книги из ГПНТБ / Орлов Л.В. Расчет и проектирование антенн гидроакустических рыбопоисковых станций

ности практически стабилизируется по форме (дальняя зона дифракции).

В общем виде характеристика направленности яв­ ляется комплексной функцией направления, задаваемого

определяет распределение амплитудного значения по­ тенциала, давления или мощности и обычно называется амплитудной характеристикой или просто характеристи­ кой направленности антенны.

Аргумент

называется фазовой характеристикой направленности и устанавливает закономерность возможного изменения фазы потенциала скорости вдоль волнового фронта.

Среди большого разнообразия гидроакустических антенн для рыбопоисковой аппаратуры могут быть использованьт плоские (круглые, прямоугольные, ромбо­ видные) и цилиндрические сплошные и секционирован­ ные (дискретные решетки), а также рефлекторные (ко­ нические и параболические) антенны, состоящие из формирующего зеркала и располагающихся в фокаль­ ной области электроакустических преобразователей («мозаики» облучателей).

Антенны могут формировать одну характеристику направленности — широкую (эти антенны обладают ма­ лой разрешающей способностью) или узкую. Для обес­ печения обзора широкого сектора пространства антенну с узкой характеристикой направленности приходится механически поворачивать. Время поиска цели такой антенной увеличивается из-за необходимости в каждом направлении после излучения зондирующего импульса ждать прихода отраженного сигнала в течение времени, необходимого на прохождение звуковой волной расстоя­ ния, равного дальности обнаружения, и обратно.

Для ускорения процесса поиска цели прибегают к антеннам, формирующим веер остронаправленных ха­ рактеристик, или антеннам со сканируемой характери­

10

стикой направленности (качающейся в заданном сек­ торе), для чего используют фазовращатели, компенси­ рующие устройства и электронные коммутаторы.

При излучении антенна может облучать весь задан­ ный сектор сразу широкой (секторной) характеристикой направленности или последовательно при непрерывном повороте узкой характеристикой направленности. Об­ зор пространства в приеме может производиться либо веером остронаправленных характеристик, либо непре­ рывно поворачивающейся характеристикой направлен­ ности, неоднократно пробегающей обозреваемый сектор.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН

Ф о р м а х а р а к т е р и с т и к и н а п р а в л е н н о с т и а н т е н н ы в зависимости от принципа построения станции может быть «игольчатой», «ножевидной», сек­ торной, тороидальной и сферической. У характеристики направленности различают основной лепесток, имеющий максимальный уровень по амплитуде, и боковые лепест­ ки с меньшими уровнями.

Ши р и н а о с н о в н о г о л е п е с т к а х а р а к т е р и ­ с т и к и н а п р а в л е н н о с т и 20л определяет разре­ шающую способность антенны и измеряется на уровне 0,7 от максимального значения по давлению (или на уровне 0,5 по мощности) в градусах. В некоторых слу­ чаях вводят понятие ширины основного лепестка по ну­

основного лепестка. Боковые лепестки являются неже­ лательным элементом характеристики направленности, так как могут приводить к возникновению ложных це­ лей и уменьшению помехоустойчивости. При проектиро­ вании антенн максимальный уровень боковых лепестков обычно ограничивают величиной 10—30% (по давле­ нию) .

Н е р а в н о м е р н о с т ь х а р а к т е р и с т и к и на­ п р а в л е н н о с т и .— понятие, которое вводят с целью ограничения отклонения формы характеристики направ­ ленности в пределах основного лепестка от заданной и применяют чаще всего к широким характеристикам

11

направленности. В большинстве случаев неравномер­ ность характеристики направленности по давлению огра­

энергетическую эффективность антенны: в режиме излу­ чения — способность антенны концентрировать излучен­ ную энергию в заданном направлении, в режиме прие­ м а — выделять полезный сигнал на фоне помех. Коэф­ фициент концентрации в режиме излучения определяют, как отношение акустических мощностей, излучаемых ненаправленной и направленной антеннами, создающими одинаковые интенсивности звука (потоки звуковой энергии через единицу площади в единицу времени) в выбранном направлении на равном удалении от центров излучения. Коэффициент концентраций в режиме прие­ ма можно определить, как отношение мощностей, раз­ виваемых ненаправленной и направленной антеннами, находящимися в поле изотропных помех при равных чувствительностях.

