ТИРПЗ лабы


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.


ОПИСАНИ
Я

ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ТИРПЗ

(ПРОЕКТ)

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ДИСКРЕТНОЙ АНТЕННЫ С
АМПЛИТУДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ


Цель работы.

Исследовать характеристики направленности

(ХН)

линейных
дискретных антенн с различными законами ампл
итудного распределения на ряде
частот, заданных преподавателем, и сопоставить результаты измерений с данными
расчетов.

Ознакомиться с методами и аппаратурой для измерения
ХН антенн
.


1.1 Основные сведения

Плоские антенные решетки широко используются в каче
стве приемно
-
излучающих
устройств
как в гидроакустике, так и дефектоскопи
и. Использование
амплитудно
-
фазового распределения на поверхности элементов антенны позволяет
управлять ее направленными свойствами.
Обычно
ХН
антенн определяют в какой
-
либо
плоскости
,

перпендикулярной
поверхности антенны
. При
определении
ХН
антенн составленных из типичных элементов существенную помощь могут оказать
теоремы направленности

[1


3
]
.


В лабораторной работе исследуется плоская дискретная антенна

(см. рис.
1.1а
)
, содержащая


стержневых элементов (преобразователей)
.
Поперечное сечение элементов антенны


м
м
2
, а расстояние между
их центрами

мм.
При измерении
ХН

этой антенны в плоскости
,
содержащей 6 элементов, эту антенну по теореме смещения 
1


3
 можно свести к
линейной дискретной эквидистантной антенне, состоящей из шести одинаковых
элементов (см. рис.
1.1б
).



а)

б)


Рис. 1.1
. Излучающая поверхность

антенны (а) и ее расчетная модель (б) в плоскости
.




2

В общем случае
ХН

такой антенны в плоскости

при наличии
амплитудно
-
фазового распределения может быть определена
,

как
:


,


(1.1)


где
;



скорость звука в среде;



амплитуды колебательных скоростей

на излучающей поверхности элементов, которые пропорциональны
амплитудам
электр
ических напряжений, возбуждающих

преобразователи;
;



текущий угол;



угол компенсации
ХН
. В данной лабораторной работе
сканирование
ХН

не предполагается и угол компенсации
.

В случае симметричного амплитудного распределения по элементам антенны
выражение
(1.1)

может быть упрощено
, а

ее
ХН

в плоскости




определена
с
учетом
теорем умножения и сложения 
1


3
]
по следующей форм
уле:




(1.2
)


где
,
,



амплитуды
колебательных скоростей
;

;



длин
а волны

в

среде

(
воде
)
.

В
таблице 1.1

приведены
примеры
распределений и
з
начений

относительных

амплитуд
,
задаваемых

на

поверхно
сти антенны по направлению оси
.


Таблица 1.1

Значения

относительных

амплиту
д



Закон амплитудного распределения

А
1

А
2

А
3

А
4

А
5

А
6

1

Равномерный

1

1

1

1

1

1

2

Линейно спадающий к краям

0.4

0.7

1

1

0.7

0.4

3

Линейно возрастающий к краям

1

0.7

0.4

0.4

0.7

1

4

Косинусоидальный


0.1

0.6

0.95

0.95

0.6

0.1


Коэффициент

осевой конце
нтрации

(КОК)

исследуемой антенны


может
быть оценен по
формуле:


, (1.3)


где
;
;



ХН антенны в


3

в плоскости
, определяемая

формулой (1
.2)
;




ХН
антенны в плоскости
;
.


1.2 Описание измерительной установки

Схема изме
рительной установки приведена на рисунке 1.2. Измерение
ХН

производится в заглушенном измерительном гидроакустическом бассейне.
Исследуемая антенна 5 закрепляется на штанге поворотного устройства 1, которое
управляется с помощью ПЭВМ 2. Возбуждение антенны

осуществляется с
помощью управляющей ПЭВМ 2 с использованием многоканальных блоков
формирования импульсов 3 и усилителей мощности 4. В дальней зоне
акустического поля излучающей антенны расположен гидрофон 6. Принятый
гидрофоном 6 сигнал подается на усили
тель 7 и после усиления контролируется с
помощью осциллографа 8. Кроме того, усиленный электрический сигнал с выхода
усилителя 7 подается на блок аналого
-
цифрового преобразования, с выхода
которого оцифрованный сигнал подается на вход
Виртуального прибора
,

отображаемого на экране монитора ПЭВМ.

Для минимизации возможных помех и
переотраженных сигналов измерения проводятся в импульсном режиме.




Рис.

1.2
.

Схема измерительной установки.


Для управления измерительной установкой с помощью ПЭВМ в среде
La
bVIEW

разработан
Виртуальный прибор
, лицевая панель которого показана
на рисунке 1.3. Здесь
расположены:
1


кнопка запуска Виртуального
прибора; 2


кнопка завершения работы;
3


окно с изображением принятого импульсного

си
гнала и измерительного строб
а;

4



индикатор угла поворота антенны;
5



регуляторы начальной и конечной границ измерительного строба;
6



блок
управления поворотом антенны в полуавтоматическом режиме;
7



блок
управл
ения выходом в заданную позицию; 8


блок

установки нуля
ХН

по

4

макси
мальной величине принятого сигнала. Кроме того, на лицевой панели
расположен набор
переключаемых вкладок 9
, включающих в себя элементы
управления параметрами возбуждения и вращения исследуемой антенны, а также
окно
10
с графиком

ХН
, полученной в ходе
измер
ений.





