Вход

Исследование характеристики направленности гидроакустических антенных решеток с учетов влияния разброса элементов

Рекомендуемая категория для самостоятельной подготовки:
Диссертация*
Код 372496
Дата создания 09 января 2018
Страниц 71
Мы сможем обработать ваш заказ 24 ноября в 12:00 [мск]
Файлы будут доступны для скачивания только после обработки заказа.
2 430руб.
КУПИТЬ

Описание

В данной магистерской диссертации рассмотрены основные теоретические и практические вопросы, связанные с способами формирования характеристик направленности антенных решеток.В дипломной работе были рассмотрены влияние случайных ошибок и неработающих элементов на характеристики направленности. А также разработан программный модуль в среде MathCad для определения и сортировки элементов в антенной решетки. Работа защищалась в ЮФУ в 2017г по направлению приборостроение оценка отлично. Так же есть речь и презентация для защиты. ...

Содержание

Введение 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 6
1.1 Гидроакустические антенны 6
1.2 Классификация гидроакустических антенн 6
1.3 Классификация систем формирования ХН 11
1.4 Управление формой характеристики направленности 15
Выводы по главе 1 18
2 ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ НАПРАВЛЕННОСТИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК 19
2.1 Общие расчетные соотношения и сведения о характеристиках направленности 19
2.1.1 Некоторые расчетные формулы 19
2.1.2 Расчет разности хода лучей 20
2.1.3 Способы графического изображения характеристики направленности 21
2.1.4 Основные элементы характеристики направленности 22
2.1.5 Системы координат, в которых записываются характеристики направленности 23
2.1.6 Пространственные характеристики направленности 23
2.2 Дискретные линейные антенны 27
Выводы по главе 2 33
3 МАТЕМАТЕЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ 35
3.1 Влияние случайных ошибок на характеристику направленности антенны. 35
3.2 Расчет характеристики направленности антенны 43
Выводы по главе 3 45
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКУ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ 46
4.1 Исследование характеристики направленности с нормальным распределением амплитудной и фазовых ошибок 46
4.2 Исследование характеристики направленности с равномерным распределением амплитудных и фазовых ошибках 49
4.3 Исследование характеристики направленности при вышедших из строя элементах антенной решетки 51

Введение

Целью данной работы является исследование влияния разброса параметров элементов на характеристики направленности гидроакустических антенных решеток.
Методы исследования. В поставленная в работе цель решается теоретическими и практическими исследованиями. В ходе работы были выполнены три серии экспериментов. В первой серии выполнялись исследования характеристики направленности антенны с учетом влияния амплитудных и фазовых ошибках, во второй исследование характеристики направленности антенны с учетом неработающих элементов, в третьем были рассмотрены методы сортировки элементов в антенных решетках.
Научная новизна работы заключается в предлагаемом методе расчета влияния ошибок на характеристики направленности антенны.

