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

В некоторых случаях, например при наличии отра­ жающих объектов, хорошие результаты можно полу­ чить, если использовать направленные излучатели и гидрофоны,-

Антенны, преобразователи, излучатели и гидрофоны малых волновых размеров нужно располагать на рас­ стояниях в несколько длин волн от массивных деталей поворотных устройств, для чего можно использовать специальные переходные приспособления, иначе воз­ можны дополнительные ошибки из-за искажения поля.

Поворотные устройства жестко связывают с непод­ вижными основаниями бассейна, в полигонных услови­ ях располагают по возможности на одном плавающем основании, а в случае установки корреспондентов на

•разных плавающих основаниях последние должны быть хорошо раскреплены для устранения качки и взаимных перемещений.

При проведении работ с остронаправленными антен­ нами особое внимание нужно обращать на жесткость поворотных устройств, а также на метеорологические и гидрологические условия.

Существенные ошибки в измеряемых величинах воз­ можны, если поле температур по глубине неизотермич­ но. В таких условиях возникает рефракция звуковых лучей, могущая привести к неодновременному приходу их в раскрув антенны по вертикали, возможно возник­ новение также дополнительных отраженных сигналов.

Блок-схема для измерения характеристик направ­ ленности, а также частотных характеристик давления, мощности и чувствительности показана на рис. 101, б.

Звуковое давление. Давление измеряют но схеме, изображенной на рис. 101, б с помощью гидрофона, располагающегося на расстоянии от антенны не ближе критического (см. стр. 229), при ориентации на него максимума основного лепестка характеристики направ­ ленности испытываемой антенны, работающей в режиме

излучения.

Экспериментальную величину давления рассчитыва­ ют по формуле

233

Частотную характеристику чувствительности изме­ ряют при поддержке в месте расположения антенны постоянного звукового давления на различных частотах. Постоянство давления контролируют, ориентируясь па развиваемому гидрофоном напряжению. Давление мож­ но поддерживать постоянным с помощью автоматиче­ ского устройства, основанного на принципе обратной связи:, гидрофон — звуковой генератор.

Коэффициент полезного действия, электрическая мощность, сопротивление. Электроакустический коэф­ фициент полезного действия rjaa характеризует эффек­ тивность антенны в режиме излучения и определяется по формуле '

зован применительно только к антеннам и преобразова­ телям, пьезоактивные излучающие поверхности которых или связанные с ними металлические накладки непо­ средственно соприкасаются в рабочем положении с во­ дой. Для определения к. и. д. измеряют две частотные характеристики потребляемой антенной (преобразова­ телем) электрической мощности (рис. 102): при нахож­ дении вибратора в воде (кривая /) и в воздухе (кри­ вая 2)— без полезной акустической нагрузки. Этот спо­ соб непригоден для преобразователей и антенн, излучающих в воду через какие-либо слои (масло-мем­ брана, резина пластмасса), поскольку такие слои пот­

U

буждающего напряжения к частоте — = const.

235

Потребляемая электрическая мощность Wa склады­ вается из полезной акустической мощности Wa, мощно­ сти механических WM-п и электрических 1ЕЭП потерь, т. е.

Гз = wM+ Г элт = (Га + W M n ) + Г а>11.

Если вибратор работает в воздухе, электрическая мощность расходуется практически только на потери, а акустическая близка к нулю из-за рассогласованности вибратора со средой.

Рис. 102. 1\ определению к. и. д. "Ьэтт-метровым способом.

По частотным характеристикам находят: электрическую мощность

W3 — dk — Ы,

механическую мощность

( в о з д у х ) ( в о д а )

Wu - d g - bin,

мощность электрических потерь

■236

М е т о д о п р е д е л е н и я к о э ф ф и ц и е н т а по ­

величинам р давления и коэффициента концентрации К по формуле

' и в сравнений акустической мощности с электрической.

рис. 64, по измеренным характеристикам направленности. Ваттное сопротивление. Ваттное сопротивление Rw это эквивалент всех активных потерь. Его обычно пред­

Ваттное сопротивление — важный параметр, так как, исходя из его величины, ведут разработку входных це­ пей приемных усилителей и выходных цепей генератора мощности.

Наиболее распространены следующие три способа измерения электрической мощности, равной

где (р— угол сдвига между активными током и напряжением.

И з м е р е н и е н е п о с р е д с т в е н н о в а т т м е т ­ р о м (рис. 103,а ) — прибором, обеспечивающим пере­ множение трех величин — составляющих произведения (IX—22). Это оказывается возможным с помощью элек­ тронных ламп, термопар, транзисторов, имеющих квад­ ратичные характеристики.

Ф а з о м е т р и ч е с к и й м е т о д заключается в из­ мерении мощности с помощью двух вольтметров, балла­ стного сопротивления и фазометра (рис. 103, б).

237

Мощность находят по формуле

Величину сопротивления Ro выбирают такой, чтобы падение напряжения на нем оказалось выше минималь­ ного, -необходимого для устойчивой работы фазометра. Фазометрический метод один из наиболее точных.

Рис. 103. Схемы измерения электрической мощности:

■случае отсутствия ваттметра или фазометра, может быть использован для измерения мощности при работе гене­ ратора в импульсном режиме, если вместо вольтметров включать осциллографы (рис. 103, в). Балластное сопро­ тивление Rп должно быть близким к сопротивлению вибратора, в противном случае из-за сложения квадра­

238 -

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН И ОБТЕКАТЕЛЕЙ ПРИ ШВАРТОВНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Цель измерений заключается в проверке работоспо­ собности антенн после монтажа и настройки аппаратуры на судне. В зависимости от особенности установки ан­ тенны оказывается возможным измерение тех или иных параметров. Если антенна проста по конструкции, напри­ мер синфазный плоский поршень с размерами больше длины волны, объем необходимых проверок может быть сокращен, так как вероятность соответствия такой антен­ ны необходимым требованиям после монтажа на судне достаточно высока.

В большинстве случаев достаточно проверить частот­ ную характеристику потребляемой электрической мощ­ ности или даже частотную характеристику проводимости на соответствие измеренным в процессе изготовления. Весьма желательной является проверка развиваемого давления. По результатам замера давления или чувстви­ тельности можно составить суждение о звукопрозрачности обтекателя.

У антенны, установленной на поворотном устройстве, целесообразно измерить характеристику направленности. Если антенна сложная — с управляемыми характеристи­ ками направленности, например рефлекторная или с фазовой компенсацией, проверка направленных свойств перед началом эксплуатации крайне желательна. Необ­ ходимо также измерять эффективность по каналам для устранения возможных разбросов амплитуд и фаз воз­ буждения с учетом разбросов параметров электронных трактов станции.

Методы измерения параметров антенн аналогичны описанным в главе IX. При швартовых испытаниях могут встретиться некоторые особенности. Объем измерений ограничивается рядом факторов: остротой направленно­ сти антенны, возможностью ее вращения, соотношением критической зонП формирования характеристики направ­ ленности и протяженности судна, наличием бочек и пир­ сов для устойчивой швартовки, погодными, условиями, глубиной места.

Если антенна установлена на судне таким образом, что ось ее параллельна поверхности воды и расстояние

239

ка направленности, процесс измерений упрощается, так как излучатель и гидрофон могут быть установлены на этом же судне.

Если антенна неподвижна, то в этом случае можно измерить только развиваемое антенной звуковое давле­ ние. В случае же ' установки антенны на поворотном уст­ ройстве, можно измерить характеристики направленно­ сти. Измеренные таким образом характеристики направ­ ленности отличаются от истинных, которыми осуществ­ ляются пеленгование, так как при различной ориентации антенны в процессе измерений, оболочка обтекателя в силу иеконцептричности относительно центра вращения будет оказывать одинаковое влияние на антенну. Естест­ венно, чем выше звукопрозрачность обтекателя, тем меньше будет различие в характеристиках направлен­ ности.

