Лабораторные_работы_ТИРПЗ
.pdf
чатель представляет собой систему из девяти высокочастотных динамических головок, включенных синфазно. Радиус апертуры рефлектора R = 0,375 м.
6.3.Порядок выполнения работы
1.Изучить описание работы.
2.Ознакомиться с конструкцией параболической антенны, координатным устройством и используемой измерительной аппаратурой.
3.С разрешения преподавателя включить аппаратуру и дать ей прогреться.
4.Определить фокусное расстояние F параболоида, для чего переместить микрофон по оси 0X на расстояние приблизительно 10 см от поверхности и, двигая его вдоль оси 0X , найти такое положение, при котором показание вольтметра максимально. Затем, перемещая микрофон по осям 0Y
и0Z, убедиться, что микрофон находится на акустической оси (положение
микрофона соответствует максимальному значению напряжения). Если это не так, то поиск фокуса необходимо продолжить.
5. |
Измерить распределение звукового поля в фокальной плоскости |
(x F ) |
последовательно в направлении осей 0Y и 0Z , считая, что звуковое |
давление пропорционально показанию вольтметра. Показания вольтметра фиксировать через 1…2 см, особо фиксируя положения и величину максимумов и минимумов. Результаты измерений занести в таблицу.
6.Измерить распределение звукового поля вдоль акустической оси (оси 0X , координаты y z 0 ) по обе стороны оси фокуса.
7.Выполнить измерения по пп. 5 и 6 еще два раза.
8.Согласовать результаты измерений с преподавателем и после этого выключить аппаратуру.
6.4.Обработка результатов измерений и требования к отчету
Результаты измерений и данные статистической обработки представить в виде таблицы, в которой следует указать значения напряжения первого u1 , второго u2 и третьего u3 измерений; среднее значение u ; доверительный интервал по напряжению u ; давление pнорм u
umax , рассчитанное по данным измерения напряжения; доверительный интервал по давлению p ;
41
теоретическое значение давления pтеор , рассчитанное по (6.4) или (6.5).
В отчете необходимо привести:
краткие теоретические сведения;
схему измерительной установки с описанием назначения используемой аппаратуры;
расчетное значение угла раскрыва αm рефлектора;
результаты измерений и расчетов в виде таблиц и графиков для распределения давления в фокальной плоскости в зависимости от координат y
иz вдоль оси 0X антенны. Давление в произвольной точке должно быть нормировано к давлению в фокусе (максимальному значению). Теоретические распределения давления рассчитываются по (6.1) или (6.2) и (6.4) или
(6.5);
результаты расчетов радиуса кружка Эйри по (6.3) и протяженность фокальной области в осевом направлении по (6.6);
анализ сравнения экспериментальных и расчетных данных и причин их расхождения.
выводы по работе.
Отчет оформляется в соответствии с общими правилами ГОСТ 7.32-2001.
6.5.Контрольные вопросы для подготовки
1.Что собой представляет рефлекторная антенна?
2.От чего зависят размеры фокальной области рефлекторной антенны?
3.Какова структура звукового поля в фокальной области и на оси антенны?
4.Какие факторы влияют на точность измерения распределения звукового поля вблизи фокуса рефлекторной антенны?
Список литературы
1.Дианов Д. Б. Акустические приемно-излучающие антенны: учеб. пособие. Л.: Ротапринт ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), 1982. 73 с.
2.Каневский И. Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.:
Наука, 1977. 336 с.
42
Лабораторная работа № 7
НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА ПАРАБОЛИЧЕСКОЙ РЕФЛЕКТОРНОЙ АНТЕННЫ
Цель работы. Ознакомиться с направленными свойствами параболической рефлекторной антенны, а также с методикой и аппаратурой, применяемой для измерения ее характеристики направленности (ХН).
7.1. Основные сведения
Рефлекторная приемная антенна состоит из рефлектора, образованного вращением отрезка параболы вокруг оси, и ненаправленного приемника, помещенного в фокусе параболоида (рис. 7.1). Обычно размеры параболоида много больше длины волны, и поэтому рефлекторная антенна, как правило,
обладает остронаправленными свойствами. |
|
|
|
|
|
||||||
Параболический |
рефлектор |
обла- |
|
Y |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
дает способностью собирать в |
своем |
|
|
|
|
|
M (r ) |
||||
фокусе лучи, падающие на рефлектор |
|
|
|
|
R |
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
αm |
|
r |
γ |
||||||
параллельно его оси. На рис. 7.1 име- |
|
|
|
||||||||
0 |
|
|
|
A |
X |
||||||
|
|
||||||||||
ются следующие обозначения: A – фо- |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
кус параболоида; |
R – радиус аперту- |
|
F |
|
|
|
|||||
ры; αm – угол раскрыва параболоида |
|
|
|
|
|||||||
|
Рис. 7.1. Геометрия рефлекторной |
||||||||||
(апертуры); |
0X |
– |
ось |
рефлектора |
|
||||||
(акустическая |
ось); |
γ – |
угол |
между |
|
|
|
параболической антенны |
|||
осью рефлектора и направлением r на точку наблюдения M r ; F – фокусное расстояние. Поскольку длины хода всех лучей, считая от плоскости раскрыва рефлектора до фокуса A , одинаковы, то волны, идущие вдоль этих лучей, складываются в одной фазе, и суммарная амплитуда принятого сигнала в фокусе увеличивается.
Угол раскрыва αm рефлектора определяет величину фронта сферической волны, сходящейся к фокусу A (рис. 7.1). Если на рефлектор падает плоская волна, то можно показать, что в сходящейся к фокусу сферической волне появится амплитудное распределение, которое имеет вид [1]:
пр α |
|
2 |
, |
(7.1) |
|
|
|||
|
cos α |
|||
1 |
|
|
||
43
где α – угол, под которым волна после отражения от рефлектора приходит
вфокус. Из формулы видно, что амплитуда нарастает к краям сферического волнового фронта.
Используя принцип взаимности [2], в дальнейшем для наглядности будем рассматривать направленные свойства параболического рефлектора
врежиме излучения вместо режима приема. В этом случае в фокусе параболоида помещается ненаправленный (сферический) излучатель, размеры которого малы по сравнению с длиной излучаемой волны. В результате отражения от поверхности параболоида сферической волны, исходящей из точки фокуса A , в выходном сечении рефлектора радиусом R (в плоскости апертуры) образуется амплитудное распределение колебательных скоростей (рис. 7.2), определяемое формулой:
изл α |
1 |
|
1 |
1 cos α |
1 |
|
, |
(7.2) |
|
пр α |
2 |
1 ρ2 |
4π2 |
||||||
|
|
|
|
|
где ρ – переменный радиус в плоскости апертуры.
Y |
изл α |
|
|
α |
A |
0 |
X |
Рис. 7.2. Схема формирования звукового поля в режиме излучения; распределение колебательной скорости в апертуре рефлекторной антенны
ХН параболической рефлекторной антенны в режиме излучения может быть определена с использованием формулы Гюйгенса [2], как ХН круглого поршня с соответствующим амплитудным распределением. После ряда преобразований, нормированная ХН рефлекторной антенны имеет вид [1]:
|
|
p |
|
γ |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
R J |
0 |
|
kρsin γ |
|
|
|||||
R γ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρdρ |
, |
(7.3) |
|||||
p |
0 |
2F |
2 |
ln 1 R |
2 |
4F |
2 |
|
1 |
ρ |
2 |
4π |
2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
где k – волновое число.
Интеграл в (7.3) не выражается через элементарные функции, поэтому
44
представим функцию Бесселя для малых значений аргумента в виде ряда, оставив первые два члена:
|
|
n kρsin γ |
2n |
|
kρsin γ |
2 |
|
||||
J0 kρsin γ |
1 |
|
1 |
. |
(7.4) |
||||||
|
|
2n |
|
|
2 |
4 |
|||||
n 0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
2 |
|
n! |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Подставив (7.4) в (7.3), после ряда преобразований получим:
R γ 1 1
R |
2 |
|
|
kF sin γ 2 . |
|
|
|
|
(7.5) |
||
4F 2 ln 1 R2 4F 2 |
|
||||
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Коэффициент усиления антенны по давлению в области фокуса в режиме приема определяется следующим выражением [2]:
|
|
R |
2 |
|
|
|
Kp 2kF ln 1 |
|
|
|
. |
(7.6) |
|
4F |
2 |
|||||
|
|
|
|
|
||
Коэффициент осевой концентрации (КОК) находится из соотношения:
|
|
|
|
R |
2 |
2 |
|
|
K0 |
Kp 2 |
2kF ln |
1 |
|
. |
(7.7) |
||
4F 2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Максимальное значение КОК будет для оптимальных значений радиуса апертуры R 4F или угла раскрыва рефлектора αm 127 , тогда получим:
K0 max 0.64 kR 2 0.64 |
4πS |
, |
||
|
||||
|
|
|
λ02 |
(7.8) |
где S πR2 – площадь апертуры рефлектора; λ |
0 |
– длина звуковой волны. |
||
|
|
|
||
В лабораторных условиях генерация плоской волны представляет определенные технические трудности. Значительно проще создать сферическую волну. Для ХН параболической рефлекторной антенны при падении на нее сферической волны справедлива приближенная формула:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
kρsin γ |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
2 |
ρ |
2 |
|
|
|
|||||||||
|
|
R exp jk x x |
|
|
|
J0 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρdρ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
1 ρ2 4F 2 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
x2 ρ2 |
|
|
|||||||||||||
R γ |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
, |
(7.9) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
R exp jk x |
x |
|
ρ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρdρ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
1 ρ2 4F 2 |
|
||||||||||||
|
|
|
x2 ρ2 |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
45
где x – расстояние от источника сферической волны до плоскости апертуры |
|||||||||||||||||
параболической рефлекторной антенны. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Если источник сферической волны расположен в дальней зоне парабо- |
|||||||||||||||||
лической рефлекторной антенны, то сферическая волна вносит дополнитель- |
|||||||||||||||||
но лишь фазовые искажения в апертурной плоскости. В этом случае для ХН |
|||||||||||||||||
приближенно можно записать: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
x |
x |
2 |
ρ |
2 |
|
|
|
|
kρsin γ |
|
|
||
|
|
R exp jk |
|
|
J0 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
1 ρ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ρdρ |
|
||
|
|
|
2 |
4F |
2 |
|
|
|
|||||||||
|
R γ 0 |
|
|
|
|
|
|
. |
(7.10) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
2 |
ρ |
2 |
|
|
|||
|
|
|
R exp jk x |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
1 ρ2 |
4F 2 |
|
|
ρdρ |
|
|
||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7.2. Описание измерительной установки |
|
||||||||||||||
Схема измерительной установки приведена на рис. 7.3, где цифрами |
|||||||||||||||||
обозначены: 1 – исследуемая рефлекторная параболическая установка с по- |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
воротным устройством; 2 – излучатель |
|||||||||
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
ультразвуковых волн; 3 – усилитель; |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
4 – вольтметр (осциллограф); 5 – за- |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
дающий генератор; 6 – усилитель |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
мощности. Установка работает в не- |
|||||||||
3 |
4 |
|
5 |
6 |
|
|
|
прерывном |
режиме. |
Поворотное |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
устройство, на котором закреплена па- |
|||||||||
Рис. 7.3. Схема измерительной установки |
раболическая рефлекторная антенна 1, |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
позволяет измерять ХН в диапазоне углов в горизонтальной плоскости. |
|||||||||||||||||
7.3.Порядок выполнения работы
1.Изучить описание работы и измерительной аппаратуры.
2.Ознакомиться с конструкцией параболической рефлекторной антенны
ис используемой измерительной аппаратурой.
