Основные характеристики пьезокерамики ЦТСНВ-1:
плотность ;
модули упругости ;
модули податливости ;
скорости звука ;
относительная диэлектрическая проницаемость ;
пьезоэлектрические ;
КЭМС ;
.
Расчет параметров преобразователя
Проектируемая антенна должна обеспечивать полосу пропускания не менее
Для обеспечения этого требования механическая добротность антенны не должна превышать . Такую добротность могут обеспечить полуволновые (без накладок) стержневые преобразователи, при продольном пьезоэффекте.
Находим резонансный размер , решая трансцендентное уравнение
Итак , толщина диска получилась равной 5 мм . Рассмотрим режим излучения .
Массу активного стержня можно найти из выражения:
кг.
Эквивалентная масса может быть найдена по формуле
Эквивалентная податливость преобразователя равна
Подставляя численные значения в выражение, получим:
м/н
Механическая добротность преобразователя
Примем акустико-механический КПД тогда согласно выражению, получим:
Коэффициент электромеханической трансформации (КЭМТ) для сплошного преобразователя при продольном пьезоэффекте равен:
Подставим численные значения
Н/В
Акустическую мощность при резонансе можно найти из выражения:
Подставив численные значения, получим значение акустической мощности при максимально допустимом напряжении В.
Вт
Удельная акустическая мощность
Чувствительность излучателя. Чувствительность по напряжению определяем как отношение акустического давления создаваемого на оси на расстоянии 1 м, к подводимому напряжению. Из теории излучения известно выражение для амплитуды давления на оси излучателя , где - амплитуда колебательной скорости, - площадь излучающей поверхности введем в выражение для силу . При резонансе активное механическое сопротивление Сила связана с электрическим напряжением через КЭМТ В результате
Подставляя численные значения ,получим:
Па м/В
Итак , чувствительность в режиме излучения равна 507 Па м/В
Рассмотрим режим приема.
Известно , что чувствительность приемника максимальна при частоте электромеханического резонанса определяемой из выражения .
Где - рабочая частота.
Подставим численные значения.
кГц
Статическая электрическая емкость равна:
Где найдем из отношения:
Ф/м
Подставив численные значения, получим:
Ф
Чувствительность приемника при электромеханическом резонансе можно найти , пользуясь формулой :
Подставляя численные значения, получим:
В/Па
Удельная чувствительность приемника при резонансе:
Далее необходимо найти коэффициент полезного действия КПД
Вблизи резонанса электроакустический КПД, представленный через произведение электромеханического и акустико-механического коэффициентов полезного действия, определяется в значительной мере последним, поскольку электрические потери в пьезокерамике обычно невелики.
Сопротивление электрических потерь можно найти из выражения.
Подставим в формулу численные выражения:
Ом
Механическое сопротивление, приведенное к электрической стороне электромеханической схемы равно:
Где - полное активное механическое сопротивление
Тогда выражение для механического сопротивления примет вид:
Подставим полученные значения в выражение для электромеханического КПД.
Тогда согласно выражению полный КПД будет:
Найдем коэффициент концентрации:
Электромеханическую добротность найдем из выражения:
Частотную зависимость чувствительности рассчитаем по формуле:
Где - частота анти резонанса.
Частотная зависимость чувствительности
Помехи при работе эхолота
Гидроакустические шумы наблюдаются в любом районе океана. Их природа весьма разнообразна и пока еще далеко не достаточно изучена. Существует следующая классификация шумов океана.
Динамические шумы, возникновение которых связано с биологической жизнью различных представителей морской фауны.
Сейсмические шумы, вызванные тектонической и вулканической деятельностью, а так же сопровождающие образование волн, цунами и.т.д.
Технические шумы, создаваемые деятельностью человека , в том числе шумы судоходных трасс или шумы технических сооружений в гаванях и.т.д.
К техническим помехам относятся так же электрические помехи, возникающие при работе различных источников и потребителей тока.
Определение интенсивности эхосигнала.
В задании акустические помехи равны
Превышение сигнала над помехой 6 дБ.
где
Интенсивность помехи найдем из выражения:
Таким образом, интенсивность сигнала можно найти из выражения:
Расчет акустической мощности
Акустическая мощность – один из основных параметров, характеризующий гидролокационную аппаратуру, определяется выражением, вытекающим из основного уравнения гидролокации.
Где - интенсивность сигнала, r – дальность действия эхолота, - коэффициент концентрации антенны , - характеристика направленности антенны , - радиус эквивалентной сферы, - коэффициент пространственного затухания.
Для определения акустической мощности известны все величины, кроме радиуса эквивалентной сферы. Эквивалентным радиусом цели называется радиус такой зеркально отражающей неподвижной сферы, которая на расстоянии, равном расстоянию до отражающей цели, создаёт в точке приема эхосигнал, интенсивность которого совпадает с интенсивностью эхосигнала от цели. В данном случае в качестве цели выступает дно, а эквивалентный радиус дна не определен, т.е. его можно заменить коэффициентом отражения от дна. В условии
При замене выражение принимает иной вид:
Вт. (Ил), 6Вт. (Песок), 2 Вт. (Гранит)
Далее для песка:
Электрическая мощность генераторного устройства определяется по формуле
Где - электроакустический коэффициент полезного действия
Тогда:
Напряжение возбуждения в преобразователе можно найти из выражения:
В
Удельная акустическая мощность:
Реверберационные помехи
При работе на мелководье действуют реверберационные помехи, такие как объемные и донные.
