Промерный эхолот

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет

Кафедра 50


Курсовой проект по дисциплине


Проектирование роботов и робототехнических систем


Тема


Промерный эхолот


Выполнил: Резунов А.Б. гр. 3580

Проверил: Махов В.И


Санкт-Петербург 2010г


Содержание


Задание

Параметры антенны

Введение

Выбор рабочей частоты

Определение длительности зондирующего импульса

Определение периода зондирующего импульса

Общая полоса частот приемного тракта

Определение коэффициента пространственного затухания

Определение размеров преобразователя

Выбор активного материала

Расчет параметров преобразователя

Помехи при работе эхолота

Определение интенсивности эхосигнала

Расчет акустической мощности

Реверберационные помехи

Структурная схема

Принцип действия эхолота

Приемно-излучающее устройство

Заключение

Список литературы


Задание


1. Разработать проект промерного эхолота работающего на глубине до 100 м.

2. Рассчитать и разработать конструкцию гидроакустической антенны для промерного эхолота.


Параметры антенны


Рабочая полоса (определить) кГц; полоса частот (определить).

Режим работы: импульсный, длительность импульса (выбрать).

Направленность антенны:

- вид характеристики осесимметричная

- раствор главного лепестка Промерный эхолот

- ориентация (угол сканирования) лепестка - основной лепесток «смотрит» вертикально вниз

- Величины боковых максимумов <15% от максимума

Эффективность антенны: дальность действия 100м.

Помехи акустические 120 дБ/мкПа.

Превышение сигнала над помехой 6 дБ.

Принцип преобразования: пьезоэлектрический.

Конструкция антенны: силовая.

Тип антенны: дискретная.

Колебательная система: пластинчатая.

Максимальная глубина погружения 10 м.

Носитель антенны: надводное судно.

Коэффициенты обратного рассеяния звуковой волны при нормальном падении:

От ила:0,1; от песка 0,3; от гранита 0,6.


Введение


Состояние мореплавания к 2000 г. характеризуется высокими скоростями судов, значительной интенсивностью грузопассажирских перевозок на основных морских путях, увеличением количества крупнотоннажных судов транспортного и промыслового флотов, Очевидно, что в таких условиях обеспечение безопасности плавания усложняется. В связи с этим возрастают требования к составу судовых технических средств навигации и их техническим характеристикам.

Правила Регистра РФ по конвенционному оборудованию морских судов предусматривают обязательное включение в состав навигационного оборудования морских судов эхолотов.

Современные эхолоты по своему назначению делятся на следующие основные группы: навигационные, промерные и рыбопоисковые. Профессиональные гидрографические промерные эхолоты существенно отличаются от рыбопоисковых записью исходных данных на бумажный носитель или в память, более узкой диаграммой направленности излучателя, более высокой (и обязательно оговоренной производителем в технических характеристиках и подтвержденной сертификатом) точностью определения глубины, возможностью ввода поправок на параметры воды и наличием дополнительных сервисных функций.

Принцип работы эхолота основан на измерении промежутка времени от момента излучения ультразвукового импульса до момента его приема после отражения от грунта. Глубина, измеряемая эхолотом, определяется как:


Промерный эхолот


Где H- измеряемая глубина м; с- скорость распространения ультразвука в воде, м/с; t – время прохождения сигнала от антенны до грунта и обратно.

Эхолот работает следующим образом. Электрические колебания ультразвуковой частоты, формируемые высокочастотным генератором при измерении малых глубин, преобразуются высокочастотной антенной в механические колебания, которые передаются водной среде. Колебания водной среды, отраженные от грунта, возвращаются к антенне через определенный промежуток времени, пропорциональный глубине. В антенне механические колебания преобразуются в электрические сигналы , которые передаются на индикаторы.

Временной интервал от момента излучения ультразвукового зондирующего импульса до момента его приема после отражения от дна в определенном масштабе отображается на самописце и цифровом указателе глубин.