Фрагмент работы для ознакомления

Однако есть способ, позволяющий по виду формулы для вычисления р(u) или D(u) судить о наличии фазового центра. Пусть антенна имеет фазовый центр, расположенный в точке О.Это означает, что при помещении начала координат в точку О (или, что то же самое,— при отсчете расстояний в формуле, определяющей р(u) от точки О) отношение р(u) к i (i =-1) представляется некоторой вещественной функцией Во(u), изменение знака которой соответствует изменению фазы на . Если же мы поместим начало координат в точку О' и будем от нее отсчитывать или непосредственно из рис. 7 видно, что p0,(u)i=B0ueikρu, (2.19)где ρ — радиус-вектор, определяющий положение фазового центра антенны относительно начала координат О'. Полученное выражение позволяет утверждать, что если характеристику направленности антенны можно представить в виде произведения некоторой вещественной функции на e-ikρ(u-u0), то антенна имеет фазовый центр, расположенный в точке, положение которой относительно начала координат О' характеризуется радиусом-вектором ρ. Встречаются случаи, когда аргумент характеристики направленности имеет вид, отличный от вида функции kρ (u— u0). В таких случаях говорят о том, что антенна не имеет фазового центра. Физически это означает, что нет такой точки, выбрав которую в качестве центра сферы большого радиуса, можно было бы констатировать ее совпадение с фазовым фронтом излучаемой волны (понимая при этом под под фазовым фронтом поверхность, колебания на которой синфазны или противофазны). Другими словами, отсутствие фазового центра свидетельствует о том, что фазовый фронт волны не является сферическим. В случае отсутствия фазового центра естественно ввести в рассмотрение некоторый его эквивалент, т. е. такую точку, из которой как бы исходит излучение. В литературе встречаются различные способы определения такой эквивалентной точки. Можно определить частичный фазовый центр как точку, являющуюся центром кривизны поверхности равных фаз в произвольном направлении и. Введенный таким образом частичный фазовый центр зависит не только от направления в пространстве и, но и от ориентации плоскости, в сечении которой фазовым фронтом определяется центр кривизны. Многие авторы пользуются эквивалентным фазовым центром, называя им центр сферы, наименее отличающейся от фазового фронта. В качестве критерия отклонения поверхности сферы от поверхности равных фаз обычно рассматривается минимум среднеквадратичного отклонения во всем телесном угле. Вместе с тем излучение происходит в основном в пределах главного лепестка характеристики направленности, и поэтому представляется естественным при минимизации среднеквадратичного отклонения учитывать амплитудную диаграмму направленности, поставив ее в качестве весовой функции под интеграл по полному пространству от квадрата разности между поверхностью сферы и фазовым фронтом. Веденный таким образом эквивалентный фазовый центр в [6] назван центром излучения. В зависимости от особенностей решаемых задач бывает удобнее пользоваться тем или иным понятием эквивалентного фазового центра. Во многих случаях, однако, удается построить решение, не прибегая к определению его положения и ограничившись анализом аргумента характеристики направленности.Дискретные линейные антенныЭквидистантными решетками принято называть антенны, состоящие из ненаправленных элементов, расположенных на одинаковых расстояниях вдоль прямой. Рисунок 2.3 – Линейная эквидистантная решеткаПусть n таких элементов размещены вдоль оси х так, что расстояния между соседними элементами одинаковы и равны d (рис. 2.3). Расположим начало координат в центре элемента с номером q=1. Тогда проекции радиуса-вектора ρq, определяющего положение элемента с номером q, на оси у и z равны нулю, a ρqx=(q—1)d. В силу симметрии поля, создаваемого рассматриваемой антенной относительно оси х, положение единичного радиуса-вектора u можно определить одной угловой координатой , отсчитываемой, например, от плоскости yOz, перпендикулярной оси х. При этом проекция вектора u на ось z равна |u|sin=sin и ρqu= ρqxux+ρqyuy+ρqzuz=d (q—1)sin. Подставляя это выражение в формулу, найдем давление, развиваемое эквидистантной решеткой, и переходя далее к характеристике направленности, получимD=q=1nAqe-ikdq-1sinq=1nAqe-ikdq-1sinРассмотрим случай равномерного амплитудного распределения при компенсации антенны в направлении 0 [q = 1, q = ikd (q-1) sin0]. При этом последнее выражение запишется следующим образом:D=1/nq=1nAqe-ikdq-1(sin-sin0)Второй сомножитель этой формулы представляет собой сумму членов геометрической прогрессии, поэтому, введя обозначение kd (sin — sin0)=, можно записать D=1ne-inβ-1e-iβ-1=e-iβn-12sinnβ2nsinβ2иR=sin⁡knd2sin-sin0nsinkd2sin-sin0 (2.20)Как видно из этого выражения, характеристика направленности представляет