Рис. 1.3
.

Лицевая панель Виртуального прибора.


На рисунках 1.4 и 1.5 показаны вкладки (поз. 9, рисунок 1.3), содержащие
соответственно элементы управления параметрами возбуждения и вращения
исследуемой антенны.

Элементы управления параметра
ми импульса возбуждения позволяют
установить:

а) рабочую частоту в кГц;

б) число периодов в импульсе;

в) скважность (относительн
ый период следования импульсов)
;

г) закон распределения относительных амплитуд


колебательных
ско
ростей (электрических напряжений);

д) тип исследуемой антенны (преобразователя) с помощью тумблера Тип
излучателя: для лабораторных работ № 1 и 2


включить Плоская дискретная
антенна, а для лабораторной работы № 4


включить Сложный сферический
излуч
атель.



5



Рис.

1.4
.

Вкладка Параметры возбуждения
.


е
) для лабораторной работы № 2


заданный угол компенсации

ХН антенны.

В этом случае следует нажать и переключить кнопку Распределение с
положения Амплитудное на полож
ение Фазовое.




Рис.

1.5
.

Вкладка Параметры вращения.


Элементы управления параметрами вращением исследуемой антенны поделены
на две группы. Во вкладке Предустановки задаются значения начального и
конечного углов поворота антенны, а также его шаг
; устанавливается направление
обхода и размер выборки (количество усреднений по амплитуде принятого сигнала
в пределах выбранного строба) на каждом шаге угла поворота. Вкладка Запуск
измерительного процесса содержит индикаторы, сигнализирующие о готовн
ости
(или неготовности) Виртуального прибора к запуску процесса измерений, а
также кнопки управления этим процессом. Регуляторы Сглаживание и

6

переключатель Шкала определяют параметры построения графика измеряемой
ХН. Непосредственно процесс измерения

и построения ХН антенны можно
наблюдать в режиме реального времени при включении вкладки График ХН.


1.3 Порядок выполнения работы

1.

Закрепить

с помощью болтового соединения

исследуемую антенну на
штанге поворотного устройства

и
о
пустить
ее в измерительны
й 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 вк
ладке Предварительно
(
поз. 9, рисунок 1.3
)

набрать
номер группы, номер бригады

и номер выполняемой
лабораторной работы. При этом результаты измерений будут записаны в
соответствующую папку.

4.

В
ключить
Виртуальный прибор (см. р
исунок

1.3)
, нажав

кнопку 1
.

При
этом происходит активация окон
3

и
4

Виртуального прибора.

5.

Выбрать на вкладке
Параметры возбуждения (см. рисунок 1.4) тип
излучателя Плоская дискретная антенна.

Указа
ть
параметры импульса
возбуждения, заданные преподавателем:

частоту, число пери
одов

в импульсе и их
скважность.

6.

Установить
предварительно

равномерный закон

амплитудного распределения

по поверхности
антенны
с помощью слайдеров А
1
, А
2

и А
3

(ввиду симметрии
амплитудных распределений остальные слайдеры установятся автоматически)

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.

8.

Определить более точно максимальную амплитуду принятого сигнала

путем
вращения антенны в сравнительно небольшом угловом интервале

(например,
)

с
помощью кнопок Левый борт и Правы
й борт.

Величина принятого
гидрофоном
сигнала
отображается

в окне
3

В
иртуального прибора


и на экране
осцилло
графа
.
Нажать кнопку
Сброс

на панели 8 Установка нуля диаграммы направленности
 и

убедиться в том, что текущее значение на шкале
4

сброшено на н
у
ль
.

9.

З
адать положение границ измерительного строба с помощью слайдеров
панели
5

Виртуального прибора

, после

чего нажать кнопку Точно

на панели 8
Установка нуля диаграммы направленности.
Дождаться завершения
автоматической установки
оси
главного максимума ХН
на измерительный
гидрофон.

В результате акустическая ось
антенны

(главный максимум ее ХН)

7

будет ориен
тирована

на
гидрофон.

Нажать кнопку Сброс на панели 8 и
убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.


10.
Во

вкладке Параметры вращения


(см. рисунок 1.5)


уст
ановить
:

диапазон
измерений от 

90°

до 90°, шаг измерений 1°

или 2°




по согласованию с
преподавателем

и нажать кнопку ПУСК. Дождаться окончания процесса
измерения и

повторить измерение

для другого закона амплитудного распределения
антенны.

11.
После окончания измерений завершить работу Виртуального прибора
,

нажав кнопку

2
,

и скопировать файлы с полученными данными из указанного
преподавателем каталога с
ПЭВМ

на фл
еш
-
накопитель
.

12.
Исследования выполняются для
двух
час
тот, заданных преподавателем, и

следующих законо
в амплитудного распределения: 1


равномерного; 2


линейн
о
спадающего к краям антенны; 3


линейно нарастающего к

краям антенны; 4


косинусоидального
.