В приборе сигнализации глубины осуществляется сравнение промежутка времени от момента излучения до приема отраженного от дна сигнала с заданным интервалом времени, соответствующим установленной глубине. При совпадении указанных интервалов включается сигнализация, свидетельствующая о выходе судна на заданную глубину.

Выбор рабочей частоты.

Значение дальности действия гидроакустических приборов определяется величинами, зависящими от частоты так, например, от частоты зависит уровень помех, полоса пропускания частот приемного тракта, коэффициент концентрации и.т.д.

Расчет рабочей частоты будем проводить по формуле


Промерный эхолот для активной системы , r - глубина

Промерный эхолот


При известной рабочей частоте можно вычислить длину волны в воде. Она определяется из соотношения:

Промерный эхолот


где с – скорость звука в воде , f - рабочая частота.


Промерный эхолотПромерный эхолот


Длина волны равна 8 мм. При рабочей частоте 180 кГц.

Эхолот работает как в пресной, так и в соленой воде. Как известно скорость распространения звука воде зависит от ее температуры и солености и может колебаться от 1450 до 1550 м/с. В таких условиях погрешность измерения глубины может достигать 3%


Определение длительности зондирующего импульса


Длительность зондирующего импульса определяет разрешающую способность аппаратуры и протяженность мертвой зоны по дальности. Чем больше длительность зондирующего импульса. Тем большее расстояние занимает импульс в пространстве и тем больше должно быть расстояние между объектами для их раздельной локации. Длительность импульса влияет на дальность обнаружения. Для повышения разрешающей способности и сокращения протяженности мертвой зоны желателен короткий импульс, а для повышения отношения сигнал /помеха необходим зондирующий импульс большей длительности. Величина импульсов гидролокаторов обычно лежит в пределах от 0,5-1,0 до 20-30 мс. Известно, что для гидролокатора длительность зондирующего импульса можно найти из соотношения:


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- коэффициент, определяющий частоту заполнения импульса


Промерный эхолот =80-100


С- скорость звука в воде.

Подставим значения и получим:


Промерный эхолот

Откуда 0,44 < J < 0,66


Целесообразнее выбрать длительность зондирующего импульса равной 0,5 мс.

Определение периода зондирующего импульса


Период следования импульсов определяется из следующих соображений.

-до получения эхо-сигнала с максимальной дистанции повторное излучение не производится.


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- максимальная дистанция (100 метров)

С- скорость звука. С =1500 м/с


Промерный эхолот Промерный эхолот


При проведении измерений данным эхолотом глубина района при отсутствии передвижения практически не меняется. В целях экономии энергии можно излучать импульс на порядок реже.

Для удобства счета выберем период 1с. T=1c.


Общая полоса частот приемного тракта


Из работы данного эхолота следует, что ограничения эффектом Доплера можно пренебречь, таким образом, на полосу пропускания частот влияет нестабильность частотно передающего устройства. Таким образом, для общей полосы частот приемного тракта можно написать:


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- полоса частот, обусловленная приемом импульсов,Промерный эхолот- отклонение частоты из-за нестабильности рабочей частоты передающего тракта.

Величину полосы пропускания, обусловленную нестабильностью передающего и приемного и приемного трактов гидролокатора, принимаем равной Промерный эхолот=100 Гц

Тогда, подставив численные величины, получим:


Промерный эхолот


Определение коэффициента пространственного затухания


Ослабление в воде амплитуды колебаний ультразвуковых волн происходит вследствие расширения фронта последних, а так же поглощения и рассеяния для плоской волны затухание обусловлено только поглощением и рассеянием и оценивается коэффициентом затухания B.

Экспериментально установлено, что коэффициент затухания B ультразвукового сигнала в воде зависит от его частоты f , температуры t , солености воды s и гидростатического давления p в зоне его распространения.

Коэффициент пространственного затухания B , ДБ/км. Определен по монограмме на следующем рисунке.