Если расстояние от места установки до носа судна меньше допустимого, измерительный излучатель прихо­ дится устанавливать на другом плавающем основании или пирсе. В этом случае измеряется и чувствительность, так как измерительный гидрофон можно разместить между излучателем и антенной. Для успешного проведе­ ния измерений с использованием расположения прибо­ ров на разных основаниях необходимо устойчивое рас­ крепление судов.

Во всех случаях измерительные излучатели и гидро­ фоны лучше устанавливать на жестких штангах, позволяющих изменять их заглубление и ориентацию. В качестве измерительных излучателей и гидрофонов хорошо использовать цилиндрические антенны, направ­ ленные в вертикальной плоскости и ненаправленные но горизонту. Вблизи отражающего объекта, например у пирса, следует применять излучатель (гидрофон), на­ правленный в обеих плоскостях, с хорошим тыльным экраном.

Район испытаний должен быть закрытым от воздей­ ствия ветра, с достаточной глубиной и слабоотражающим грунтом. Чем меньше водоизмещение судов и острее характеристики направленности, тем ближе состояние моря должно быть к штилевому.

Если необходимо получить дополнительную информа­ цию о воздействии обтекателя на направленные свойства антенны или измерить характеристики направленности

240

а корму поворачивают катером или путем стравливания

5

Рис. 104. Схемы расстановки судов и оборудова­ ния при швартовных испытаниях:

/ — антенна; 2 — излучатель; 3 — гидрофон; 4 — буксиру­ ющий катер; 5 — бочка; 6 — пирс.

и выбирания кормовых швартовых. Характеристики на­ правленности записывают с помощью самописца, угло­ вые отметки берутся по пеленгу.

Звукопрозрачность обтекателя можно оценить сравне­ нием чувствительности антенны, измеренной гидрофо­ нами, установленными вне обтекателя и внутри него. Внутри обтекателя из-за отражения от стенок, антенны, поворотного устройства и из-за особенностей прохожде­ ния звука через оболочку и реберный набор возможны флюктуации поля — возникновение максимумов и мини­ мумов давления. Измерения поэтому необходимо вести с использованием импульсного сигнала минимальной длительности, гдцрофоны располагать так, чтобы пря­ мой и отраженный сигналы разделялись.

Оценка направленности и эффективности эхолота,

241

верхности гидрофона (рис. 104, г). Судно проходит над гидрофоном, с помощью которого фиксируется измене­ ние давления в зависимости от расстояния до судна. Полученные данные следует откорректировать, умно­ жая величину измеренного давлеция в каждом направ­ лении на коэффициент, пропорциональный расстоянию до судна, так как звуковое давление в сферической волне уменьшается в зависимости от расстояния по за­ кону обратной пропорциональности.

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН

ВПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Впроцессе эксплуатации необходим периодический контроль исправности антенных устройств.

Об исправном состоянии антенны может говорить наличие реверберации при посылке сигнала. Если возни­ кает сомнение в работе антенны, следует измерить соп­ ротивление изоляции и емкость или индуктивность у пьезомагнитных антенн (на предмет выявления коротких замыканий и обрывов в трассах), потребляемую мощ­

ность на рабочей частоте и развиваемое звуковое давле­ ние. Для контроля можно пользоваться сравнитель­ ными замерами на сокращенных расстояниях. В некото­ рых случаях целесообразна установка постоянных гидрофонов в обтекателе или перед ним.

Гидрофоны, предназначенные для измерения" абсо­ лютных величин давления, должны периодически калиб­ роваться в метрологических организациях.

Глава X

КОНСТРУКЦИИ АНТЕНН И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

ОБНАРУЖЕНИЕ И УСТРАНЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГИДРО­ АКУСТИЧЕСКИХ АНТЕНН И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Конструктивное оформление антенн и преобразова­ телей может быть различным в зависимости от выбран­ ного типа колебательной системы, пьезоматериала, гидростатического давления, излучаемой мощности.

242