собой отношение двух синусоид с разными периодами. Поскольку n — число целое, то на одном периоде синусоиды знаменателя укладывается целое число периодов синусоиды числителя и поэтому, если аргумент z=kd/2(sin — sin0 ) равен целому числу , т. е. z = m, где m =±0, ± 1, ±2 . . . , то R=sin⁡nznsinz=sin⁡nmnsinm=1Таким образом, при z= m характеристика направленности эквидистантной решетки имеет максимумы, равные основному. Числитель обращается в нуль через интервалы, равные /n, т. е. при z =/ns, где s = 0, ±1, ±2 ... Основной максимум соответствует s = 0, а равные ему добавочные соответствуют s, кратному n, поскольку при этом z =n/s=m. Поэтому между двумя соседними максимумами, равными основному, располагается n минус единица нулей и n-2 добавочных максимума, меньших единицы. На рисунке 2.4 представлены характеристики направленности эквидистантной решетки в функции от z при некоторых значениях n. Функция sin⁡nznsinz при неограниченном увеличении (или уменьшении) z имеет бесконечное число максимумов равных единице, однако в действительной области углов величина z всегда ограничена и соответственно ограничено число единичных максимумов.Рисунок 2.4 – Характеристики направленности линейных решеток Так при 0 = 0 в одном квадранте, т. е. при изменении от 0 до /2 и z от 0 до kd/2 кроме основного максимума размещается столько единичных максимумов, равных основному, сколько раз укладывается в наибольшем значении z, т. е. другими словами, — число этих максимумов равно целой части отношения zmaxπ =kd2π =dλ . Всего же в области углов от — 90° до + 90° число единичных максимумов равно 2Edλ+1. Аналогичными рассуждениями можно показать, что при ≠0 в первом и четвертом квадрантах находится Е [d/λ(1+sin0)]+Е [d/λ(1-sin0)] + 1 единичных максимумов. В большинстве практических случаев наличие больших по величине добавочных максимумов нежелательно. Рассмотрим, при каких условиях в пределах углов =-/2, /2 будет находиться только один максимум, равный единице На очень низких частотах d/λ мало и добавочные максимумы, равные основному, отсутствуют С ростом же частоты при 0 > 0 добавочный максимум может появиться при =-/2. Начало его появления можно зафиксировать условием совпадения последнего перед ним нуля характеристики направленности с направлением =-/2. Выше отмечалось, что нули имеют место при z = s/n, а первые добавочные максимумы, равные основному, располагаются при z =±. Таким образом, последний нуль со стороны отрицательных соответствует z=-πn-1n, откуда kd21+sin0≤πn-1n,т.е.dλ≤n-1n11+sin0. (2.21)Это и есть условие отсутствия в характеристике направленности линейной эквидистантной решетки добавочных максимумов, равных основному. В случае отсутствия компенсации это условие имеет вид dλ≤n-1n. (2.22)Так как длина антенны l=d(n-1), то домножив это неравенство слева и справа на n-1 и пренебрегая слагаемым n-1 по сравнению с n (что возможно при большом п), получим lλ≤n-2. (2.23)Таким образом, при большом числе элементов антенны (практически при n > 6), число элементов должно быть, по крайней мере, на два больше отношения l/λ. При этом характеристика направленности антенны имеет только один максимум, равный единице Аналогичное условие для случая 0>0 может быть получено из неравенства 2.21) в следующем виде lλ≤n-21+sin0. (2.24)Многие из изложенных выше свойств характеристики направленности эквидистантной решетки имеют очень простой физический смысл. Так, например, непосредственно из рисунка 2.5 видно, что естественная разность хода лучей от двух соседних элементов до точки наблюдения равна d sin, что соответствует kdsin радианам. Ясно, что при 0=0 независимо от числа элементов п (и даже независимо от амплитудного распределения q), если только kdsin=m, то давления от отдельных элементов складываются в фазе и в этом направлении существует максимум, равный основному.Рисунок 2.5 - Сложение давлений от отдельных элементов для различных углов Условия существования нуля характеристики направленности легко получить, рассматривая сложение давлений от отдельных элементов. На рисунке 2.5 изображена сумма давлений, каждое слагаемое которой соответствует давлению, создаваемому отдельным элементом, для различных направлений . В направлении = 0 давления складываются синфазно и их сумма максимальна. При = ' давление от каждого последующего элемента отличается на фазовый угол 0=kdsin' от давления, развиваемого предыдущим элементом. В результате образуется ломаная линия. При некотором угле 1 ломаная эта замкнется и суммарное давление будет равно нулю. Сумма внешних углов правильного многоугольника равна 2, поэтому положение первого нуля характеристики направленности определяется из условия n1= kdsin1=2, т.е. z=/n. Второй нуль характеристики направленности соответствует двойному наложению ломаной на один многоугольник (состоящий из вдвое меньшего числа сторон). При этом n/2kdsin2=2 и z=2/n. Нуль c порядковым номером s определяется аналогичным условием z=s/n соответствует наложению ломаной s раз на один многоугольник, имеющий n/s сторон. Рассмотрим процесс сложения давлений от отдельных элементов в случае большого числа плотно расположенных элементов. Для упрощения будем полагать 0= 0. Тогда в направлении = 0 все давления складываются в фазе и мы имеем некоторую постоянную величину l. При увеличении ломаная, представляющая собой результат сложения давлений от отдельных элементов при большом числе элементов и малых расстояниях между ними, по существу представляет собой дугу окружности. Длина этой дуги l, а длина хорды соответствует результирующему давлению. С увеличением угла радиус дуги непрерывно уменьшается. Фазовый угол между давлениями от крайних элементов решетки (n-1)kdsin=klsin равен углу между касательными к дуге в ее начале и конце, или, что то же самое,—центральному углу дуги. Если центральный угол дуги равен 2m, где m≠0, то дуга превращается в m окружностей, наложенных друг на друга. При этом характеристика направленности равна нулю, klsin=2m. Этот вывод подтверждается анализом формулы 2.20 определяющей характеристику направленности непрерывного отрезка. Приближенно можно считать, что добавочный максимум наблюдается в случаях, когда дуга состоит из нечетного числа полуокружностей 2r+1, где r≥1. Тогда положение добавочного максимума с номером г определяется соотношением klsin=(2r+1) я, а его величина равна отношению диаметра окружности к ее длине, т. е.σr≈2lπ2r+11l=22πr+π.Таким образом, 12/3= 0.21, 22.5= 0.13, 32.7=0,09 и т. д. Полученные приближенные величины весьма близки к точным, приведенным выше при анализе направленных свойств непрерывного отрезка прямой. Интересно отметить, что при сравнительно небольшом числе элементов п величина первого добавочного максимума с ростом п падает. Так, 1 = 0,33 при п = 3; 1= 0,25 при п = 4; 1 = 0,22 при п = 6. В некоторых работах (и, в частности, в [57]) рассматривается направленность дискретных эквидистантных решеток при неравномерном амплитудном распределении. Существует целый ряд семейств амплитудных распределений, полученных по какому-нибудь правилу, для которых характеристики направленности соответствующих антенн определяются сравнительно простыми соотношениями. Чаще всего построение таких антенн производится с помощью теоремы умножения. Так же, как и в случае непрерывного отрезка прямой, падающие к краям антенны распределения уменьшают величины добавочных максимумов, а растущие к краям — увеличивают их. Однако при достаточно большом расстоянии между соседними элементами решетки, независимо от вида амплитудного распределения наблюдаются добавочные максимумы, равные единице. Добиться их отсутствия при том же размере антенны и том же числе элементов можно сравнительно простым способом: несколько сместить элементы вдоль оси решетки. При этом периодичность расположения элементов нарушается и синфазное сложение сигналов от всех элементов происходит только при падении волны под углом = 0. Несмотря на большое количество работ по неэквидистантным решеткам (обзор которых можно найти в книгах [2] и [34]), общая теория расчета таких решеток еще не разработана.Выводы по главе 2В данной главе были рассмотрены расчетные формулы для формирования характеристики направленности антенны.Были определены способы графического изображения характеристики направленности, так же определенны основные составляющие элементы характеристики направленности.Также рассмотрены методы формирования линейных дискретных антенных решеток. Определенны основные формулы для расчета характеристики направленности антенных решеток.МАТЕМАТЕЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Влияние случайных ошибок на характеристику направленности антенны.Экспериментальные характеристики всегда отличаются от определенных теоретически, и не только из-за неполного соответствия расчетной модели реальной антенны и ошибок измерений, но и в связи с неизбежным наличием различных случайных разбросов и ошибок. Наиболее существенные из них являются разбросы чувствительности (по амплитуде и фазе) отдельных элементов антенны, ошибки воспроизведения требуемого амплитудно-фазового возбуждения (вызванные разбросом параметров элементов устройств, принимающих участие в формировании направленности антенны) и ошибки установки преобразователей на поверхность антенны. Случайные ошибки могут быть независимыми и зависимыми, коррелированными. Часто зависимости ошибок между собой могут быть весьма сложными, особенно если принять во внимание наличие элементов согласования преобразователя с электрическими устройствами и возможные разбросы параметров этих элементов. Кроме того, одни ошибки (например, ошибки установки и ориентации преобразователей) зависят от положения точки наблюдения, а другие (например, ошибки воспроизведения требуемого распределения) не зависят от него.