1.4 Обработка
результатов измерений
и требования к отчету

Результаты измерений и расчетов по формуле (1
.2
) для разных законов
амплитудного распределения оформляются в виде диаграмм направленности в
полярных или декартовых координатах
.
На основании получ
енных
экспериментальных данных и результатов расчетов определяются: полная угловая
ширина ХН
, определяемая по первым ее нулям, а также


их угловое
положение; угловая ширина ХН
, определяемая по уровню
-
3 дБ (0.707) от
максимального ее значения; угловое положение и уровень первых двух побочных
максимумов. Эти данные заносятся в таблицу. Дается физическое объяснение
причин изменения характеристик направленности в зависимости от заданных
законов амплитудног
о распределения.
Следует провести

сопоставление
экспериме
нтальных и теоретических данных и

проанализировать

причины их
расхождения.

Оценить
для исследованных законов

амплитудного распределения

расчетное значение
КОК по формуле (1.3). Результаты расчетов св
ести 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;



сравне
ние экспериментальных и расчетных данных с указанием причин их
расхождения;



выводы по работе.


8

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


1.5 Контрольные вопросы для подготовки



Как влияет закон амплитудного распределения на основны
е параметры
ХН
:


а) на ширину главного максимума;

б) на уровень побочных лепестков?



Какой
из

исследованных

законов амплитудных распределений является
оптимальным с точки зрения получения наименьшего уровня побочных
максимумов?



Как
будет изменя
т
ь
ся коэффици
ент осевой концентрации антенны в
зависимости от закона амплитудного распределения?


Список литературы:

1.

Свердлин Г.М.
Прикладная гидроакустика: Учеб.

пособие, Л., Судостроение, 1990, 320 с.

2.

Смарышев М.Д., Добровольский

Ю.Ю. Гидроакустические антенны
/ Справ
очник по
расчету направленных свойств гидроакустических антенн, Л., Судостроение, 1984, 304 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.


Лабораторная р
абота №

2

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НАПРАВЛЕННОСТИ

ДИСКРЕТНОЙ ЛИНЕЙНОЙ КОМПЕНСИРОВАННОЙ АНТЕННЫ


Цель работы.

Ознакомиться с основными характеристиками компенсированных

антенн и методикой измерения их характеристики направленности. Провести
измерения ха
рактеристик направленности антенны для разных значений углов
компенсации. Проанализировать результаты измерений и сопоставить их с
результатами расчетов.


2.1 Основные сведения

Антенна называется компенсированной в заданном направлении, если ее
главный мак
симум ориентирован в указанном направлении. Компенсация

характеристики направленности

достигаетс
я обычно за счет введения в цепь

возбуждения

элементов антенны


режиме

излучения)

или в цепь усиления (
в
режиме приема)
временной задержки, реализуемой в анал
оговых устройствах с
помощью линий задержки.
В данной лабораторной работе

временная задержка
реализуется программно.

В лабораторной работе исследуется плоская дискретная антенна
(см. рис.
2.1а
)
,
содержащая

стержневых элементов (
преобразователей)
.
Поперечное сечение элементов антенны


м
м
2
, а расстояние между

9

их центрами

мм.
При измерении характеристики направленности

(ХН)

этой антенны в плоскости
, соде
ржащей 6 элементов, эт
у а
нтенну по теореме
смещения 1


3
 можно свести к линейной дискретной эквидистантной антенне,
состоящей из шести одинаковых элементов (см. рис. 2.1
б
).

В общем случае
ХН

такой антенны в плоскости

при налич
ии
амплитудно
-
фазового

распределения может быть определена как
:



,



(2.1)




а)

б)


Рис. 1.1
. Излучающая поверхность антенны (а) и ее расчетная модель (б)

в плоскости
.


где

;



скорость звука в среде;



амплитуды колебательных скоростей
на излучающей поверхности элементов, которые пропорциональны возбуждающим
преобразователи электрическим напряже
ниям
;





текущий угол
;



угол компенсации ХН
.
В данной лабораторной работе
амплитудное распределение вдоль излучающей поверхности антенны не изменяет
ся
,

т.е.
, поэтому формула (2.1)
упрощается и
принимает вид:







(2.2)


где
;

.

В формулах (2.1) и (2.2) учтена нормировка ХН
непрерывного э
лемента антенны длиной

в направлении угла компенсации
.

В
виду

наличия
заданного
сдвига по фазе

или
времени

задержки

между соседними элементами антен
ны

при их возбуждении
,

10

г
лавный максимум
ее
ХН

оказывается ориентированным в направлении
,

соответствующему
синфазному сложению волн, излученных элементами антенны.


У дискретных антенн возможно возникновение добавочных максимумов,

равных по величине главному. Условие отсутствия добавочных максимумов для
линейных компенсированных антенн определяется неравенством

[1


3
]
:



или
.



(2.3)


При увеличении угла компенсации

происходит увеличение
ширины
ХН
,
уменьш
ение уровня
принимаемого гидрофоном
сигнала
в направлении

и

изменение значения коэффициента

осевой концентрации
, который

может быть
оценен по формул
е
:



,

(2.4)


где
;
;



ХН антенны
в плоскости
, определяемая

формулой (
2.2);



ХН
антенны в плоскости
;
;
.


2.2 Описание измерительной установки

Описание измерительной установки, ее структурной схемы, порядка работы с
Ви
ртуальным 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

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 ам
плитуд


неактивным.

Установка времени

задержки


при возбуждении элементов антенны


в лабораторной работе реализуется программно с
помощью Виртуального
прибора.