Промерный эхолот


Исходя из монограммы , B=40 ДБ/км


Определение размеров преобразователя


Для данного эхолота необходима антенна с характеристикой направленности (ХН), имеющую круговую симметрию оси, проходящей через центр антенны перпендикулярно к ее поверхности. Все точки поверхности антенны должны колебаться с одинаковой амплитудой, синфазно такой антенной является плоская антенна круглой апертурой (круглый поршень).

Для уменьшения стоимости антенны целесообразно выбрать сплошной круглый поршень, т.е. диск.

Диаметр элемента ,d , получим из формулы


Промерный эхолот

Промерный эхолот=Промерный эхолот, раствор главного лепестка Промерный эхолот

Радиус 2.5 см.

При известном значении радиуса диска можно найти площадь приемно-излучающей поверхности по формуле Промерный эхолот

Подставив значения в это выражение, получим: Промерный эхолот

Для расчета характеристики направленности антенны будем использовать «Систему автоматизированного проектирования для формирования и расчета гидроакустических антенн»

Указав все исходные данные, получаем вид ХН:


Промерный эхолот


Выбор активного материала


В современных ГАП, в качестве активных элементов, используют пьезокерамику различных составов промышленного производства. Достоинства пьезокерамических преобразователей, обусловившее широкое их использование в гидроакустических антеннах, - большая эффективность, возможность изготовления элементов любой формы возбуждение различных видов колебаний, широкий частотный диапазон. В зависимости от назначения пьезокерамические материалы делят на четыре класса. Материалы первого класса пригодны для производства пьезоэлементов приемников и излучателей малой и средней мощности. Удельная чувствительность, достаточно полно характеризующая эффективность преобразователя в режиме приема , на частоте электромеханического резонанса пропорциональна


Промерный эхолот


Из представленных в литературе материалов удельная чувствительность на резонансе будет больше у приемников из ЦТСНВ-1.(цирконат- титанат свинца, натрия, висмута)

Основные характеристики пьезокерамики ЦТСНВ-1:


плотность Промерный эхолот Промерный эхолот;

модули упругости Промерный эхолот Промерный эхолот;

модули податливости Промерный эхолот Промерный эхолот;

скорости звука Промерный эхолот Промерный эхолот;

относительная диэлектрическая проницаемость Промерный эхолот Промерный эхолот;

пьезоэлектрические Промерный эхолот Промерный эхолот;

КЭМС Промерный эхолот Промерный эхолот;

Промерный эхолот Промерный эхолот.

Промерный эхолот Промерный эхолот


Расчет параметров преобразователя


Проектируемая антенна должна обеспечивать полосу пропускания не менее


Промерный эхолот


Для обеспечения этого требования механическая добротность антенны не должна превышать Промерный эхолот. Такую добротность могут обеспечить полуволновые (без накладок) стержневые преобразователи, при продольном пьезоэффекте.

Находим резонансный размер Промерный эхолот, решая трансцендентное уравнение


Промерный эхолот

Промерный эхолот

Промерный эхолот


Итак , толщина диска получилась равной 5 мм . Рассмотрим режим излучения .

Массу активного стержня можно найти из выражения:


Промерный эхолоткг.


Эквивалентная масса может быть найдена по формуле


Промерный эхолоткг.


Эквивалентная податливость преобразователя равна


Промерный эхолот


Подставляя численные значения в выражение, получим:


Промерный эхолотм/н


Механическая добротность преобразователя


Промерный эхолот


Примем акустико-механический КПД Промерный эхолоттогда согласно выражению, получим:


Промерный эхолот


Коэффициент электромеханической трансформации (КЭМТ) для сплошного преобразователя при продольном пьезоэффекте равен:


Промерный эхолот


Подставим численные значения


Промерный эхолотН/В


Акустическую мощность при резонансе можно найти из выражения:


Промерный эхолот


Подставив численные значения, получим значение акустической мощности при максимально допустимом напряжении Промерный эхолотВ.