Ясно, что попытка строгого решения задачи о влиянии ошибок на направленные свойства антенны может привести к чрезвычайно сложным расчетам и практически мало полезным результатам, поскольку величины отдельных ошибок редко известны точно.Особого внимания заслуживают ошибки систематические; они могут накапливаться от элементу к элементу и в результате привести к заметному искажению характеристики направленности. Обычно, однако, сравнительно легко, с одной стороны, оценить влияние этих ошибок и определить допустимую их величину, а с другой стороны, при разработке антенны и цепей формирования принять меры ких ограничению.Мы будем рассматривать случайные ошибки, которые будем считать сводятся к ошибкам возбуждения элементов и ошибки установки преобразователей.За последнее время предложено немало методов оценки искажений тех или иных параметров антенн при наличии различных ошибок. Одними из первых серьезных работ в этом направлении являются работы [28].Недостатками большинства предложенных методов является то, что разработаны они применительно к частым видам антенн при некоторых предложениях относительно законов распределения ошибок и расположения элементов или их возбуждения. Кроме того, во многих работах за исходные приняты такие параметры ошибок, которые трудно поддаются непосредственному измерению и сложно связаны с величинами технологических допусков.Практически (особенно при анализе многоэлементных антенн при сравнительно небольших ошибках) представляется целесообразным использование простых приближенных методов, позволяющих достаточно быстро производить инженерные оценки и имеющих наглядный физический смысл.Рассмотрим один из таких методов, являющийся, по существу, некоторым упрощенным метода Рузе [28].Для облегчения анализа под характеристикой направленности антенны в присутствии случайных ошибок возбуждения Rош(u) мы будем понимать модуль отношения давления, развиваемого антенной в направлении u при наличии случайных ошибок, к модулю давления в направлении u0 отсутствии ошибок. Таким образом, для дискретной антенны можно записать Rошu=q=1nAqошpq,(u)e-ikρquq=1nAqошpq,(u)e-ikρqu0, (3.1)где Rош(u) — коэффициент возбуждения элемента при наличии случайных ошибок; p'q(и) — давление, развиваемое элементом при единичной колебательной скорости, записанное относительно точки, определяемой вектором ρq. Значение комплексной характеристики направленности в некотором направлении и при наличии ошибок возбуждения можно представить как сумму двух векторов: вектора, представляющего собой характеристику направленности в отсутствии ошибок R(и) и некоторого вектора ∆R(и). Этот вектор можно разложить на две составляющих, одна из которых X параллельна вектору R(и), а другая, Y, перпендикулярна ему. Тогда характеристику направленности Rош(и) можно определить выражением Rошu=Ru+X2+Y2(3.2)Составляющие вектора ∆R(и), X и Y, зависят от ошибок возбуждения каждого из элементов антенны; поэтому их можно вычислить как сумму величин xq и уq. по всем элементам. При этом Rошu]=Ru+q=1nxq2+q=1nyq2 (3.2)Поскольку X и Y определяются суммой случайных величин, будем считать, что они распределены по кормальньму закону со стандартом о и независимы друг от друга. Строго говоря, это утверждение нуждается в доказательстве и в ряде случаев доказывается строго; мы уже будем предполагать, что приближенно оно справедливо и в общем случае. Как известно (см., например, [52]), величина Rош(u), определяемая выражением (3.2) при указанных сюйствах X и Y, распределена по обобщенному закону Релея, имеющему вид WRош=Rошuσ2I0RuRошuσ2e-R2uRош2u2σ2, (3.3)где I0()=J0(i)модифицированная функция Бесселя, или функция Бесселя от мнимого аргумента. Это распределение при R2uσ2→0 переходит в распределение Релея, а при R2uσ2→∞ приближается к нормальному. Между величинами и R(и) существует следующая связь [24]:MR2ош(u)=2σ2+R2(u) (3.4)Воспользуемся этим соотношением для определения стандарта распределения величин X и Y. Вычислим вначале математическое ожидание квадрата модуля характеристики направленности [т. е. квадрата выражения (3.4)]MR2ош(u)=q=1ng=1nAqошA*gошpq,(u)p'*g,e-iku(ρq-ρg)q=1nAqошpq,(u0)e-ikρqu0 (3.5)Представим коэффициент возбуждения АqОШ суммой двух векторов Aq + Bq, где Bq — случайный вектор, определяющий ошибку возбуждения и имеющий нулевое математическое ожидание.Тогда произведение AqошA*gош равно AqAg + AйBg + BqAg + BqBg и, поскольку математическое ожидание суммы равно сумме математических ожиданий слагаемых, числитель выражения (3.5) можно записать в виде четырех слагаемых, каждое из которых представляет собой двойную сумму от математического ожидания некоторых выражений.

