описание измерительной установки и получив разрешение преподавателя, включить аппаратуру и прогреть ее 5 мин.

2.Излучатель и приемник установить так, чтобы нормаль к центру излучающей поверхности излучателя (исследуемого поршня) проходила через центр приемника.

3.Установить частоту генератора в области 20 кГц и амплитуду возбуждающего излучатель сигнала по указанию преподавателя.

4.Установить значение коэффициента усиления приемного тракта установки, удобное для регистрации принятого сигнала с помощью осциллографа.

5.Определить резонансную частоту преобразователя по максимальному значению принятого сигнала и соответствующие волновые размеры излучающей накладки (исследуемого поршня).

6.Медленно вращая излучатель в ту или другую сторону в пределах небольшого угла, зафиксировать значение угла на лимбе поворотного устройства, при котором амплитуда принимаемого сигнала максимальна. Это значение угла соответствует направлению главного максимума (основного лепестка) ХН на приемник и принимается за нулевое.

7.Провести измерение ХН излучателя, медленно проворачивая его в горизонтальной плоскости с помощью поворотного устройства. Измерения проводить при повороте излучателя от нулевого положения на 90° в одну, а затем

вдругую сторону. Отсчеты брать по показаниям индикатора – экрана осцил-

лографа U θ . Тщательно зафиксировать все минимумы и максимумы ХН,

а также необходимое для построения диаграммы направленности количество промежуточных значений. Измерения повторить три раза. Результаты измерений занести в таблицу, пример структуры которой приведен ниже.

Результаты измерений

21

8.Изначально на преобразователе установлена круглая накладка. После выполнения всех необходимых измерений следует дополнительно установить на преобразователь прямоугольную накладку, предварительно отключив сигнал возбуждения на блоке усилителя мощности с помощью тумблера «Высокое напряжение». Повторить весь процесс определения резонансной частоты преобразователя с прямоугольной накладкой и измерения ХН для двух ее характерных размеров b и d соответственно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

9.После окончания измерений и проверки их результатов преподавателем выключить аппаратуру.

3.4.Обработка результатов измерений и требования к отчету

Результаты измерений и данные статистической обработки представить в виде таблицы, в которой следует указать среднее значение Uср θ для каждо-

го угла θ и величину доверительного интервала U θ , а также эксперименталь-

ные значения ХН R θ и величину доверительного интервала R θ , рассчитанные по формулам R θ Uср θ Uср max θ и R θ U θ Uср max θ .

Для каждого типа поршня определить его волновой размер, рассчитать и построить ХН R θ , используя (3.1)–(3.5) или графики (рис. 3.2 и 3.3). По результатам эксперимента и расчета определить угловую ширину основного лепестка ХН θ0.7 по уровню –3 дБ (0.707) и КОК Kкр и Kп .

Отчет должен содержать:

краткие теоретические сведения;

схему измерительной установки с описанием назначения отдельных

ееузлов и аппаратуры;

необходимые расчетные формулы с пояснениями;

результаты экспериментальных данных и их обработки, сведенные в таблицу;

графики для каждой антенны с представлением на них пар кривых экспериментальной и теоретической ХН (в функции от угла θ ) в прямоугольной системе координат; на экспериментальных графиках должны быть отражены результаты статистической обработки в виде средних точек и доверительных интервалов;

22

результаты расчета полной угловой ширины θ0.7 основного лепестка ХН и КОК для каждой антенны;

краткие выводы по работе.

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

3.5.Контрольные вопросы для подготовки

1.От чего зависит угловая ширина основного лепестка ХН?

2.Каким образом определяется дальняя зона излучателя?

3.Что такое КОК и каким образом он определяется?

4.При каких условиях справедлива приближенная формула для определения КОК плоских антенн?

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.

4.Зубов В. И. Функции Бесселя: учеб. пособие. М.: МФТИ, 2007. 51 с.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ СЛОЖНОГО СФЕРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ

Цель работы. Ознакомиться с вариантом построения сложного сферического преобразователя, методами формирования перестраиваемых в пространстве характеристик направленности (ХН) и аппаратурой для их измерения. Проанализировать результаты измерений и сопоставить их с результатами расчетов.

4.1. Основные сведения

Для реализации модели сложного сферического излучателя используется преобразователь с крестообразной колебательной системой, составленной из пьезостержней, ориентированных по трем осям координат, имеющих об-

23

щий центральный элемент и фронтальные накладки, образующие сферическую внешнюю поверхность [1] с внешним радиусом a 60 мм. Схематически этот преобразователь изображен на рис. 4.1, где введены следующие обозначения: 1 – пьезостержень; 2 – армирующая стяжка; 3 – центральный элемент; 4 – фронтальная накладка; 5 – герметизирующая прокладка. В зависимости от характера возбуждения тех или иных пьезостержней преобразователь может формировать ненаправленную, а также дипольные, кардиоидные и второго порядка ХН с различной их ориентацией в пространстве.

Рис. 4.1. Преобразователь с крестообразной колебательной системой

В общем случае ХН такого преобразователя, в зависимости от типа возбуждения пьезостержней, имеет следующий вид [1]:

24

Pn (θ) ; Pn(m) (θ) – полиномы Лежандра [2]; Dn (ka) и δn (ka) – сферические функции Морза [2]; a – радиус излучающей поверхности преобразователя; S1 – поверхность сферы единичного радиуса r 1; dS1 sin θdθdφ; θ и φ – углы сферической системы координат. Коэффициенты V1 , V2 и V3 – определяют значения амплитуд колебательных скоростей и характер включения пьезостержней относительно друг друга.

Непосредственное выполнение расчетов по (4.1) в среде «MathCad» может вызывать определенные трудности. При формировании рассматриваемым сложным сферическим преобразователем осесимметричных ХН достаточно хорошее приближение может быть получено с помощью упрощенной расчетной его модели, показанной на рис. 4.2. В этом случае значение угла θ0 48.2 0.2677π определяется из условия равенства площадей полюсной

25

Первый тип возбуждения (1), показанный на рис. 4.3, соответствует синфазному возбуждению всех пьезостержней (значения коэффициентов V1 V2 1), при котором нормальная компонента амплитуды колебательной скорости распределяется по внешней поверхности преобразователя почти равномерно и при этом формируется практически ненаправленная ХН.

4 5 6

Рис. 4.3. Типы возбуждения (включения) пьезостержней преобразователя

Второй тип возбуждения (2) соответствует синфазному возбуждению только двух пьезостержней по одной из осей координат, при этом другие пьезостержни закорочены (значения коэффициентов V1 1, V2 0 ). В этом

27

Рис. 4.4. Блок коммутации и типы возбуждения (включения) пьезостержней

Переключение типов возбуждения пьезостержней (рис. 4.3) сложного сферического излучателя и, соответственно, формирование различных ХН, обеспечивается с помощью блока коммутации, показанного на рис. 4.4, за счет включения указанных комбинаций клавиш.

4.3.Порядок выполнения работы

1.Закрепить с помощью болтового соединения исследуемый преобразователь на штанге поворотного устройства.

2.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.

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

4.Выбрать на вкладке «Параметры возбуждения» (рис. 1.4) тип излучателя «Сложный сферический излучатель». Указать параметры импульса возбуждения, заданные преподавателем: частоту, число периодов в импульсе и их скважность. Затем нажать кнопку «OUTPUT».

5.Установить предварительно с помощью блока коммутации (рис. 4.4) четвертый тип возбуждения пьезостержней преобразователя, обеспечивающий формирование ХН второго порядка. Величина принятого гидрофоном сигнала отобразится в окне 3 «Виртуального прибора» и на экране осциллографа.

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

7.Определить угловую ориентацию преобразователя путем вращения

вугловом интервале –90°… 90° с помощью кнопок «Левый борт» и «Правый

29

борт». При этом необходимо определить угловое положение двух минимумов (нулей) на ХН, располагающихся под углами примерно –45° и 45° к акустической оси преобразователя. Угловое положение, которое находится посередине между этими двумя минимумами, будет соответствовать максимальному значению амплитуды и определять направление оси одной из пар пьезостержней преобразователя на измерительный гидрофон. Это положение принимается за условный «ноль» ХН. Нажать кнопку «Сброс» на панели 8 «Установка нуля характеристики направленности» и убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.

8.Задать положение границ измерительного строба с помощью регуляторов на лицевой панели «Виртуального прибора». Затем, на вкладке «Параметры вращения» (рис. 1.5), установить диапазон измерений от –175° до 180°, шаг измерений 5° и нажать кнопку «ПУСК». Дождаться окончания процесса измерения и повторить измерение для другого типа возбуждения (включения) пьезостержней преобразователя, указанного преподавателем.

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

10.Исследования выполняются для указанных преподавателем частот

итипов возбуждения пьезостержней преобразователя (рис. 4.3 и 4.4), обеспечивающих ХН следующих видов:

сферическая ХН или ХН нулевого порядка, когда синфазно включаются все пьезостержни преобразователя;

ХН эллипсоидного типа, когда синфазно включаются одна или две пары пьезостержней преобразователя;

ХН второго порядка, когда одна соосная пара пьезостержней преобразователя включается противофазно по отношению к двум другим;

дипольная ХН (акустическая ось повернута на 45°), когда противо-

фазно включаются две соосных пары пьезостержней преобразователя, а оставшаяся закорочена.

4.4. Обработка результатов измерений и требования к отчету

Результаты измерений и расчетов по (4.1) или (4.2) для разных типов возбуждения (включения) пьезостержней и, соответственно, формирования разных видов ХН оформляются в виде диаграмм направленности в полярных

30