3.Экспериментально определить ХН параболической рефлекторной антенны на заданной частоте в режиме приема. Для этого следует:
получив разрешение преподавателя, включить измерительную аппаратуру и прогреть ее согласно техническому описанию;
медленно поворачивая рефлекторную антенну в ту или другую сторо-
46
ну в пределах небольшого угла и при необходимости изменяя пределы измерения вольтметра (осциллографа) 4, зафиксировать максимальное показание на приборе. Это направление будет соответствовать направлению главного максимума ХН, которое принимается за нулевое;
если измерения проводятся в ручном режиме, то, медленно вращая антенну, зафиксировать направления и значения максимумов и минимумов; измерения проводить при повороте антенны от нулевого положения на 90°
водну, а затем в другую сторону, при этом необходимо следить, чтобы посторонние предметы не попали в область между рефлекторной антенной и излучателем;
при измерениях ХН рефлекторной антенной в автоматическом режиме, в зависимости от используемой аппаратуры, результаты фиксируются на ленту самописца (с фиксацией скорости движения бумаги и масштаба динамического диапазона: линейного или логарифмического) или на флешнакопитель;
по завершении измерений выключить измерительную аппаратуру.
7.4. Обработка результатов измерений и требования к отчету
При оформлении отчета по лабораторной работе следует:
1. Рассчитать по (7.10) ХН рефлекторной антенной R γ в режиме приема. Если измерения проводились в автоматическом режиме и логарифмическом масштабе, то данные расчета ХН представить в логарифмическом масштабе.
2.Построить в одном масштабе экспериментальную и расчетную ХН.
3.Найти из экспериментальных и расчетных ХН ширину ХН R γ на
уровне –3 дБ.
4. Рассчитать коэффициент усиления Kp по (7.6) и КОК K0 по (7.7).
Сопоставить полученные значения с максимально возможным по (7.8).
5.Рассчитать ХН параболической рефлекторной антенны в режиме излучения по (7.3) или (7.5) и сопоставить полученные результаты.
6.Рассчитать распределение колебательной скорости в апертурной плоскости антенны по (7.2).
В отчете необходимо привести:
схему измерительной установки с описанием назначения используемой аппаратуры;
47
экспериментальные и расчетные ХН в декартовой системе координат;
сравнение экспериментальных и расчетных ХН при приеме плоских
исферических волн, а также для режима излучения;
выводы по работе.
Отчет оформляется в соответствии с общими правилами ГОСТ 7.32-2001.
7.5.Контрольные вопросы для подготовки
1.Для каких целей используются рефлекторные антенны?
2.От чего зависит острота ХН рефлекторной антенны?
3.Как связаны коэффициент усиления и КОК с параметрами антенны?
4.Какие факторы влияют на точность измерения ХН рефлекторной антенны?
5.Как влияет вид принимаемой волны на основные параметры ХН?
Список литературы
1.Дианов Д. Б. Акустические приемно-излучающие антенны: учеб. пособие. Л.: Ротапринт ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), 1982. 73 с.
2.Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика: учеб. пособие. Л.: Судо-
строение, 1990. 320 с.
48
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лабораторная работа № 1. Исследование линейной дискретной антенны с |
|
амплитудным распределением............................................................................... |
3 |
Лабораторная работа № 2. Исследование характеристик направленности |
|
дискретной линейной компенсированной антенны........................................... |
10 |
Лабораторная работа № 3. Исследование характеристик направленности |
|
круглого и прямоугольного поршневых излучателей....................................... |
17 |
Лабораторная работа № 4. Исследование характеристик направленности |
|
сложного сферического излучателя .................................................................... |
23 |
Лабораторная работа № 5. Исследование направленных свойств приемника |
|
малого волнового размера .................................................................................... |
32 |
Лабораторная работа № 6. Исследование акустического поля вблизи фокуса |
|
параболической рефлекторной антенны ............................................................ |
38 |
Лабораторная работа № 7. Направленные свойства параболической |
|
рефлекторной антенны ......................................................................................... |
43 |
49
Пестерев Иван Сергеевич Степанов Борис Георгиевич
Направленные свойства акустических систем
Учебно-методическое пособие
Редактор Н. Ю. Меньшенина
Подписано в печать 05.10.17. Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 3,25.
Гарнитура «Times New Roman». Тираж 60 экз. Заказ 100.
__________________________________________________________________
Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5
50