Проектирование и моделирование антенны гидролокатора бокового обзора

Необходимость, возможность исследования математической модели проектируемой антенны гидролокатора бокового обзора. Деформация пластины при контурной моде колебаний, частотная зависимость относительного давления. Форма деформации пластинки на резонансе.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 29.07.2017
Размер файла 382,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование и моделирование антенны гидролокатора бокового обзора

В.Н.Митько, А.С.Эсси-Эзинг

Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону

Аннотация

Рассматривается конструирование антенны гидролокатора бокового обзора с узкой характеристикой направленности. Продемонстрирована необходимость и возможность исследования математической модели проектируемой антенны гидролокатора бокового обзора, с целью выявления основных факторов, влияющих на рабочие параметры устройства, например, таких, как соотношение геометрических размеров элементов конструкции. В данной работе приводятся результаты расчетов по формированию антенны гидролокатора бокового обзора в виде линейки и ее диаграммы направленности.

Ключевые слова: гидролокатор, соноантенна, пьезоэффект, пластина, коэффициент связи, звуковое давление, характеристика направленности, боковые лепестки, деформация пластины, излучающая поверхность.

Комплексный анализ критических проблем современной гидролокации показал, что широкий круг проблем, связанных с ликвидацией последствий чрезвычайных ситуаций, значения которых принципиально неразрешимы с узкополосными сигналами, может быть разрешен за счет применения широкополосных и сверхширокополосных сигналов. Гидролокаторы, построенные на базе таких сигналов, могут существенно повысить эффективность поиска обнаружения и определения координат несанкционированных захоронений отходов химического производства и обнаружения опасных техногенных объектов.

Высокоразрешающая способность таких гидролокаторов может существенно повысить производительность поиска ценных объектов, утерянных при шторме, использоваться для обнаружения и точного определения координат обломков, потерпевших аварию объектов, например, судов, самолетов, и т.д. Гидролокаторы с высокоразрешающей способностью позволяют решать задачи морской геологии - разведка донных месторождений, картография дна с высоким разрешением.

Важное практическое значение имеют задачи обеспечения безопасности производства, эффективное решение которых обеспечивается применением широкополосных сигналов при обнаружении опасных техногенных и природных объектов и необходимостью в расширении полосы сигналов для увеличения пространственного разрешения, подавления шумов, повышения информативности. Это приводит к необходимости создания антенн, обладающих сложной формой и колеблющихся на сложной моде колебаний.

Решение перечисленных выше проблем невозможно без создания антенн, обладающих одновременно широкой полосой и широкой чувствительностью. Этим требованиям удовлетворяют антенны, обладающие сложной формой излучающих элементов и имеющие сложную структуру или композиционные антенны. В литературе можно встретить упоминание о соноантеннах, представляющих собой антенны из композитного материала.

Создание таких антенн является весьма сложной задачей, поскольку опирается на сложные математические модели и требует анализа сложных неоднородных конструкций. Аналитическое решение подобных задач затруднено из-за громоздкости вычислений. Во многих случаях в уравнениях не удается разделить пространственные и временные перемены, то есть получить характеристику направленности в обычном смысле. Расчет пространственного распределения акустического поля, который можно осуществить большинством пакетом прикладных программ, не позволяет разработать удобные программы для расчета основных характеристик антенн, т.к. требует совместного учета и согласования большого числа противоречивых требований.

В настоящей работе ставится задача разработки математического программного обеспечения для проектирования и оптимизации конструкции параметров гидроакустических антенн на базе численных методов расчета, в частности, метода конечных элементов.

Объектом исследования в данной работе является математическое моделирование методом конечных элементов, рассчитанное в программе ANSYS. Разработка конечно-элементной модели начинается с построения конечно-элементной сетки. В данном случае использовалась регулятивная сетка, состоящая из элементов второго порядка. В случае ненагруженной пластины элементы представлены в форме прямоугольных параллелепипедов, в случае нагруженных пластин - в форме тетраэдров.

Для оптимизации конструкции антенны ГБО целесообразно осуществить возможность уменьшения числа пластин в линейке за счет увеличения длины каждой пластины.

Рассмотрим тонкий стержень, поляризованный вдоль оси X, совершающий колебания по оси Z, графическая модель которого представлена на рис. 1.

Рис. 1 - Графическая модель тонкого стержня

При растяжении стержня по оси Z смещения в сечении стержня по осям X и Y должны быть в противофазе с вертикальными смещениями. С другой стороны, за счет поперечного пьезоэффекта смещения по осям Z и Y должны быть в фазе друг с другом. Здесь имеется некоторое противоречие, приводящее к тому, что при увеличении размера по оси Y при фиксированных размерах по осям Z и X смещения по оси X уменьшаются, а смещения по осям Y и Z сближаются по модулю, оставаясь в противофазе. Деформация по оси X практически отсутствует - получается несимметричное планарное колебание пластинки - рис. 2. Коэффициент связи уменьшается и обращается в ноль, т. е. мода колебаний не возбуждается при данном расположении электродах на элементе.

Рис. 2 - Деформация пластины при контурной моде колебаний

Рассмотрим контурную моду колебаний, соответствующую симметричным колебаниям пластины - рис. 3.

Рис. 3 - Контурная мода колебаний пластинки

Значение коэффициента связи является максимальным и равным 0.45.

При дальнейшем увеличении размера по оси Y увеличиваются смещения по оси Z и уменьшаются по оси Y. При определенных размерах деформации по оси Y смещения минимальны. При больших значениях размера по оси Y возбуждаются другие моды колебаний, эффективные для излучения по оси Z. Значительное увеличение размера по Y приводит к изолированности резонанса и увеличению коэффициента связи.

Приведем рассчитанные данные для пластины размером 2.7Ч9.5Ч7 мм (частота резонанса 240 кГц, коэффициент связи 0,38, активное сопротивление на резонансе 130 Ом, емкость на 1 кГц равна 325 пФ) и пластины с большим размером по оси Y 2.7Ч48Ч6.9 мм (частота резонанса 240 кГц, коэффициент связи 0,32, активное сопротивление на резонансе 35 Ом, емкость на 1 кГц равна 1620 пФ). резонанс деформация пластина гидролокатор

На рисунке 4 приведена форма деформации пластинки на резонансе.

Рис. 4 - Форма деформации свободной пластинки на резонансе на пластине размером 2.7Ч9.5Ч7 мм и размером 2.7Ч48Ч6.9 мм.

В данном случае форма колебаний пластины на резонансе близка к поршневым колебаниям, противофазные точки на поверхности пластины отсутствуют.

На рис. 5 показана частотная зависимость звукового давления на акустической оси пластины на расстоянии 1 м от ее излучающей поверхности.

Рис. 5 - Частотная зависимость относительного давления

На рис. 6 представлена характеристика направленности пластин на пластины на частоте 239 кГц в горизонтальной плоскости.

Рис. 6 - Характеристика направленности в горизонтальной плоскости

Ширина характеристики направленности значительно снижается с 32 до 6.4. Боковые лепестки характеристики направленности уменьшаются.

Таким образом, с помощью программного пакета ANSYS можно обеспечить получение всех характеристик, использующихся при расчете гидроакустических антенн. Полученное решение позволяет решать сложные задачи - рассчитывать элементы с неоднородной структурой.

В работе показана эффективность данных исследований: значительно быстрее и дешевле проводить компьютерное моделирование на математической модели.

Литература

1. Наседкин А.В. Конечно-элементное моделирование преобразователей в ANSYS. Ростов-на-Дону, 2008. - 90с.

2. ANSYS. Theory Ref. Rel. 5.4. Ed. P. Kothnke/ANSYS Inc. Houston, 1997.-1067 с.

3. Иванов Н.М., Милославский Ю.К., Митько В.Н., Пашня А.С. «Гидроакустическая многочастотная антенна для систем обнаружения и пеленгации малогабаритных подводных объектов и контроля экологической обстановки» - // Труды X Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». - СПб., 2010. - C. 191-192.

4. Козленко С.С., Стырикович И.И О работе гидроакустических преобращователей на частотах выше основного резонанса Труды десятой всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», г. Санкт-Петербург.: 2010. - 154-157 c.

5. Пьезокерамические преобразователи: Справочник / под ред. С.И. Пугачева. Л.: Судостроение, 1984. 356с.

6. Nasedkina A.A., Nasedkin A.V., Iovane G. A model for hydrodynamic influence on a multi-layer deformable coal seam // Computational Mechanics. 2008. V.41, No.3. pp. 379-389.

7. Zemlyakov Methods for Determination of the Piezoelectric Coefficient of Piezoceramic Materials in Terms of Parameters of an Equivalent Circuit of a Piezoelement // Piezoelectric and Related Materials: Investigations and Applications. Pub. Date: 2012 2nd Quarter, рр. 117-142

8. Zemlyakov V.L., Klyuchnikov S. N. Determination of the parameters of piezoceramic elements from amplitude measurements// Measurement Techniques. 2010. V. 53. N 4. P. 301.

9. Земляков В. Л., Толмачев С.А. Диагностика пьезокерамического элемента по активной составляющей проводимости // Инженерный вестник Дона. 2013. № 2.URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1780.

10 Мартыненко А. В. Исследование параметров осесимметричного изгибного пьезоэлектрического преобразователя при различных граничных условиях // Инженерный вестник Дона. 2010. № 3. ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2010/206.

References

1. Nasedkin A.V. Konechno-jelementnoe modelirovanie preobrazovatelej v ANSYS. Rostov-na-Donu, 2008. [Finite element modeling of converters in ANSYS.] 90 p.

2. ANSYS. Theory Ref. Rel. 5.4. Ed. P. Kothnke. ANSYS Inc. Houston, 1997.1067 p.

3. Ivanov N.M., Miloslavskij Ju.K., Mit'ko V.N., Pashnja A.S. Trudy X Vserossijskoj konferencii «Prikladnye tehnologii gidroakustiki i gidrofiziki». SPb. 2010. рр. 191-192.

4. Kozlenko S.S., Styrikovich I.I Trudy desjatoj vserossijskoj konferencii «Prikladnye tehnologii gidroakustiki i gidrofiziki», g. Sankt-Peterburg.: 2010. 154-157 рр.

5. P'ezokeramicheskie preobrazovateli: Spravochnik. pod red. S.I. Pugacheva. L.: Sudostroenie, 1984. 356p. [The piezoceramic transducers: Handbook].

6. Nasedkina A.A., Nasedkin A.V., Iovane G. A model for hydrodynamic influence on a multi-layer deformable coal seam. Computational Mechanics. 2008. V.41, No.3. pp. 379-389.

7. Zemlyakov Methods for Determination of the Piezoelectric Coefficient of Piezoceramic Materials in Terms of Parameters of an Equivalent Circuit of a Piezoelement. Piezoelectric and Related Materials: Investigations and Applications. Pub. Date: 2012 2nd Quarter, рр. 117-142

8. Zemlyakov V.L., Klyuchnikov S. N. Determination of the parameters of piezoceramic elements from amplitude measurements. Measurement Techniques. 2010. V. 53. N 4. p. 301.

9. Zemljakov V. L., Tolmachev S.A. Inћenernyj vestnik Dona (Rus). 2013. № 2. ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1780.

10. Martynenko A.V. Inћenernyj vestnik Dona (Rus). 2010. № 3. ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2010/206.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.