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

через преобразователь, который определяет по напряже­ нию L% на балластном сопротивлении. После достиже­ ния номинальной величины тока / н осуществляют вы­ держку преобразователя при этом токе в течение време­ ни tH. Время подъема напряжения Ur до величины, обеспечивающей номинальный ток. не должно превы-

Рис. 99. .Блок-схемы для измерения и примеры частот­ ных характеристик проводимости:

/ — г е н е р а т о р ; 2 — ч а с т о т о м е р ; 3 — п р е о б р а з о в а т е л ь ; 4, 5— в о л ь т ­ м е т р ы ; 6— и з м е р и т е л ь ч а с т о т н ы х х а р а к т е р и с т и к ; 7 — с а м о п и с е ц .

шать 30% от времени выдержки tn. В процессе измене­ ния напряжений фиксируют напряжения Ug и UT. У преобразователя без дефектов зависимость Uq от Ur должна быть прямо пропорциональной. Отклонение за­ висимости от прямолинейной в сторону уменьшения значений Ug свидетельствует о присутствии дефектов.

Следует отметить, что отклонение этой зависимости от прямолинейной возможно также вследствие увеличе­ ния сопротивления преобразователя из-за его разогрева или ухода частоты резонанса. Во избежание ошибок не­ обходимо подстраивать частоту генератора, а преобра­ зователь в случае разогрева подвергать охлаждению с помощью терморегулирующего устройства.

Время выдержки преобразователя при номинальном токе

223

Максимальное напряжение на балластном сопротивле­ нии, соответствующее номинальному току через преобра­ зователь, который создает в нем требуемое динамическое напряжение составляет

2 ,8 -1 0 »/гаудя/р

лучения в составе станции; Ос — скваженность посылки станции;

1Кауд — акустическая удельная мощность; п -коэффициент электромеханической трансформации; fр — резонансная частота;

Rв — балластное сопротивление.

Все величины в системе СИ.

Частоты резонанса и антирезонанса, частотная ха­ рактеристика проводимости. Частоты резонансов и анти­ резонансов можно определить по частотной характери­ стике проводимости (см. типичные характеристики про­ водимости на рис. 99, в: верхняя — для пьезоэлектриче­ ского преобразователя, нижняя — для пьезомагнитно­ го). Частотную характеристику проводимости измеряют с помощью схем, показанных на рис. 99, а, б и опреде­ ляют по формуле

U6

G = -----— , (IX—3)

ReUr

где Uб — зависимое от частоты измеряемое напряжение на бал­ ластном сопротивлении;

Ur — напряжение на генераторе (для удобства расчета и чте­ ния зависимости у пьезоэлектрическою преобразователя Кг целесообразно поддерживать постоянным; при изме­ рениях пьезомагнитных преобразователей следует под­

держивать постоянной индукцию или отношение

Можно измерять частотные характеристики проводи­ мости с помощью прибора автомата-измерителя частот­ ных характеристик типа Х-1-27 рис. 99, г. Такой прибор автоматически поддерживает за счет цепи обратной свя­ зи постоянное напряжение на нагрузке. В его составе имеется генератор качающейся частоты и осциллоскоп, рисующий частотную характеристику. В приборе имеется выход на самописец.

По частотной характеристике проводимости можно сделать заключение о качестве пьезоэлемента (преобра­ зователя). На частотной характеристике проводимости

224

исправного преобразователя должны присутствовать чет­ кие экстремумы в местах, определенных расчетом. По от­ стоянию частот резонанса (максимум проводимости) и антирезонанса (минимум проводимости) можно соста­ вить суждение о добротности и ожидаемом сдвиге частот резонансов в режиме излучения и приема, а по отноше­ нию проводимостей на этих частотах — об эффективности преобразователя. Расщепление или появление не обус­ ловленных расчетом экстремумов говорит о возникнове­ нии паразитных колебаний или наличии механических дефектов.

