Лабораторные_работы_ТИРПЗ
.pdfМИНОБРНАУКИ РОССИИ
____________________________________________________
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
__________________________________________
НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА АКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Учебно-методическое пособие
Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2017
УДК 629.4.052.2(07)
ББК З 87–5я7
П28
Пестерев И. С., Степанов Б. Г.
П28 Направленные свойства акустических систем: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. 50 с.
ISBN 978-5-7629-2055-1
Приводится описание лабораторных работ по дисциплине «Теория излучения, рассеяния и приема звука», ориентированных на получение навыков измерения и расчета характеристик направленности различных по построению и характеру возбуждения акустических систем. Содержит краткие теоретические сведения, описание измерительных установок, методики выполнения и указания по проведению измерений и обработке их результатов.
Предназначено для бакалавров по направлению 12.03.01 «Приборостроение».
УДК 629.4.052.2(07)
ББК З 87–5я7
Рецензент канд. техн. наук, зам. начальника научно-исследовательского отделения АО «Концерн ”Океанприбор”» Г. Ю. Годзиашвили.
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебно-методического пособия
ISBN 978-5-7629-2055-1 |
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017 |
2
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ДИСКРЕТНОЙ АНТЕННЫ С АМПЛИТУДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ
Цель работы. Исследовать характеристики направленности (ХН) линейных дискретных антенн с различными законами амплитудного 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 качестве приемноизлучающих устройств как в гидроакустике, так и дефектоскопии. 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 однотипных элементов, существенную помощь могут оказать теоремы направленности [1–3].
Исследуемая плоская дискретная антенна (рис. 1.1, а) содержит nx ny 6 5 стержневых элементов (преобразователей). Поперечное сече-
ние элементов антенны d1 d1 10 10 мм2, а расстояние между их центрами d2 12 мм. При измерении ХН антенны в плоскости X 0Z , по теореме смещения [1–3], эту антенну можно свести к линейной дискретной эквидистантной антенне, состоящей из шести однотипных линейных элементов (рис. 1.1, б), обладающих в общем случае своими амплитудами.
В данной лабораторной работе сканирование ХН не предполагается и угол компенсации θк 0. Тогда ХН рассматриваемой антенны в плоскости X 0Z при наличии амплитудно-фазового распределения может быть определена, как:
R(θ) |
|
|
6 |
jkd2 (i 1) sin θ |
6 |
sin 0.5kd1 sin θ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
Aie |
|
Ai |
0.5kd1 sin θ |
|
, |
(1.1) |
||
|
|
i 1 |
|
i 1 |
|
|
|
|
где k ωc0 ; c0 – скорость звука в среде; Ai – амплитуды колебательных скоростей на излучающей поверхности элементов, которые пропорциональны амплитудам электрических напряжений, возбуждающих преобразователи; θ – текущий угол.
3
Y |
Z |
|
|
|
|
A1 A2 A3 A4 A5 A6 |
|
М |
|
X
A1 A2 A3 A4 A5 A6 X d1 d2
d1 d2
а |
б |
Рис. 1.1. Излучающая поверхность антенны (а) и ее расчетная модель (б) в плоскости X 0Z
В случае симметричного амплитудного распределения по элементам антенны (1.1) может быть упрощено, а ее ХН в плоскости X 0Z – определена с учетом теорем умножения и сложения [1–3] по следующей формуле:
|
R(θ) |
|
|
|
|
1 |
|
|
A1 cos(5z2 ) A2 cos(3z2 ) A3 cos( z2 ) |
sin z1 |
|
, |
(1.2) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
A1+A2 +A3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z1 |
|
|
|
|
||||||||
где A1 A6 , |
A2 A5 , A3 |
A4 |
– амплитуды |
колебательных |
скоростей; |
|||||||||||||||||||||||
z |
πd1 |
sin θ; |
z |
2 |
|
πd2 |
sin θ ; |
λ – длина волны в среде (воде). В таблице при- |
||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
1 |
λ |
|
|
|
|
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ведены примеры |
распределений |
и |
значений |
относительных |
амплитуд |
|||||||||||||||||||||||
A1, A2, … A6 , задаваемых на поверхности антенны по направлению оси X . |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Значения относительных амплитуд |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
Закон амплитудного распределения |
|
|
А1 |
|
А2 |
А3 |
А4 |
|
А5 |
А6 |
|||||||||||||||||
Равномерный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
1 |
1 |
|
1 |
1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Линейно спадающий к краям |
|
|
|
|
0.4 |
|
0.7 |
1 |
1 |
|
0.7 |
0.4 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Линейно возрастающий к краям |
|
|
|
|
1 |
|
0.7 |
0.4 |
0.4 |
|
0.7 |
1 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Косинусоидальный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.1 |
|
0.6 |
0.95 |
0.95 |
|
0.6 |
0.1 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
Расчетная оценка коэффициента осевой концентрации (КОК) исследуе- |
|||||||||||||||||||||||||||
мой антенны K может быть выполнена по формуле [1, 2]: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
K1 K2 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.3) |
||||
где K1 2 |
π 2 |
R12 (θ)sin θdθ ; K2 2 |
π 2 |
R22 (θ)sin θdθ ; R1(θ) R(θ) – ХН антенны |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
|
|
|
sin(ny z2 ) |
|
sin z |
|
в плоскости |
X 0Z , определяемая (1.2); |
R (θ) |
|
|
1 |
– ХН антен- |
|
|
|||||
|
|
2 |
ny sin z2 |
|
z1 |
|
|
|
|
|
ны в плоскости Y 0Z ; ny 5 . Интегрирование ведется по полупространству ввиду локализации в нем ХН исследуемой антенны.