СГС-) характеризует способность антенны преобразовы­ вать акустическую энергию в электрическую и является отношением напряжения, возникающего на выходе ан­ тенны, к звуковому давлению, воздействующему на нее.

Э л е к т р о а к у с т и ч е с к и й к о э ф ф и ц и е н т по ­ л е з н о г о д е й с т в и я характеризует излучательную способность антенны и является отношением излучаемой акустической мощности к подведенной к антенне элек­ трической мощности. Считается, что антенны с коэффи­ циентом полезного действия 40—60% обладают хорошей излучательной способностью. Остальная часть энергии

эффективность антенны как электроакустического пре­ образователя в диапазоне частот. Антенны эхолокацион­ ных станций, как правило, состоят из резонансных пре­

образователей. Вне резонанса эффективность их сни­ жается.

ряется на уровне 0,7 от максимальных значений давле­ ния и чувствительности и на уровне 0,5 по мощности

12

в процентах от резонансной частоты. В зависимости от конструкции преобразователей и особенностей актив­ ного материала, из которого они выполнены, полоса про­

Максимально допустимая удельная акустическая мощ­ ность ограничивается механической прочностью, нели­ нейными эффектами, заданным сроком службы преоб­ разователей (эти факторы зависят от конструктивных особенностей преобразователей) и кавитационной проч­ ностью воды, зависящей от ее загазованности, частоты акустических колебаний, гидростатического давления, длительности излучаемого импульса и ряда других причин. Допустимая удельная акустическая мощность может варьировать в пределах 0,5— 10 Вт/см2.

кулярную направлению излучения (приема). Чем боль­ ше волновые размеры раскрыва антенны, тем острее может быть ее характеристика направленности.

С о п р о т и в л е н и е а н т е н н ы — в общем случае комплексная величина, складывающаяся из внутреннего сопротивления (сопротивления гидроакустической ан­ тенны, находящейся в воздухе) и сопротивления излуче­ ния— сопротивления, характеризующего реакцию среды. При работе антенны в области резонанса основную роль играет активная часть внутреннего сопротивления антенны. Электрическая составляющая внутреннего со-, противления определяет ту часть энергии, которая рас­

идущую на трение при колебательном движении. Сопротивление излучения есть коэффициент пропор­

циональности между акустической мощностью и квад­ ратом действующего значения колебательной скорости поверхности антенны. Активная часть сопротивления из­ лучения определяет количество излучаемой в простран­ ство и «уносящейся» от антенны энёргии (или посту­ пающей в антенну в приеме). Реактивная составляющая сопротивления излучения образуется при наличии фа-

13

зового сдвига между звуковым давлением и колеба­ тельной скоростью. Она свидетельствует о наличии периодического обмена энергией между антенной и

средой.

Сопротивление излучения антенны можно найти, со­ ставив произведение из акустического сопротивления волны соответствующей формы и площади излучающей поверхности антенны. В случае, если форма волнового фронта неизвестна, процесс определения сопротивления излучения существенно усложняется в связи с необходи­ мостью решения уравнения, содержащего двукратные интегралы по поверхности антенны. Величины активного и реактивного сопротивления излучения зависят от со­ отношения между размерами излучающей поверхности и длиной волны. Чем больше волновые размеры антен­ ны, тем больше активное и меньше реактивное сопро­ тивление излучения. В предельном случае (плоские вол­ ны) активная составляющая сопротивления излучения стремится к рс5, а реактивная — к нулю.

При прочих равных условиях количество передавае­ мой антенной в среду энергии зависит от соотношения величин внутреннего сопротивления потерь и активной составляющей сопротивления излучения. В эквивалент­ ной схеме антенны (преобразователя) сопротивления, характеризующие электрические и механические сторо­ ны антенны, составляют параллельные ветви, причем со­ противление механических потерь и сопротивление излу­ чения находятся в одной ветви. Из этого следует, что отношение энергии, расходуемой на акустическое излу­ чение, к полной механической энергии с ростом сопро­ тивления излучения увеличивается, стремясь к единице, а отношение механической энергии к полной умень­ шается. Возможно такое соотношение сопротивления излучения и внутреннего сопротивления, при котором от­ ношение акустической мощности к полной будет макси­ мальным.