Скорость звука, пьезомодуль и коэффициент электро­ механической трансформации, диэлектрическая проница­ емость. Скорость звука в пьезоэлементе можно опреде­ лить по измеренной частоте резонанса и известным гео­ метрическим размерам (см. «Условия механического ре­ зонанса», стр. 185). Поскольку от скорости звука в пье­ зоэлементах зависит резонансная частота преобразовате­ ля, в чертежах на пьезоэлеаденты необходимо указывать допустимые пределы разброса величины скорости звука.

Пьезомодуль и коэффициент электромеханической трансформации определяют эффективность пьезоэлемен­ тов и преобразователей. Величины пьезомодулей огова­ риваются техническими условиями на пьезоактивный ма­ териал. Предельные же допустимые значения коэффици­ ентов электромеханической трансформации и пьезомоду­ лей, как правило, указываются в чертежах или другой документации на пьезоэлементы и преобразователи. Экс-' периментальные значения этих параметров определяют аналитически с помощью приведенных ниже выраже­ ний, в которые входит ряд величин, определяемых экс­

конфигурации пьезоэлементов.

Диэлектрическую проницаемость определяют по изме­ ренной емкости и геометрическим размерам.

случай б

ставной частью секционированного цилиндра (см. рис.

226

С ф е р и ч е с к и й п р е о б р а з о в а т е л ь средним радиусом гср с толщиной стенки бэ (электроды нанесе­ ны на наружной и внутренней поверхностях, приме­ няется в качестве калиброванных гидрофонов):

С36

(IX -9 )

0.93г*р ’

2 n r c p f p V I — а

0,92

В выражениях (IX-4) — (IX-9) обозначения следую­ щие:

Формулы, приведенные выше в системе СГСЕ, спра­ ведливы применительно к определению пьезомодуля и скорости звука в пьезоэлементах при следующих усло­ виях:

Для толстостенных цилиндрических, кольцевых и с некоторым приближением для сферических пьезоэлемен­ тов необходимо вводить поправочный коэффициент, на

ны и измерительного излучателя или приемного гидро­ фона— должно быть строго определенным. Минималь­ ное (критическое) расстояние между корреспондентами, на котором в зоне дифракции Фраунгофера формирует­ ся истинная характеристика направленности,

где D - максимальный размер испытуемой антенны;

D* — максимальный размер измерительного излучателя (ги­ дрофона);

А— длина волны в воде.

Взоне дифракции Фраунгофера фронты звуковых *

волн имеют сферическую форму, а давление убывает обратно пропорционально расстоянию (это может слу­ жить критерием проверки сформированное™ сфериче­ ских волн). Критическое расстояние характеризует в пределах раскрыва, например приемной антенны, допустимую степень сферичности облучающей волны. При меньших расстояниях возникают квадратичные фазовые ошибки (см. рис. 51), искажающие истинную характеристику направленности. Можно считать прак-

величина вносимых фазовых ошибок при этом, как пра­ вило, находится на уровне погрешности измерений.

В случае измерения характеристик остронаправлен­ ных антенн и ограниченности в размерах водной аква­ тории возможны и меньшие расстояния между кор­ респондентами. Такие условия вынуждают использовать поправки, учитывающие искусственное увеличение ширины основного и уровня боковых лепестков и уменьшение эффективности антенны. Величины необхо­ димых поправок могут быть получены из графиков, приведенных на рис. 51 й 65. Представляется целесооб­

разным пояснить следующее: ош ибкеф =—— соответ-- о/

ствует

8* 229

При значительном ограничении в расстоянии между корреспондентами либо при испытаниях антенн с харак­ теристиками направленности сложной 'формы возможно проведение измерений в. поле близко расположенной вспомогательной антенны, формирующей плоский волно­ вой фронт, например, в поле синфазно колеблющегося плоского поршня или параболической рефлекторной антенны. Интерференционные максимумы й минимумы в поле такой антенны могут быть подавлены введением асимметричногоамплитудного распределения по ее раскрыву. Расстояние, в пределах до которого сохраня­ ется плоский фронт (прожекторная зона), у синфазной антенны приближенно можно оценить по формуле