1.2. Описание измерительной установки
Схема измерительной установки приведена на рис. 1.2. Измерение ХН производится в заглушенном измерительном гидроакустическом бассейне. Исследуемая антенна 5 закрепляется на штанге поворотного устройства 1, управляемого с 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 ( r 2D2λ, где D – наибольший линейный размер антенны). Принятый гидрофоном 6 сигнал подается на усилитель 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.
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
4 |
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
5 |
|
|
|
|||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.2. Схема измерительной установки
Для управления измерительной установкой с помощью ПЭВМ в среде LabVIEW разработан «Виртуальный прибор», лицевая панель которого показана на рис. 1.3. Здесь расположены: 1 – кнопка запуска «Виртуального прибора»; 2 – кнопка завершения работы; 3 – окно с изображением принятого импульсного сигнала и измерительного строба; 4 – индикатор угла поворота ан-
5
тенны; 5 – регуляторы начальной и конечной границ измерительного строба; 6 – блок управления поворотом антенны в полуавтоматическом режиме; 7 – блок управления выходом в заданную позицию; 8 – блок установки указателя угла поворота на значение «нуль», которое соответствует максимальной величине принятого сигнала (направление главного максимума). 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 измерений.
Рис. 1.3. Лицевая панель «Виртуального прибора»
На рис. 1.4 и 1.5 показаны вкладки (поз. 9, рис. 1.3), содержащие соответственно элементы управления параметрами возбуждения и вращения исследуемой антенны.
Элементы управления параметрами импульса возбуждения позволяют установить:
а) рабочую частоту в килогерцах; число периодов в импульсе; скважность (относительный период следования импульсов);
б) 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 излучатель»;
6
в) для лабораторной работы № 2 – заданный угол компенсации θк ХН антенны. В этом случае следует нажать и переключить кнопку «Распределение» с положения «Амплитудное» на положение «Фазовое»;
г) закон распределения относительных амплитуд A1, A2 , … A6 колебательных скоростей (электрических напряжений) для лабораторной работы № 1.
Рис. 1.4. Вкладка «Параметры возбуждения»
Рис. 1.5. Вкладка «Параметры вращения»
Элементы управления параметрами вращения исследуемой антенны разделены 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 индика-
7
торы, сигнализирующие о готовности (или неготовности) «Виртуального прибора» к запуску процесса измерений, а также кнопки управления этим процессом. Регуляторы «Сглаживание» и 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 опустить ее в измерительный 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 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.
4.Включить «Виртуальный прибор» (рис. 1.3), нажав кнопку 1. При этом происходит активация окон 3 и 4 «Виртуального прибора».
5.Выбрать на вкладке «Параметры возбуждения» (рис. 1.4) тип излучателя «Плоская дискретная антенна». Указать параметры импульса возбуждения, заданные преподавателем: частоту, число периодов в импульсе и их скважность.
6.Установить предварительно равномерный закон амплитудного распределения по поверхности антенны с помощью слайдеров А1, А2 и А3 (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, 10 ) с помощью кнопок «Левый борт» и «Правый борт». Величина принятого гидрофоном сигнала отображается в окне 3 «Виртуального прибора»
ина экране осциллографа. Нажать кнопку «Сброс» на панели 8 «Установка нуля характеристики направленности» и убедиться в том, что текущее значение на шкале 4 сброшено на нуль.
8
9.Задать положение границ измерительного строба с помощью слайдеров панели 5 «Виртуального прибора», после чего нажать кнопку «Точно» на панели 8 «Установка нуля характеристики направленности». Дождаться завершения автоматической установки оси главного максимума ХН на измерительный гидрофон. В результате акустическая ось антенны (главный максимум ее ХН) будет ориентирована 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» (рис. 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 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 флеш-накопитель.
Исследования выполняются для двух частот, заданных преподавателем,
изаконов амплитудного распределения, указанных в таблице.
1.4. Обработка результатов измерений и требования к отчету
Результаты измерений и расчетов по (1.2) для разных законов амплитудного распределения оформляются в виде диаграмм направленности в полярных или декартовых координатах. На основании полученных экспериментальных данных и результатов расчетов определяются: полная угловая ширина основного лепестка ХН θ0 , определяемая по первым ее нулям, а также – их угловое положение; угловая ширина основного лепестка ХНθ0.7 , определяемая по уровню –3 дБ (0.707) от максимального ее значения; угловое положение и уровень первых побочных максимумов. Эти данные заносятся в таблицу. Дается физическое объяснение причин изменения ХН в зависимости от заданных законов амплитудного распределения. Следует провести сопоставление экспериментальных и теоретических данных и проанализировать причины их расхождения. Оценить для исследованных законов амплитудного распределения расчетное значение КОК по (1.3). Результаты расчетов свести в таблицу.
В отчете необходимо привести:
краткие теоретические сведения по теме лабораторной работы;
9
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.
1.5.Контрольные вопросы для подготовки
1.Как влияет закон амплитудного распределения на основные параметры ХН: а) на ширину основного лепестка ХН; б) на уровень побочных лепестков?
2.Какой из исследованных законов амплитудных распределений является оптимальным с точки зрения получения наименьшего уровня побочных максимумов?
3.Как будет изменяться КОК 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: 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.
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ ДИСКРЕТНОЙ ЛИНЕЙНОЙ КОМПЕНСИРОВАННОЙ АНТЕННЫ
Цель работы. Ознакомиться с основными характеристиками компенсированных антенн и методикой измерения их характеристики направленности (ХН). Провести измерения ХН антенны для разных значений углов компенсации. Проанализировать результаты измерений и сопоставить их с результатами расчетов.
10