Для пояснения

возможности
поворота
ХН антенны

на заданный угол
,

н
а
рис. 2.2 приведена функциональная схема линии задержки

(
в
а
налоговом
варианте)
.

Здесь
показаны:
набор элементов

(преобразователей)


в
составе гидроакустической антенны;
линия задержки
, формируемая элем
ентами


11

и
,

с
переключаемыми отводами; Плз


переключатель линии задержки; ГС


вход генератора сигналов.

Положение 0 соответствует синфазному возбуждению
всех
преобраз
ователей.
В положении

1
в цепи
возбуждения
элементов антенны
использу
е
тся задержк
а

по времени
, где
.

Характеристическое
(волновое) сопротивление

служит для согласования и устранения
отражений от концов линии

задержки.




Рис. 2.2
. Функциональная схема
аналоговой
линии задержки.


2.3 Порядок выполнения работы

1.

Закрепить

с помощью болтового соединения

исследуемую антенну на
штанге поворотного устройства

и опустить в измерительный бассейн
.

2.

Установить исслед
уемую 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, рисунок 1.3)

набр
ать номер группы, номер бригады и номер выполняемой
лабораторной работы. При этом результаты измерений будут записаны в
соответствующую папку.

4.

В
ключить Виртуальный прибор (
см. рисунок 1.3), нажав кнопку 2
. При
этом происходит активация окон 3 и 4 Виртуа
льного
прибора.

5.
Выбрать на вкладке Параметры возбуждения


(см. рисунок 1.4)

тип
излучателя Плоская дискретная антенна
.

Указать параметры импульса
возбуждения, заданные преподавателем: частоту, число периодов в импульсе и их
скважность.


12

6.
Установить

(предварительно)

значение угла компенсации
антенны


и

нажать кнопку 
OUTPUT
.


7.
По согласованию с преподавателем установить нужную амплитуду
возбуждающего электрического напряжения и усиление на усилителе У4
-
28,
которое удобн
о для проведения измерений.

8.
Определить более точно максимальную амплитуду принятого сигнала путем
вращения антенны в сравнительно небольшом угловом интервале (например,
) с
помощью кнопок Левый борт и Правый борт. Величина

принятого гидрофоном
сигнала отображается в окне 3 Виртуального прибора и на экране осциллографа.
Нажать кнопку

Сброс


на панели 8 Установка нуля диаграммы направленности и
убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.

9.
Задать
положение границ измерительного строба с помощью слайдеров
панели 5 Виртуального прибора, после чего нажать кнопку Точно на панели 8
Установка нуля диаграммы направленности. Дождаться завершения
автоматической установки оси главного максимума ХН на и
змерительный
гидрофон. В результате акустическая ось антенны (главный максимум ее ХН)
будет ориентирована на гидрофон.
Наж
ать кнопку Сброс на панели 8 и
убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.

10.
Во вкладке Параметры вращения


(см. рисунок 1.5)

установить

диапазон
измерений от 

90° до 90°, шаг измерений 1°

или 2°


по

согласованию с
преподавателем

и нажать кнопку ПУСК. Дождаться окончания процесса
измерения и повторить измерение для другого угла компенсации антенны.

11
.
После окончания измерений завершить работу Виртуального прибора
,
нажав кнопку
2
,

и скопировать
файлы с полученными данными из указанного
преподавателем каталога с ПЭВМ на флеш
-
накопитель.

12
.
Исследования выполняются для
двух
частот, заданных преподавателем,

и
следующих значений углов компенсации
.


2.4 Обработка
результато
в измерений
и требования к отчету

Результаты измерений и теоретических расчетов по формуле (2.2) для разных
углов компенсации (значений времени задержки) оформляются в виде диаграмм
направленности в полярных или декартовых координатах
.
На основании
получен
ных экспериментальных данных и результатов расчетов определяются:
полная угловая ширина ХН
, определяемая по первым ее нулям, а также


их
угловое положение; угловая ширина ХН
, определяемая по уровню
-
3
дБ
(0.707) от максимального ее значения; угловое положение и уровень первых двух

13

побочных максимумов. Эти данные заносятся в таблицу. Дается физ
ическое
объяснение причин изменения характеристик направленности в зависимости от
угла компенсации (времени заде
ржки).

Следует провести

сопоставление
экспериме
нтальных и теоретических данных и

проанализировать

причины их
расхождения.

Оценить для исследованных законов

амплитудного распределения

расчетное значение КОК по формуле (
2.4
). Результаты расчетов свести в таб
лицу.

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 экспер
иментальных 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



Как влияет угол компенсации на параметры
ХН
:

а) на ширину главно
го
максимума;
б) на уровень побочных лепестков?



Как изменяется коэффициент осевой концентрации антенны в зависимости
от угла компенсации?



При каких углах компенсации


для исследуемой антенны может

появиться
добавочный максимум
Х
Н

и чем это явление обусловлено
?


Список литературы:

1.

Свердлин Г.М.
Прикладная гидроакустика: Учеб.

пособие, Л., Судостроение, 1990, 320 с.

2.

Смарышев М.Д. Элементы теории направленности гидроакустических антенн: Учеб.
пособие / С
-
Пб., Изд. СПбГЭТУ ЛЭТИ, 20
04, 144 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.


Лабораторная работа №

3

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ

КРУГЛОГО И ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПОРШНЕ
ВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ


Цель работы:

Ознакомиться с направленными свойствами плоских
поршневых антенн круглой и прямоугольной формы.