Под объемной реверберацией подразумевается реверберация, обусловленная рассеянием звука малыми частицами, находящимися в слоях воды, - газовыми пузырьками , твердыми взвешенными частицами , термическими неоднородностями .и.т.д.
Давление помех, создаваемое реверберацией можно рассчитать для объемной реверберации:
Где - акустическая мощность, = Вт. (Ил), 6Вт. (Песок), 2 Вт. (Гранит). - протяженность зондирующего импульса (м), - акустическое сопротивление воды () , - коэффициент учитывающий направленные свойства излучателя и приемника , принимаем = 0,7, величина безразмерная, - коэффициент пространственного затухания , B=40 ДБ/км, - расстояние от излучателя до плоскости рассеяния звука r = 100 м. - коэффициент характеризующий рассеивающую способность моря число пузырьков в единице объема воды. По экспериментальным данным
=, берем =.
Подставляя численные значения, получим зависимость давления помех для объемной реверберации от дистанции.
Структурная схема
ЗГ - Задающий генератор, ФП - формирователь посылки, УМ - Усилитель мощности, ПИА – приемно-излучающая антенна, ЛУ – линейный усилитель, УО – усилитель ограничитель, УФ – усилитель фильтр, Д – детектор, ФНЧ – фильтр низкой частоты, ПУ – пороговое устройство, УИ – устройство измерения дистанции, ВАРУ – система временной автоматической регулировки усиления, СТ – стабилизатор, СУ – система управления, Р – регистратор.
Принцип действия эхолота
Сигнал тракта излучения состоящего из ФП, ЗГ и УМ, заданной длительности, частоты поступает в ПИА, которая излучает посылку в морскую среду. Отраженный от дна и ослабленный во много раз сигнал поступает на ПИА и далее вход приемного тракта, состоящего из ЛУ, УО, УФ, Д, ФНЧ, ПУ и УИ. Усиленный и приведенный к заданному виду сигнал поступает на УИ, где происходит считывание.
Последующим сигналом с ФП счетчик в УИ останавливается. Цифровой код, полученный после остановки счетчика, соответствует высоте плавания над грунтом НПА. Полученный цифровой код передается в систему управления НПА и регистратор.
Приемно-излучающее устройство
В эхолотах источниками и приемниками акустических волн служат акустические антенны, с помощью которых электрические колебания генератора преобразуются в акустические колебания и, наоборот, акустические колебания, отразившиеся от дна, преобразуются в электрические сигналы, поступающие на вход усилителя эхолота.
Основным элементом акустических антенн являются электроакустические преобразователи, действие которых основано на пьезоэлектрическом или магнитострикционном эффектах.
В качестве примера акустической антенны, в которой пьезопреобразователи размещаются на накладке (мембране), рассмотрим конструкцию антенны эхолота типа НЭЛ-М3Б.
Антенна содержит блок 9 пьезоэлементов 7,корпус,1 крышку 2 и кабель 3. Соединение крышки с корпусом осуществляется с помощью болтов 5. Герметизация обеспечивается резиновой прокладкой 10.
Кабель завулканизирован в металлическую втулку и крепиться к крышке гайкой 4 кабельного ввода, которая одновременно защищает кабель от повреждения в месте крепления.
Блок пьезоэлементов состоит из мембраны 6, завулканизированной в корпус. На мембране наклеены пьезоэлементы 7. В корпусе имеются отверстия, в которые устанавливаются металлические втулки для крепления антенны на судне. С целью обеспечения акустической развязки антенны от вибрации корпуса судна и изоляции мембраны от внешней среды корпус и блок пьезоэлементов завулканизированы резиной. Для предохранения излучающей поверхности антенны от повреждений при транспортировке и хранении предусмотрен защитный щиток 8, который снимается после установки антенны на судно.
Пьезоэлектрический эффект заключается в том что, при сжатии или растяжении пластин, изготовленных из материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, на их гранях появляются электрические заряды, вызывающие электрическое поле, напряженность которого равна:
Где - напряженность электрического поля, возникающего вдоль оси I пьезоэлектрика; - пьезоэлектрическая постоянная пьезоэлектрика; - диэлектрическая постоянная закрепленного пьезоэлектрика; - линейная деформация пьезоэлектрика в направлении оси I .Следует отметить, что все пьезоконстанты связаны между собой, так что при описании пьезоэлектрических свойств кристаллов можно ограничиться одной из них. При расчете акустических антенн наиболее часто пользуются значениями пьезоэлектрической постоянной или пьезоэлектрического модуля , которые связаны между собой соотношением
где модуль Юнга пьезоэлектрика, определенный при отсутствии электрического поля.
Заключение
В результате проделанной работы разработан промерный эхолот со следующими параметрами:
дальность действия 100м
рабочая частота 180 кГц
длительность зондирующего импульса равной 0,5 мс
раствор главного лепестка
полоса пропускания
акустическая мощность Вт
напряжение питания 250 В.
Разработана структурная схема и конструкция приемно-излучающего устройства.
Разработанный прибор удовлетворяет требованиям, указанным в задании.
Список литературы
1. Б.П. Белов. Проектирование информационно – управляющих систем подводной робототехники. ГМТУ,2008 г.
2. Г.М. Свердлин. Гидроакустические преобразователи и антенны, Л.,Судостроение,1988 г.
3. А.А. Хребтов. Судовые эхолоты. Л. Судостроение 1982.
Страницы: 1, 2