Промерный эхолотВт


Удельная акустическая мощность


Промерный эхолотПромерный эхолот


Чувствительность излучателя. Чувствительность по напряжению Промерный эхолотопределяем 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 Промерный эхолот, где Промерный эхолот - амплитуда колебательной скорости, Промерный эхолот- площадь излучающей поверхности введем в выражение для Промерный эхолотсилу Промерный эхолот . При резонансе активное механическое сопротивление Промерный эхолотСила связана с электрическим напряжением через КЭМТ Промерный эхолот В результате


Промерный эхолот


Подставляя численные значения ,получим:


Промерный эхолот 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 Промерный эхолот определяемой из выражения .


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- рабочая частота.

Подставим численные значения.


Промерный эхолот кГц


Статическая электрическая емкость равна:


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот найдем из отношения:


Промерный эхолотФ/м


Подставив численные значения, получим:


Промерный эхолотФ


Чувствительность приемника при электромеханическом резонансе можно найти , пользуясь формулой :


Промерный эхолот


Подставляя численные значения, получим:


Промерный эхолот В/Па


Удельная чувствительность приемника при резонансе:


Промерный эхолот В/Па


Далее необходимо найти коэффициент полезного действия КПД


Промерный эхолот


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.


Промерный эхолот


Сопротивление электрических потерь Промерный эхолотможно найти из выражения.


Промерный эхолот


Подставим в формулу численные выражения:


Промерный эхолот Ом


Механическое сопротивление, приведенное к электрической стороне электромеханической схемы равно:


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- полное активное механическое сопротивление Промерный эхолот

Тогда выражение для механического сопротивления примет вид:


Промерный эхолот


Подставим в формулу численные выражения:


Промерный эхолот


Подставим полученные значения в выражение для электромеханического КПД.


Промерный эхолот


Тогда согласно выражению полный КПД будет:


Промерный эхолот

Найдем коэффициент концентрации:


Промерный эхолот


Электромеханическую добротность найдем из выражения:


Промерный эхолот


Частотную зависимость чувствительности рассчитаем по формуле:


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- частота анти резонанса.

Частотная зависимость чувствительности


Промерный эхолот

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 Промерный эхолотПромерный эхолот

Превышение сигнала над помехой 6 дБ.


Промерный эхолот где Промерный эхолот


Подставив численные значения, получим:


Промерный эхолот


Интенсивность помехи найдем из выражения:


Промерный эхолот


Подставив численные значения, получим: Промерный эхолот


Промерный эхолотПромерный эхолот


Таким образом, интенсивность сигнала можно найти из выражения:


Промерный эхолот


Расчет акустической мощности


Акустическая мощность – один из основных параметров, характеризующий гидролокационную аппаратуру, определяется выражением, вытекающим из основного уравнения гидролокации.


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- интенсивность сигнала, r – дальность действия эхолота, Промерный эхолот - коэффициент концентрации антенны , Промерный эхолот- характеристика направленности антенны , Промерный эхолот - радиус эквивалентной сферы, Промерный эхолот- 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


Промерный эхолот.


При замене Промерный эхолотвыражение принимает иной вид:


Промерный эхолот


Подставив численные значения, получим:


Промерный эхолот

Промерный эхолотВт. (Ил), 6Вт. (Песок), 2 Вт. (Гранит)


Далее для песка:

Электрическая мощность генераторного устройства определяется по формуле


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот- электроакустический коэффициент полезного действия


Промерный эхолот


Тогда:


Промерный эхолотВт

Напряжение возбуждения в преобразователе можно найти из выражения:


Промерный эхолотВ


Удельная акустическая мощность:


Промерный эхолотПромерный эхолот


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:


Промерный эхолот


Где Промерный эхолот - акустическая мощность, Промерный эхолот= Промерный эхолотВт. (Ил), 6Вт. (Песок), 2 Вт. (Гранит). Промерный эхолот - протяженность зондирующего импульса (м), Промерный эхолот - акустическое сопротивление воды (Промерный эхолотПромерный эхолот) , Промерный эхолот- коэффициент учитывающий направленные свойства излучателя и

Похожие рефераты: