Лабораторные_работы_ТИРПЗ

координатах. При проведении расчетов следует определить волновой размер преобразователя для тех частот, на которых проводятся измерения.

Следует провести сопоставление экспериментальных и расчетных данных и проанализировать причины их расхождения.

Дополнительно нужно выполнить расчеты для трех значений волновых размеров сложного сферического преобразователя (например, ka 1; 2; 3 ) для заданных преподавателем типов включения пьезостержней. При этом дается физическое объяснение возможности изменения ХН в зависимости от характера распределения амплитуды колебательной скорости по внешней поверхности преобразователя и его волнового размера ka.

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.

4.5.Контрольные вопросы для подготовки

1.Что определяет понятие сложного сферического излучателя?

2.Что собой представляют сферические излучатели нулевого, первого

ивторого порядков, каков вид их ХН?

3.Как влияет характер распределения амплитуды колебательной скорости по поверхности сложного сферического преобразователя на вид его ХН при частичном отключении разных пар пьезостержней?

4.Для каких типов включений пьезостержней возможно проявление эффекта «акустического короткого замыкания»? Объясните суть этого явления.

5.Изобразите эпюры распределения нормальной компоненты колебательной скорости по поверхности сферического излучателя для разных типов возбуждения (включения) пьезостержней.

31

ляются практически ненаправленными. Тогда справедливым будет соотношение между коэффициентами усиления микрофонных усилителей: K1 K2 K.

С учетом сделанных приближений, определим разность электрических напряжений:

Модуль в (5.2) определяет ненормированную ХН системы двух микрофонов в режиме приема. Нормируя ее к значению при θ 0 , получим:

пропорционально частоте, а ее ХН (рис. 5.1, б, кривая 1) будет определяться ХН диполя Rд (θ) cos θ . Практически условие малости волнового размера kd выполняется уже при d λ0 4 или kd π2 .

Для формирования ХН кардиоидного типа требуется обеспечить дополнительную разность фаз, например, путем введения в цепь сигнала выхода микрофона 2 линии задержки с величиной времени задержки dc0 . В этом

случае для электрических напряжений на входе сумматора можно записать

33

Тогда на выходе сумматора электрическое напряжение будет:

Последний множитель в (5.4) и (5.5) определяет ненормированную кардиоидную ХН рассматриваемой системы. Нормируя ее к значению при θ 0, получим:

преобразовать к виду U νpm Kkd 1 cosθ , при этом ХН системы будет

Rк θ 0.5 1 cosθ , что соответствует ХН идеальной кардиоиды (рис. 5.1,

б, кривая 2).

Достоинством этого способа получения односторонне направленного приема является то, что ХН, близкая к дипольной или кардиоидной, сохраняется в достаточно широком диапазоне частот, ограниченном сверху f fв c0 4d

(kвd π2).

Как уже указывалось, с понижением частоты величина электрического напряжения U на выходе сумматора будет уменьшаться пропорционально частоте. Чтобы получить равномерную частотную характеристику в широком диапазоне частот, следует применить в каждом канале или на выходе сумма-

34

тора корректирующий усилитель, коэффициент усиления которого, как видно из (5.2) и (5.5) должен изменяться в соответствии с частотой:

5.2. Описание измерительной установки

Экспериментальное исследование ХН рассматриваемой системы в данной работе осуществляется на измерительной установке, структурная схема которой представлена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Схема измерительной установки

Измерения проводятся в воздухе в импульсном режиме. В исследуемой системе использованы микрофоны с наружным диаметром 2a 6 мм, а расстояние между их активными поверхностями d 8 мм. Сигнал с задающего генератора 12, частота которого контролируется частотомером 11, поступает на генератор радиоимпульсов 13, который возбуждает электродинамический преобразователь 14 (излучатель). Сигналы, принятые исследуемой системой микрофонов 1 и 2, установленной на поворотном устройстве 10, поступают на идентичные усилители 3 и 4. Сигнал, принятый микрофоном 2, инвертируется по фазе фазоинвертором 5 и далее подается на сумматор 8 либо непосредственно (формирование ХН диполя), либо через блок задержки 6 (формирование ХН кардиоиды) с помощью переключателя 7. Индикация сигналов возбуждения и принятого системой микрофонов осуществляется с помощью осциллографа 9. Поворотное устройство 10 осуществляет враще-

35

ние исследуемой системы двух микрофонов в горизонтальной плоскости. Методика измерений заключается в регистрации амплитуды электрического напряжения приемного тракта на экране осциллографа при различных углах поворота исследуемой системы относительно направления на излучатель.

5.3.Порядок выполнения работы

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

2. Установить частоту задающего генератора в пределах 1…10 кГц

иамплитуду возбуждающего импульса по указанию преподавателя.

3.Переключатель 7 поставить в положение I, соответствующее формированию ХН диполя, и провести пробную юстировку системы, определив положение минимумов (нулей) ХН, которые должны располагаться под углом

θ90 по отношению к оси системы микрофонов.

4.Выполнить измерения ХН с шагом 10° на двух частотах f1 и f2 , за-

данных преподавателем. Все измерения повторить три раза, а их результаты занести в таблицу.

5. Переключатель 7 поставить в положение II, соответствующее формированию ХН кардиоиды. Определить необходимое время задержки τтеор dc и установить его значение с помощью переключателей на блоке 6.

Проверить, что минимальная чувствительность антенны соответствует углу θ 180 и, при необходимости, скорректировать время задержки τэксп , увеличивая или уменьшая его для обеспечения минимума принятого сигнала.

6. Выполнить измерения ХН с шагом 10° на двух частотах f1 и f2 , заданных преподавателем. Все измерения повторить три раза, а их результаты занести в таблицу.

7. После окончания измерений и проверки результатов преподавателем выключить аппаратуру.

5.4. 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-

36

ные значения ХН R θ и величину доверительного интервала R θ , рассчитан-

ные по формулам R θ U θ U θmax ; R θ U θ U θmax .

Рассчитать по (5.3) и (5.6) дипольные и кардиоидные ХН для двух заданных частот.

В отчете необходимо привести:

краткие теоретические сведения;

схему измерительной установки с описанием назначения отдельных

ееузлов и аппаратуры;

расчетные формулы с пояснениями;

значения времени задержки (теория и эксперимент);

результаты измерений и их статистической обработки для частот f1

и f2 , сведенные в таблицы;

для частот f1 и f2 в полярной системе координат графики теоретических и экспериментальных ХН (в функции угла θ ) с представлением результатов статистической обработки;

нормированную к значению K0 частотную характеристику (5.7) кор-

частоту f1 ;

выводы по работе.

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

5.5.Контрольные вопросы для подготовки

1.Что такое волновой размер антенны?

2.Как формируются дипольные и кардиоидные ХН?

3.Какой другой тип излучателя (приемника), отличный от рассмотренного, может обеспечить дипольную ХН?

4.Чем обусловлен выбор значения времени задержки?

5.С какой целью применяется частотная коррекция электрических сигналов антенны?

Список литературы 1. Смарышев М. Д. Элементы теории направленности гидроакустиче-

ских антенн: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. 144 с.

37

2. Вахитов Ш. Я. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура: учеб. пособие. М.: Искусство, 1982. 415 с.

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ВБЛИЗИ ФОКУСА ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ РЕФЛЕКТОРНОЙ АНТЕННЫ

Цель работы. Ознакомиться с методикой и аппаратурой для исследования акустического поля вблизи фокуса параболической рефлекторной антенны; определить экспериментально распределение поля в фокальной плоскости и на оси антенны.

6.1.Основные сведения

Вданной лабораторной работе исследуется антенна с параболическим рефлектором, который формируется вращением отрезка параболы вокруг оси, проходящей через ее центр и фокус. Фокус антенны совпадает с фокусом параболы и в приближении геометрической акустики представляет собой точку. Однако из-за волновой природы звука фокус является некоторой обла-

стью конечных размеров.

На рис. 6.1 изображен параболоид вра-

щения и введены следующие обозначения: A – геометрический фокус параболоида; F – фокусное расстояние; R и αm – радиус и угол

X раскрыва (апертуры) параболоида; X – ось

параболоида; η – координата, отсчитываемая

вдоль оси параболоида от его фокуса; ρ – ко-

ордината, отсчитываемая в плоскости апертуры; α – текущий угол, под которым видна точка на поверхности параболоида из его фо-

куса.

Предполагается, что поверхность параболического рефлектора является абсолютно отражающей и на нее падает плоская звуковая волна с единичной амплитудой. Длина волны много меньше фокусного расстояния λ0 F .

Если функция распределения амплитуды волны вдоль сферического

38

волнового фронта отраженной от параболоида волны мало изменяется на участках волнового фронта протяженностью порядка длины волны, то справедлива обобщенная формула Дебая для нормированного давления [1, 2]:

В случае распределения звукового давления в фокальной плоскости (η 0) нормированное давление без учета прямой падающей волны равно:

Распределение поля в фокальной плоскости имеет вид размытого фокального пятна, окруженного концентрическими дифракционными кольцами. Центральное фокальное пятно и представляет собой фокус с точки зрения волновой акустики. Его размеры определяются из условия p F,ρэ 0 , т. е.

трального фокального пятна или радиусом кружка Эйри.

Для антенны с малым углом раскрыва параболоида αm радиус кружка Эйри определяется формулой:

39