В практике гидроакустики нередки случаи совмест­ ной работы нескольких электроакустических преобразо­ вателей. При этом реакция среды на поверхность каж­ дого преобразователя определяется собственным полем и полями соседних преобразователей. Возникают так называемые взаимные сопротивления излучения. Малые волновые размеры преобразователей, близкое их распо­

14

ложение и работа в области резонанса способствуют возникновению сильной связи, которая может приводить к перераспределению амплитуд и фаз колебаний и из­ менению резонансных частот преобразователей, состав­ ляющих антенну.

Глава I

СПЛОШНЫЕ АНТЕННЫ

ПЛОСКИЕ АНТЕННЫ С КРУГЛЫМ РАСКРЫВОМ

Плоские антенны с круглым раскрытом — широко распространенный в гидроакустике тип антенн. Приме­ няются в случае необходимости формирования характе­ ристики направленности, имеющей круговую симметрию относительно оси, проходящей через центр антенны пер­ пендикулярно к ее поверхности.

Все точки поверхности антенны колеблются синфазио и с одинаковой амплитудой.

Нормированная характеристика направленности оп­ ределяется выражением

Z

л -у- Sin 0приведен на рис. 3 и представляет форму ха­

рактеристики направленности круглого плоского поршня в общем виде. С помощью этого графика или использо­ вания выражения (I— 1) можно определить в секторе ±90° точную характеристику направленности круглого поршня любых размеров, находящегося в бесконечно жестком экране (неподвижной стенке), а также при­ ближенную, с достаточно высокой степенью точности для инженерных расчетов характеристику направлен-

15

ности круглого поршня (при диаметре, большем длины волны), работающего без экрана.

Расчетная характеристика направленности круглого поршня в жестком бесконечном экране имеет первый

давлению от волнового размера диаметра поршня (D/X) в пределах от 4,0 до 50,0 приведены на рис. 4 и в пре­ делах D/Х от 0,25 до 6,0 — на рис. 5. На этом же ри­ сунке пунктиром обозначены углы раствора основного лепестка характеристик направленности излучающих одной стороной круглых поршней без экранов. Характе­ ристики направленности таких поршней для значений D/X= 0,5; 1,0; 2,0, полученные в результате решения дифракционной задачи с применением метода собствен-

Рис. 4. Зависимость ши­ римы основного лепестка характеристики направ­ ленности круглого порш­ ня (в бесконечном жест­ ком экране) от его вол­ нового размера на уро­ вне 0,0; 0,3; 0,5; 0,7 (при D/Х от 4,0 до 50,0).

17

пых функций в сплющенных сфероидальных координа­ тах, приведены на рис. 6*.

Для приближенных расчетов ширимы основного ле­ пестка характеристики направленности на уровне R

Рис. 5. Зависимость ширины основного лепест­ ка характеристики направленности круглого поршня на уровнях 0,0; 0,3; 0,5; 0,7 (при D/X от 0,25 до 6,0). Сплошные кривые для поршня в бесконечном жестком экране, пунктирные —

для поршня без экрана.

Рис. 6. Характеристики направленности круг­ лого поршня без экрана:

1 — О Д =0,5; 2 -П /Л = 1: 3 - D / % = 2.

*■ Приведенные данные по круглым поршням без экрана полу­ чены А. А. Шабровым.

18

поршня (в градусах) в зависимости от его волнового размера может быть рекомендована формула

1 Для диагональной плоскости в зависимости от размера стороны квадрата.

Значения коэффициента % для различных R сведены в табл. 1 (см. также табл. 2).

ПЛОСКИЕ АНТЕННЫ С ПРЯМОУГОЛЬНЫМ РАСКРЫВОМ

Антенна с прямоугольным раскрывом наиболее ши­ роко распространена в гидроакустике. Применяется в случаях необходимости формирования характеристики направленности с основным лепестком заданной шири­ ны, одинаковой или различной в двух взаимно перпен­ дикулярных главных плоскостях— азимутальной (гори­ зонтальной) и угломестной (вертикальной), а жестких требований к ширине основного лепестка в других плос­ костях, проходящих через главную ось антенны, не предъявляется. Часто используется для формирования «ножевых» характеристик направленности, имеющих резко отличную ширину основного лепестка в главных плоскостях: на порядок и более. В большинстве случаев в азимутальной плоскости требуется острая характери­ стика направленности, а в угломестной широкая.

Нормированная характеристика направленности в любой плоскости, проходящей через главную ось, опре­ деляется выражением

19