Список литературы

18. Medwin H., Clay C.S. Fundamentals of Acoustical Oceanography. - Wiley-Interscience, 1977.
19. Воронов А.С. Пронин С.П. Контроль акустических параметров пьезоэлементов
20. Кириченко И.А. Котов В.Ю. Лонкин П.В. Оценка влияния конструктивных характеристик направленности гидроакустических антенн
21. Воронин А.В. Кузнецова В.П. Исследования характеристик приемных параметрических антенн с управляемой в пространстве характеристикой направленности
22. Савиных И.С. Влияния вида диаграммы направленности антенны на ошибки моделирования вероятносных характеристик шумов координат
23. Касаткин С.Б. Исследования влиягия параметров пьезоматериала на основные характеристики гидроакустических преобразователей
24. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. -Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004.- 416 с
Пожалуйста, внимательно изучайте содержание и фрагменты работы. Деньги за приобретённые готовые работы по причине несоответствия данной работы вашим требованиям или её уникальности не возвращаются.
* Категория работы носит оценочный характер в соответствии с качественными и количественными параметрами предоставляемого материала. Данный материал ни целиком, ни любая из его частей не является готовым научным трудом, выпускной квалификационной работой, научным докладом или иной работой, предусмотренной государственной системой научной аттестации или необходимой для прохождения промежуточной или итоговой аттестации. Данный материал представляет собой субъективный результат обработки, структурирования и форматирования собранной его автором информации и предназначен, прежде всего, для использования в качестве источника для самостоятельной подготовки работы указанной тематики.
© Рефератбанк, 2002 - 2020