Взаимное расположение антенны, излучателя (гид­ рофона) и отражающих объектов выбирают таким, чтобы исключить «захват» характеристикой направлен­ ности принимающего корреспондента отраженных от объектов сигналов. В противном случае измерения должны проводиться с использованием импульсного сигнала. Длительность импульса следует устанавливать такой, чтобы, с одной стороны, обеспечивалась требуе­ мая его '(обычно П-образная) форма, а с другой,— разделялись прямой и отраженные сигналы (рис. 101, а) и исключались из фиксируемых показаний пере­ ходные процессы антенны.

В ряде случаев возможен прием импульсного сигна­ ла. наведенного электромагнитным полем, в том числе и через воду. Импульс электрической наводки распола­ гается непосредственно в начале развертки. Акустиче­ ские сигналы запаздывают на время, соответствующее времени прохождения звуком расстояния между кор­

230

затруднений с классификацией (электрическая навод­ ка— акустический сигнал) следует изменить ориента­ цию или заглубление одного из корреспондентов. Аку­ стический сигнал при этом будет изменяться, а элек­ трическая наводка остается неизменной.

Рис. 101. К пояснению процесса измерения характеристики направ­ ленности, давления, чувствительности:

ному может быть установлена с помощью уменьшения расстояния между корреспондентами. При устойчивой синхронизации расстояние между прямым и отражен­ ным сигналами по шкале развертки осициллографа должно увеличиться. Иногда можно принять за отра­ женный сигнал искажения хвоста импульса, вызванные

его часть отсутствует или слишком узка. Форма сигна­ ла в этом случае^ напоминает картину, возникающую при наличии отражений. Она также меняется с измене-

231

нием частоты и ориентации антенны. Убедиться- в ошиб­ ке можно тоже с помощью изменения расстояния меж­ ду корреспондентами. В этом случае по шкале разверт­ ки происходит сдвиг всех всплесков на одинаковые расстояния. Следует иметь в виду, что и на фоне подоб­ ного сигнала могут присутствовать отраженные.

Необходимо также выбирать частоту следования им­ пульсов такой, чтобы не происходило наложения отражен­ ных сигналов на прямой. Для гарантированного исклю­ чения наложений лучше применять внешнюю синхрони­ зацию от питающего излучатель генератора.

Может возникнуть вопрос: разделены ли прямой сигнал и бтраженный от поверхности воды или дна (см. рис.. 101, б). Минимально допустимое отстояние от поверхности или дна определяется из условия: время /отр прохождения импульса по пути а b с должно быть больше суммы, равной времени tvv прохождения им­ пульса по пути а с и длительности импульса т:

Формула (IX— 12) устанавливает связь между вре­ менем прохождения отраженного сигнала, расстоянием L между корреспондентами и их заглублением Н:

L

(IX— 12)

где с.-, — скорость звука в воде.

Испытываемую антенну устанавливают на поворот­ ное устройство, с помощью которого осуществляется вращение антенны в азимутальной плоскости. При рабо­ те с остронаправленными антеннами необходимо приспо­ собление для наклона антенны по углу места с целью ориентации максимума основного лепестка характери­ стики направленности точно на фазовый центр изме­ рительного излучателя, или гидрофона. Если это усло­ вие не выполняется ,у измеренной характеристики на­ правленности в азимутальной плоскости могут ока­ заться искусственно завышенными боковые лепестки.

Измерительный излучатель и гидрофоны целесооб­ разно располагать на поворотных устройствах, позво­ ляющих поворачивать их по азимуту и перемещать по вертикали для подстройки с целью получения макси­ мального сигнала.

232