Произвести измерение и
сравнение их характеристик направленности (ХН).



14

3.1 Общие сведения

Плоские поршневые излучатели широко ис
п
ользуются как в ультразвуковой
технике,
так и

в гидроакустике. Исследуемые в данной работе излучатели имеют
круглую и прямоугольную форму излучающих поверхностей.

а)
ХН

плоского круглого некомпенсированного поршневого излучателя (рис.
3
.1
а) в бесконечном а
бсолютно жестком экране описывается выражением 1



3
]:


,

(3.1)


где



радиус поршня;




волновое число
;




дли
на волны в
среде;




угол между нормалью к поверхности излучателя (осью

) и
направлением на точку
прием
а;



цилиндрическая
функция Бесселя

первого
порядка 2
, 4
]

от аргумента

.

Функция

в зависимости от обобщенной координаты

графически представлена на рис.

3
.2 и имеет нули при


= 3.83; 7.01;
10.17; 13.32, которые соответствуют

корням уравнения
. Этим графиком
можно пользоваться при построении расчетных ХН.



а) б)


Рис.

3
.1
.

Круглый и прямоугольный поршень


П
ри

функция

равна

единице
, а в

пределах до

формируется главный максимум

ХН
. Ос
тальные экстремумы имеют значе
ния

0.13; +0.06;

0.04

и соответствуют побочным максимумам

ХН
.

Собственно ХН
обыч
но определяется по модулю (см. формулу (3.1)). Это связано с тем, что
приемники звукового давления (гидрофоны, микрофоны) реагируют на изменение
амплитуды сигнала, но не чувствительны к его фазе.








0

0

Z

Z

X

X

Y

Y

Приемник

Приемник

2
а


15



Рис.

3
.2
.

Обобщенный график функции


Полная угловая ширина главного максимума

ХН
, соответствующая первым
нулям (2
.1
) определяется из формулы 1
:





Выражение для полной угловой ширины главного максимума
ХН
на уровне

-
3дБ (
0,707
)

имеет вид
:




К
оэфф
иц
и
е
нт
осевой
концентрации круглого поршня вычисляется по
формуле
:


.



При достаточно больших волновых размерах излучателя


коэффиц
иент
осевой
концентрации можно определи
ть, по пр
иближенной формуле
:


,

(3.2)


где



площадь поршня.

Практически
выражением (3.2) можно
пользоваться уже при

или
.

б)
ХН
прямоугольного некомпенсированного поршневого излучателя (рис.
3
.1
б) в бесконечном абсолютно жестком экране имеет вид 1
:


, (3.
3
)



-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0
2
4
6
8
10
12
14

16

где
,



раз
меры сторон излучающей поверхности;
,



углы, задающие
направление на
точку приема
.

Часто представляют интерес
ХН
в плоскостях

, перпендикулярных
плоскости антенны и проходящих
параллельно сторонам прямоугольника или
через его диагональ. Для плоскости
, параллельной

стороне

, имеем
:


. (
3.4
)


В
том
случае, когда
плоскость

параллельна стороне
, получим
:


.

(
3.5
)


В том случае, когда плоскость


проходит

через диагональ прямоугольника,
выражение дл
я
ХН
совпадает с

формулой

(3
.3
), в которую

следует подставить

значение

.

На рис.

3.3 представлен
обобщенный
график
для
функций
, стоящих под
знаком модуля в выражениях (3.4) и (3.5
)

и представленных в виде
.




Рис.

3
.3
.

Обобщенный график функции



Н
ули

этих функций определяются

при

или
.

Значения
макси
мумов

функций

соответственно равны
+1;

0.22; +0.13;

0.09; 

Для плоскос
тей
,
нормальных

к поверхности поршня и
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
2
4
6
8
10
12
14

17

параллельных
сторонам прямоугольника, угловая шир
ин
а

(раскрыв)

главного
максимума по первым нулям
ХН
имеет в
и
д
:



при


и


при

.


У
гловая ширина

главного максимума ХН по уровню
-
3дБ (0.
707
)

равна
:



при


и


при

.

Коэффициент

осевой

концент
рации прямоугольного пор
ш
ня при

и

может быть вычислен по приближенной формуле

[
1
, 3]:

.


3.
2

Описание измерительной установки

Экспериментальное исследование
ХН
круглого

(диамет
р:

мм)

и
прямоугольного

(размеры:

мм
)

поршней
осуществляется
с
помощью измерительной установки
, структурная схе
ма которой представлена на
рис.

3
.4.

Измерения проводятся в воздухе в импульсном режиме.




Рис.

3
.4
.

Схема измерительной установки


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

от
центра излучающ
ей поверхности антенны. Это расстояние выбирается из условия

(



наибольший линейный размер излучающей поверхности), чтобы
приемни
к оказался в дальней зоне поля излучателя. Электрический сигнал с
приемника
1

через усилитель 4 подается на индикатор

уровня сигнала 5, в качестве
которого и
спользуется

осциллограф.

Излучатель 2 представляет собой
стержневой
пье
зо
керамический преобразовате
ль со сменными накладками

(поршнями)

круглой и прямоугольной

формы. Преобразователь заключен в звукоизолирующий
кожух для
уменьшения влияния возможных помех.
Приемником
1

служит
конденсатор
ный микрофон. В установке предусмотрена возможность вращения
r

1

2

3

4

5

6

7


18

излуча
т
еля (исследуемого поршня) в горизонтальной плоскости с

помощью
поворотного устройства 3.

Методика измерений

ХН

заключается в регистрации амплитуды
электрического напряжения на выходе усилителя 4 при различных углах поворота
излучателя

(исследуемого поршня
)

относительно направления на приемник.


3
.
3

Порядок выполнения работы

1.

Изучив описание измерительной

установки и
п
олучив разрешение
преподавателя, вклю
чить аппаратуру и прогреть ее 5

мин.

2.

Излучатель и приемник установить так, чтобы нормаль к центру
и
злучающей поверхности излучателя

(исследуемого поршня)

проходила через
центр приемника.

3.

Установить частоту генератора и амплитуду возбуждающего излучатель
сигнала по указанию преподавателя.

4.

Установить значение коэффициента усиления приемного тракта у
становки

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
.
Медле
нно 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
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 в
др
угую сторону. Отсчеты брать по показаниям индикатора



экрана осциллографа

. Тщательно
зафиксирова
ть все минимумы и максимумы характеристики
направленности, а также необходимое для построения диаграммы направленности
количество пр
омежуточных значений.
Измерения повторить три раза.
Результ
аты
измерений занести в таблицу,
пример структуры которой приведен в табл. 3.1
.

8.

Изначально на преобразователе установлена круглая накладка. После
выполнения всех необходимых измерений следует дополнительно установи
ть на
преобразователь прямоугольную накладку, предварительно отключив сигнал

возбуждения

на блоке усилителя мощности

с помощью тумблера 
Высок
ое
напряжение

. П
овторить
весь
процесс определения резонансной частоты
преобразователя с прямоугольной накладкой

и

из
мерения ХН
для
двух
ее

19

характерных размеров

и

соответственно
в двух
взаимно перпендикулярных
плоскостях
.


Таблица 3.1

,

град.

Круглый (прямоугольный ) поршень

Измерение 1

Измерение 2

Измерение

3

Лев. борт

Прав. борт

Лев. борт

Прав. борт

Лев. борт

Прав. борт

0







5







10







..







90








9.

После окончания измерений и проверки их результатов преподавателем
выключить аппаратуру.


3
.
4

Обработка результатов
измерений
и оформление отчета

1.
Провести статистическую обработку результатов измерений, найдя среднее
значение

для каждого угла

и величину доверительного интервала

Данные занести в
соответствующую
таблицу.

2.
Рассчитать экспериментальные значения характеристики направленности

и величину доверительного интервала

по формулам

и


Данные по
,
,

и

занести в
соответствующую
таблицу.

3.
Для каждого типа поршня определить его волновой размер рассчитать

и
построить

характеристики направленности
, используя формулы (3.1)


(3.5)
или графики рис. 3.2 и 3
.3.

4.
По результатам эксперимента и расчета определить
полную угловую
ширину главного максимума
ХН


по

уровню
-
3 дБ

(0.
707
)

и коэффициент
ы

осевой
концентрации


и
.

В отчете необходимо привести:


краткие теоретические сведения;


схему измерительной установки с описанием назначения отдельных ее
узлов и ап
паратуры;


расчетные формулы с пояснениями;


данные теории и эксперимента, сведенные в таблицу;


20


графики для каждой антенны с представленными на них парами кривых
экспериментальной и теоретической характеристик направленности (в функции
от
угла
) в прямоугольной системе координат; на экспериментальных графиках
должны быть отражены результаты статистической обработки;

● результаты расчета

полной угловой

шири
ны


главного максимума ХН

и
коэффициента осевой

концентрации

для каждой антенны;


краткие выводы по работе.

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


3
.
5

Контрольные вопросы для подготовки


От чего зависит угловая ширина главного максимума характе
ристики
направленности?


Что такое дальняя зона излучателя?


Дать определение коэффициента
осевой
концентрации.


При каких условиях справедлива приближенная формула для определения
коэффициента
осевой
концентрации 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.

3. Диа
нов 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 ХАРАКТЕ
РИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ СЛОЖНОГО
СФЕРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ


Цель работы.

Ознакомиться с вариантом построения сложного сферического
преобразователя, а также



с

методами и аппаратурой для формирования с
помощью него перестраиваемых в пространстве характеристик
направленности.

4
.1 Основные сведения

В качестве сложного сферического излучателя используется преобразователь
с крестообразной колебательной системой, составленной из
пьезостержней

ориентированных по трем осям координат, имеющих общий центральный элемент

и
фронтальны
е накладки, образующие сферическую внешнюю п
оверхность 1
]

с
внешним радиусом

мм
. Схематически этот преобр
азователь изображен на
рисунке 4
.1, где

введены следующие обозначения: 1


пьезостержень, 2



21

армирующая стяжк
а; 3


центральный элемент; 4


фронтальна
я накладка; 5
герметизирующая прокладка.

В зависимости от характера возбуждения тех или
иных пьезостержней преобразователь может формировать ненаправленную, а
также дипольные, кардиоидные и второго порядка характер
истики направленности
(ХН) с различной их ориентацией в пространстве.



Рис. 4.1
.

Преобразователь с крестообразной колебательной системо
й.


В общем случае характеристика направленности такого преобразователя, в
зависимости от типа возбуждения пьезостержней, имеет следующий вид

[1
]
:


, (4
.1)


г
де



;



22



;



полиномы Лежандра 
2
];

и



сферические
функции Морза
[
2
];




радиус излучающий поверхность преобразователя;



поверхность сферы единичного радиуса

;

;


и



углы
сферической системы координат.

Непосредственное выполнение расчетов по формуле (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.

Значение угла

здесь
определяется из условия равенства площадей

полюсной


и сектор
ной


поверхностей расчетной
модели. В этом случае, при максимальном упрощении,
формула (4.1) может быть приведена к виду:




Рис. 4.2.

Упрощенная модель для расчета ХН.


, (4.2)


где




Z

X

Y




0







23

Коэффициенты

и

введены для учета необходимого включения
пьезостержней, показанного на рис. 4.3.

Для выполнения расчетов м
ожно воспользоваться значениями функций
Морза, приведенными в табл. 4.1 и 4.2 в зависимости от волнового размера
излучателя

и порядкового номера
. Значения функций

приведены в
градусах.

Таблица 4.1

Значения функций
.








1.0

1.4142

2.2361

9.4340

62.968

547.85

5883.7

1.2

1.0848

1.4262

4.6457

25.816

186.90

1668.9

1.4

0.8778

1.0205

2.5833

12.217

75.742

578.29

1.6

0.7370

0.7931

1.5836

6.4256

34.839

232.16

1.8

0.6355

0.6529

1.0572

3.6669

17.661

104.36

2.0

0.5590

0.5590

0.
7629

2.2361

9.6689

51.313

2.2

0.4993

0.4918

0.5901

1.4436

5.6351

27.141

2.4

0.4514

0.4411

0.4837

0.9823

3.4594

15.253

2.6

0.4121

0.4011

0.4148

0.7036

2.2198

9.0209

2.8

0.3792

0.3686

0.3676

0.5308

1.4811

5.5733

3.0

0.3514

0.3415

0.3333

0.4214

1.0242

3.
5758



Таблица 4.2

Значения функций
.








1
.0

12.30


6.14


0.7


0.02

0.00

0.00

1.2

18.56

8.11

1.59

0.08

0.00

0.00

1.4

25.75

8.97

3.07

0.22


0.01

0.00

1.6

33.68

8.25

5.19

0.51

0.02

0.00

1.8

42.19

5.87

7.77

1.05

0.06

0.00

2.0

51.16


1.97


10.40


1.97


0.15


0.01

2.2

60.49

3.21

12.49

3.38

0.32

0
.02

2.4

70.13

9.44

13.51

5.34

0.64

0.04

2.6

80.01

16.50

13.14

7.80

1.18

0.10

2.8

90.08

24.23

11.31

10.54

2.02

0.20

3.0

100.32

32.49


8.11


13.16


3.27


0.37


В зависимости от типа возбуждения

пьезостержней (синфазное,
противофазное, специальное фазиро
ванное) возможно формирование различных

по форме и ориентации ХН
[1]
. Некоторые типы
возбуждения (схемы включения)

пьезостержней

условно показаны на рис. 4.3
.
Здесь знаки  и 

 означают
синфазное и противофазное включение
пьезостержней
, а знак 0


их

короткое
замыкание. В последнем случае внешняя поверхность фронтальных накладок
оказывается неподвижной (заторможенной).



24





1

2

3




4

5

6


Рис. 4.3.

Типы возбуждения

(включения)

пьезостержней.


Первый тип (1), п
оказанный на рис. 4.3
,

соответствует синфазному
возбуждению всех пьезостержней

(значение коэффициентов
)
, при
котором нормальная компонента амплитуды колебательной скорости
распределяется по внешней поверхности преобразователя поч
ти равномерно и

при
этом

формируется практически ненаправленная ХН.

Второй тип (2) соответствует синфазному возбуждению

только

двух
пьезостержней по любой из осей координат,

при этом другие пьезостержни
закорочены

(значение коэффициентов
)
. В этом случае нормальная
компонента амплитуды колебательной скорости распределяется

только по
внешней поверхности

двух

фронтальных

накладок

(работают только полюсные
накладки, см. рис. 4.2).


Третий тип

(3)
соответствует синфазному возбуждению

четырех
пьезостержней

расположенных в одной плоскости
(значение коэффициентов
)
. Перпендикулярно ориентированная к ним пара
пьезостержней



закорочена.
В этом случае нормальная компонента амплитуды колебательной
скорости распредел
яется

только по внешней поверхности

четырех

фронтальных

накладок

(работают только секторные накладки, см. рис. 4.2).

Четвертый тип

(4
) возбуждения

соответствует синфазному возбуждению двух
пьезостержней по любой из осей координат

с амплитудой
,

при этом другие
пьезостержни
включены по отношению к указанной паре в противофазе

с
амплитудой

(значение коэффициентов
)
.

В этом случае будет
+

+

+

+

+

0

0

0

0

0

+

+

+

+

+

+

+







0

0

0

0

+







+

+


25

формироваться
ХН

излучателя второго порядка,
подобная полиному

Лежандра

.

