Приемная антенна прибора гидроакустической связи (стр. 1 из 3)
Санкт-Петербургский Государственный
Морской Технический Университет
Факультет морского приборостроения.
Кафедра 50
Пояснительная записка к курсовому проекту
ПРИЕМНАЯ АНТЕННА ПРИБОРА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
группа 53ИС1Т
Студент: Сёмин И.В.
Преподаватель: Огурцов Ю.П.
Санкт-Петербург
2005
Содержание
Введение
1 Расчет характеристик направленности и коэффициента осевой концентрации антенны
2 Выбор и обоснование колебательной системы
3 Выбор активного материала и определение размеров колебательной системы
4 Расчет электроакустических параметров на резонансной частоте
5 Расчет чувствительности
6 Определение толщины обтекателя
7 Описание конструкции антенны
8 Описание технологии сборки антенны
9 Расчет эффективности антенны
10 Описание методики измерения параметров и характеристик антенны: направленности
Заключение
Список литературы
Введение
Акустические волны – единственный вид излучения, способный распространяться в воде на большие расстояния благодаря сравнительно малому затуханию. Используя устройства, в основу которых положен принцип использования гидроакустического поля, можно решить массу технических задач: измерение глубины, определение рельефа дна, безопасность судовождения, добыча полезных ископаемых, коммуникация в водной среде и многое другое.
Для излучения и приема акустических волн в водной среде используют тела, поверхности которых способны совершать акустические колебания.
Процесс преобразования электрической энергии в акустическую выполняют подводные электроакустические излучатели и приемники, входящие в состав антенны, и называемые гидроакустическими преобразователями. (ГАП)
В данной курсовой работе необходимо рассчитать и разработать конструкцию приемной гидроакустической антенны для навигационной системы. Носителем антенны является подводный пловец, максимальная глубина погружения 50 метров. Конструкция антенны силовая, по типу одиночный преобразователь с пьезоэлектрическим типом преобразования. Колебательная система – стержневая.
1 Расчет характеристик направленности и коэффициента осевой концентрации антенны
Направленность антенны представляет зависимость ЭДС на выходе (или чувствительности) приемника от направления падающей на его диафрагму плоской волны.
Направленность антенны можно рассматривать как её способность принимать звуковую энергию в определенном телесном угле.
По исходным данным известно, что вид характеристики направленности – осе симметричная, следовательно рабочая поверхность круглая и для расчета характеристики направленности будем использовать следующую формулу [1]:
Где:
J1 – функция Бесселя;
λ – длина волны в воде на частоте резонанса;
а – радиус диафрагмы;
l =
= 
= 0,004 мпо заданию:
c = 1500 м/с
f = 380 кГц
[3]
а=0,138м
Рис.1 Диаграмма направленности антенны при θ 0-90°
Рис.2 Диаграмма направленности антенны при θ 0-2°
Коэффициент осевой концентрации антенны характеризует направленные свойства приемника при падении на его диафрагму волн со всех направлений, например от источников помех. Эта величина, К0 показывает во сколько раз меньшая энергия помех от равномерно распределенных источников в окружающем пространстве воздействует на направленный приемник, чем на ненаправленный. Иначе, К0 оценивает степень подавления помех, т.е. помехоустойчивость ГАП в режиме приема.
Коэффициент осевой концентрации – отношение квадрата чувствительности в максимальном направлении к среднему квадрату чувствительности во всех направлениях.
К0 =
Где:
S – площадь рабочей поверхности излучателя
= 0,004 м 
К0 = 48160
2 Выбор и обоснование колебательной системы
По структуре колебательной системы гидроакустические преобразователи делятся на группы: стержневые, цилиндрические, пластинчатые, сферические.
Вид механической колебательной системы преобразователя определяется главным образом рабочей частотой гидроакустического устройства, составной частью которой является проектируемая антенна:
- для частот до 2-3 кГц пригодны пластинчатые и цилиндрические преобразователи, в которых используется изгибные колебания.
- для частот до 25-30 кГц используют пульсирующие цилиндрические преобразователи.
- для частот выше 25-30 кГц – стержневые преобразователи.
В стержневых системах применяются: свободный электромеханический активный стержень, стержень с одной или двумя накладками из неактивного (пассивного) материала, в них возбуждаются продольные колебания по оси стержня с определенным распределением амплитуд, при этом колебания торцов можно считать поршневыми. На высоких частотах накладка не нужна; на средних – применяется, как правило стержень с одной накладкой; на низких – стержень с двумя накладками.
Основным материалом для изготовления ГАП является пьезокерамика. Технологичность и хорошие электромеханические характеристики этого материала позволяет использовать его в качестве активного элемента преобразователя.
По заданию рабочая частота равна 380 кГц, задана стержневая колебательная система; тип антенны: одиночный преобразователь; принцип преобразования: пьезоэлектрический. Следовательно, рационально использовать пьезоэлектрический стержень дисковой формы.
3 Выбор активного материала и определение размеров колебательной системы
В качестве активных материалов ГАП современных антенн, как правило применяют пьезокерамику различных составов и сплавов и магнитострикционные металлы и сплавы. Из параметров, характеризующих работу гидроакустических преобразователей в режиме приема, наиболее важными являются следующие:
1) чувствительность
2) характеристика направленности
3) коэффициент осевой концентрации
Эффективность осуществляемого приемником акустико-электрического преобразования оценивают чувствительностью приемника.
В зависимости от назначения пьезокерамические материалы делят на 4 класса. Материалы I класса пригодны для производства пьезоэлементов приемников и излучателей малой и средней мощности, сюда входят ЦТСНВ-1, ЦТС-19, ЦТБС-1. Из материалов II класса изготовляют элементы, работающие в сильных электрических полях и при больших механических напряжениях и пригодные для излучателей большой (ЦТСС-1, ЦТС-23) и средней мощности (ЦТБС-3, ТБК-3, НБС-1). Материалы III класса используются для производства пьезоэлементов с повышенной стабильностью параметров во времени и при изменении температуры (ЦТС-22, НБС-3). Материалы IV класса используются для производства высокотемпературных пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью параметров в заданном интервале температур и механических напряжений.
Следовательно, в качестве активного материала, выбирается такой материал, который обладает наибольшей чувствительностью.
Исходя из требований по чувствительности, а также меньшего расхода активного материала выбирается пьезокерамика марки ЦТБС-3.
Материал марки ЦТБС-3 имеет следующие значения постоянных [4]
В таблице приняты следующие обозначения:
r – плотность; Ei – модуль упругости; сi– скорость звука; e / e0 – относительная диэлектрическая проницаемость; ru – удельное электрическое сопротивление; sр – предел прочности при статическом растяжении; tк, – температура (точка) Кюри; d – пьезоэлектрический модуль, k – коэффициент электромеханической связи.
Преобразователь стержневого типа, который обеспечивает заданную относительную ширину полосы частот около 5%.
По методичке [4], при продольном пьезоэффекте основная электромеханическая частота:
где:
l – размер стержня в направлении колебаний
1) Длина стержня:
Таблица 1
| Класс | r, кг/м3 | E33Е*10-11, Па | E33D*10-11, Па | c3e , м/с | c3D , м/с | e/ e0 | ru*10-17, Ом*м | sр*10-8, Па | d33*1011 Кл/Н | k31 | k33 | tgs, % | tк, оС | tg d, % | ||
| < 50 кВ/см | 100 кВ/м | 200 кВ/м | ||||||||||||||
| II | 7200 | 0,70 | 1,22 | 3220 | 4120 | 2300 | - | - | 31,6 | 0,3 | 0,65 | 1,2 | 2,0 | 3,0 | 250 | 1,2 |
2) Масса:
