Излучающий тракт гидролокатора бокового обзора

        Выбор активного материала преобразователей. В настоящее время в качестве  активных элементов излучателей  и приёмников звука применяются, главным образом, различные составы пьезокерамики, обладающие высокой электрической и механической прочностью, малой гигроскопичностью, стабильностью свойств в широком диапазоне температур. Пьезокерамика наиболее полно отвечает ряду требований, предъявляемых к активным элементам преобразователей современных гидроакустических антенн.

        Пьезокерамические материалы подразделяют  на функциональные группы. Сегнетомягкие  материалы: ЦТСНВ-1, ТБ-1, ЦТС-19 предназначены  для изготовления высокочувствительных преобразователей, работающих в режимах приема и (или) излучения при ограниченных электрических полях.  Сегнетожесткие материалы: ТБК-3, ЦТС-23, ЦТБС-3, ЦТБС-8, ЦТСС-1 предназначены для преобразователей, работающих в режиме приема и (или) излучения в условиях воздействия сильных электрических и (или) механических напряжений [4].

       При проектировании преобразователей  целесообразно использовать наиболее  эффективный пьезоматериал. Сопоставить  эффективность пьезоматериалов  можно, используя параметры эффективности. Удельная акустическая мощность на резонансной частоте пропорциональна величине при продольном пьзоэффекте и при поперечном пьзоэффекте, а на частотах значительно ниже резонансной – величинам и . Электромеханический (и электроакустический) КПД пропорционален величинам и . Чувствительность приемника при электромеханическом резонансе пропорциональна величинам   и . Относительные значения указанных параметров эффективности приведены в таблице 4.1; за единицу приняты значения для пьезокерамики ТБК-3 [10]. 

Таблица 4.1 Относительные значения параметров эффективности некоторых пьезокерамических материалов

 

        Проанализировав существующие составы  пьезокерамики, выпускаемые промышленностью, исходя из требования эффективного излучения и приема,  мы выбираем для преобразователей пьезокерамику марки ЦТБС-3, как обладающую наибольшей удельной мощностью излучения на резонансе и наибольшим электромеханическим КПД.  Значения основных параметров пьезокерамики ЦТБС-3 приведены в таблице 4.2. 
 
 
 

Таблица 4.2 Основные параметры пьезокерамического материала ЦТБС-3

 

        Рассчитаем основные параметры  преобразователей антенны. Для  определения коэффициента электромеханической  трансформации воспользуемся следующей формулой [4]:

          ,                                                                           (4.5)

Здесь – пьезоэлектрический модуль,  - модуль упругости, - расстояние между электродами, -  площадь излучающей поверхности одного преобразователя.

        

Подставляя  соответствующие значения, получим:

        

Определим эквивалентные сосредоточенные  параметры (вблизи резонанса):

Эквивалентная масса: 

                                                                                       (4.6)

Эквивалентная механическая гибкость:

                                                                                      (4.7)

где  - плотность пьезокерамики, - высота преобразователя.

Подставляя  соответствующие значения, получим:

           

         

Для нахождения механической добротности  воспользуемся  формулой, приведенной в работе:

                                                                                      (4.8)

Здесь – волновое сопротивление воды; - акустомеханический КПД, для силовых конструкций (без тыльного излучения) принимается равным в пределах 0,7 – 0,8;  - безразмерный коэффициент активного сопротивления излучения.

        Если преобразователи входят  в антенну, линейные размеры  которой не меньше 2λ, то можно  считать каждый преобразователь  полностью нагруженным и принимать [14].

Подставив соответствующие значения, получим:

          

Акустическая  мощность преобразователя при резонансе  определяется как:

                                                                                                (4.9)

           

Электрическое напряжение возбуждения рассчитаем по формуле:

                                                                            (4.10)

Подставив соответствующие значения, получим:

          

Электроакустический (полный) КПД определяется по формуле:

                                                                                              (4.11)

Электромеханический КПД находится как:

                                                                                                (4.12)

        В соответствии с формулой (4.12) для нахождения электромеханического КПД необходимо вычислить сопротивление R₀ электрических потерь и активное механическое сопротивление R_м.

Сопротивление электрических потерь найдем как:

                                                                                          (4.13)

где - статическая ёмкость элемента, определяемая по формуле:

                                                                                  (4.14)

       

      

Активное  механическое сопротивление найдем, как:

                                                                                        (4.15)

Подставляя  численные значения, получим:

       

       

        

Потребляемую  электрическую мощность одного преобразователя  найдем с помощью вычисленной  акустической мощности и электроакустического КПД:

                                                                                                     (4.16)

        Вт.

Электрическая мощность, потребляемая всей антенной, равна:

        Вт,

где  n – общее количество элементов в антенне.

Чувствительность  преобразователя в режиме приема при низких частотах определим по формуле:

                                                                                (4.17)

Подставляя  численные значения, получим:

       

      Чувствительность  излучателя  по  напряжению  S_U  определяем  как

отношение акустического давления, создаваемого на оси на расстоянии 1 м, а к подводимому  напряжению:

                                                                                                   (4.18)

Из теории излучения известно выражение для  амплитуды давления на оси излучателя:

                                                                                 (4.19)

где v_m – амплитуда колебательной скорости;

      S – площадь излучающей поверхности.

      Введём  в выражение для p_m силу .

При резонансе  активное механическое сопротивление:

                                                                                              (4.20)

Т.е.   Ом.

Сила  связана с электрическим напряжением  через КЭМТ:

          .                                                                                           (4.21)

В результате получим:

           Па·м/В. 
 

4.3. Расчёт характеристик  направленности антенны

        Рассчитаем направленные свойства  антенны. В нашем случае ХН  эквидистантной антенной решетки  в вертикальной плоскости равна ХН одного элемента антенны в этой плоскости; в горизонтальной плоскости вычисляется по теореме умножения:

        Характеристика направленности  антенны, состоящей из одинаковых  и одинаково ориентированных  в пространстве элементов, равна произведению характеристик направленности элемента и гипотетической антенны, состоящей из ненаправленных элементов, расположенных в центрах реальных и имеющих такое же амплитудно-фазовое распределение, что и реальные элементы [8].