Пятый тип (5
) возбуждения соответствует противофазному возбуждению двух
пьезостержней по любой из осей координат,

при этом другие пьезостержни
закорочены

(значение коэффициентов
, при этом знак модуля

в
выражении

для

не ставиться, см. формулу (4.2))
. В этом случае будет
формироваться
ХН

излучателя первого порядка,
подобная полиному

Лежандра

, т.е.

близкая к диполю
.

Шестой тип (6) возбуждения соответствует противофазному возбуждению
четырех пьезостержней согласно показанной схеме. Другие пьезостержни


закорочены. В этом случае также будет формироваться ХН подобно диполю, но
повернутая по отношению

к предыдущему случаю на 45
°

и имеющая на той же
частоте более широкие лепестки.

Расчет ХН для этого случая возможен только по
формуле (4.1).

В общем случае для всех типов возбуждения форма ХН будет зависеть от
волнового размера преобразователя
, особенно это проявляется для 2


6 типов.



4
.2 Описание измерительной установки

Описание измерительной установки, ее структурной схемы, порядка работы с
Виртуальным прибором и измерения ХН для сложного сферического излучателя
аналогичны

тем материалам, которые представлены в соответствующем разделе
для Лабораторной работы № 1.
Переключение типов возбуждения пьезостержней
(см. рисунок 4.3) сложного сферического излучателя и, соответственно,
формирование различных ХН, обеспечивается с помо
щью 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 измерит
ельной установки

и ПЭВМ. С рабочего стола
монитора ПЭВМ запустить программу 
Lab
_
Rab

и

во вкладке Предварительно
(поз. 9, рисунок 1.3)

набрать номер группы, номер бригады и номер выполняемой
лабораторной работы. При этом результаты измерений будут записаны в
соответствующу
ю папку.

3.

В
ключить Виртуальный прибор (
см. рисунок 1.3), нажав кнопку
1
. При
этом происходит активация окон 3 и

4 Виртуального прибора.





2
6



№ типа возбуждения

№ нажатых клавиш

1

2, 3 ,4

2

2

3

3, 4

4

1, 2, 3, 4

6

3, 4, 5


Рис. 4.4.

Блок коммутации и типы возбуждения.


4.

Выбрать на вкладке Параметры возбуждения (см. рисунок 1.4) тип
излучателя Сложный сферический излучатель. Указать параметры импульса
возбуждения, заданные преподавателем: частоту, число периодов

в импульсе и их
скважность.

З
атем нажать кнопку 
OUTPUT
.



5.

Установить предварительно с помощью блока коммутации (см. 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.

О
пределить угловую

ориента
цию
преобразователя
путем вращения в
угловом интервале

90
°
 90
°

с помощью кнопо
к Левый борт и Правый 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
д
вумя минимумами, будет

соответствовать

м
аксимальному значению амплитуды и

определять направление

оси одной из пар пьезостержней преобразователя на
измерительный гидрофон
.

Это по
ложение
принимается за условный ноль
 ХН.
Нажать кнопку

Сброс


на панели 8 Установка нуля диаграммы 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 (см. рисунок 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 Виртуа
льного
прибора, нажав кнопку
2
, и скопировать файлы с полученными данными из
указанного преподавател
ем каталога с ПЭВМ на флеш
-
накопитель.


27

10. Исследования выполняются для указанных преподавателем частот и типов
включ
ений

пьезостержней преобразователя (см. рис. 4.3 и 4.4), обеспечивающих

ХН разных видов:



сферическая ХН или ХН нулевого порядка, когда син
фазно 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 отн
ошению к двум другим;



дипольная ХН (акустическая ось повернута на 45
°
), когда противофазно
включаются два соосных пары пьезостержней преобразователя, а оставшаяся
закорочена.


4
.4 Обработка данных и требования к отчету

Результаты из
мерений и расчетов по ф
ормуле (4
.1)

или (4.2)

для разных типов
возбуждения

(включения
) пьезостержней и, соответственно, формирования разных
видов ХН оформляются в виде диаграмм направленности

в полярных координатах.

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


Следует провести

сопоставление экспериме
нтальных и
расчетны
х данных и

проанализировать

причины их расхождения.

Дополнительно нужно выполнить расчеты для трех значений волновых
размеров сложного
сферического преобразователя

(например,
)

для
заданных преподавателем типов включения пьезостержней. При этом д
ается
физическое объяснение возможности изменения
ХН

в зависимости от характера
распределения амплитуды колебательной
скорости по
внешней
поверхности
преобразователя

и его волнового размера

.

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 Конт
рольные вопросы для подготовки


28



Что собой представляют сферические излучатели нулевого, первого и
второго порядков, каков вид их характеристик направленности
?



Как влияет характер распределения амплитуды колебательной скорости по
поверхности сложного сфериче
ского преобразователя на вид его
ХН
:

а) при синфазном возбуждении всех пьезостер
жней и частичном их
отключении;

б) при противофазном возбуждении разных пар пьезостержней
.



Для каких типов включений исследуемого

преобразователя
возможно
проявление эффекта 
акустического короткого замыкания, объясните суть этого
явления.


Список литературы:

1.

Степанов Б.Г.
Электроакустический преобразователь с перестраиваемыми
характеристиками направленности / Судостроительная промышленность, сер. Общетехн., вып.
18, 1988, с.
59


70.

2.

Лепендин Л.Ф. Акустика, М., Высшая школа, 1978, 448 с.


Приложенные файлы

  • pdf 9559231
    Размер файла: 1 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий