на установленный процент допуска (см. черт. 2). Это условие должно выполняться для любой частоты в пределах полосы пропускания данного гидрофона. Если гидрофон остается линейный; и для более высоких давлений, превышающих уровень 3 • 105 Па,, то должен быть установлен действительный верхний Предел линейности.
П ip и, М: е ч а н И е. На измерения акустического давления в области выше 3-Ю5 Па могут повлиять нелинейные эффекты в среде распространения.
Частотная зависимость
У
U — выходное напряжение; Р — зву- ковое давление в свободном поле
Черт. 2
График зависимости выходного' напряжения от звукового давления в свободном поле, используемый для, оценки линейност» гидрофона
ровень чувствительности в свободном поле должен быть постоянным в установленной полосе частот по крайней мере в две с половиной октавы в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц при максимально допускаемой погрешности 2 дБ для класса А и 4 дБ для класса В. Уровень чувствительности не должен изменяться более чем н^ ± 0,5 дБ (класс А) и ± 1 дБ (класс В) при любом частотном приращении порядка 100 кГц, попадающем в определенную ранее полосу пропускания.Примечания:
Несмотря на то, что гидрофоны класса А необходимы для полной количественной оценки импульсного поля, удовлетворительные количественные результати можно Долучить для полей в непрерывном режиме посредством гидрофона, который не соответствует требованиям,-предъявляемым к устройствам класса А в части частотной зависимости, но соответствует всем другим требованиям класса А. •
На практике наличие отклонений в частотной характеристике необходимо исследовать методом спектрального анализа. Амплитуду любого наблюдаемого отклонения необходимо определять вышеописанным методом градуировки.
Температурная стабильность
В температурном диапазоне от 16 до 30 °С уровень чувствительности гидрофонов класса А не должен изменяться более чей на ± 1 дБ по отношению к значению при 23 °С, а в температурном" диапазоне от 30 до 40 °С — не более чем на ± 2 дБ по отношению* к значению при 23 °С.
Временная стабильность
Временная стабильность гидрофонов класса А должна быть» такой, чтобы уровень его чувствительности изменялся не более чем на ± 2 дБ в течение одного года при обеспечении работы гидрофона в определенных условиях, соответствующих перечислен- яьщ в настоящем стандарте..Из этого следует, что гидрофон нужно повторно градуировать в интервалах времени, которые не должны превышать года.
Примечание. Желательно в некоторых случаях иметь лучшую временную стабильность, но не всегда практично проводить точную градуировку ча- -дце-одного раза в год.
Направленность
Для характеристики направленности стандартного гидрофона .должны быть удовлетворены следующие условия.
Примечание. Чувствительность гидрофонов, рассматриваемая в настоящем стандарте, строго направлена, при этом максимальная чувствительность имеет место в направлении, нормальном по отношению к лицевой плоскости преобразователя.
Симметрия
Симметрия характеристик направленности гидрофонов классов А и В для верхнего и нижнего пределов установленного частотного диапазона должна быть такой, что, если нормализованный уровень чувствительности, равный — 6 дБ, имеет место в определенном направлении, образующем угол @ с направлением максимальной чувствительности (0 дБ), то уровень чувствительности, измеренный во всех других направлениях, лежащих в пределах такого же угла, должен быть в диапазоне — (6 ± 3) дБ.
Примечание. Считается нормальным и допустимым выбирать «направление максимальной чувствительности» с тем, чтобы свести до минимума изменения чувствительности по конусу полуугла 0.
Эффективный пространственный угол
Характеристика направленности гидрофона класса А или В, чувствительность которого Максимальна в направлении, перпендикулярном к его поверхности, должна быть такой, чтобы при измерении на верхней границе установленной полосы частот в плоскости, содержащей направление максимальной чувствительности, среднее значение двух углов между направлением максимальной чувствительности и тем, при котором нормализованная чувствительность составляет минус 6 дБ, было не менее 15°. _
Электрические характеристики
Чувствительность в свободном поле М гидрофона емкостью С ’между электродами приводится к значению на конце кабеля М с в зависимости от емкости Сс экранированного кабеля, соединя- аощего гидрофон с электронным усилителем, по формуле
Диапазон значений для С от 10 до 150 пФ для гидрофона с пьезоэлектрическим керамическим элементом и 1—5 пФ для гидрофона из пьезоэлектрического пластика, Сс= 100 L пФ, где L — длина кабеля в метрах-на его поверхности не образовывалась воздушная пленка или пузырьки воздуха.
Примечание. Перед тем как использовать гидрофон для измерений, его необходимо почистить и опустить в дегазированную перед этим воду не менее чем на 10 мин до полного и оптимального смачивания его поверхности.
Сопротивление коррозии
Все детали (части) гидрофона, соприкасающиеся с жидкостью, должны быть изготовлены из коррозионно-совместимых и коррозионностойких материалов- В частности, следует избегать применения разных металлов в соприкасающихся с жидкостью частях гидрофона, с тем, чтобы избежать возможных явлений гальванической коррозии.
Отражающая способность
Активный элемент и корпус гидрофона отражают ультразвуковые волны, искажая первоначальное поле. Для того, чтобы свести до минимума искажение результирующего поля и эффекты интерференции, все поверхности гидрофона, отражающие более 20 % энергии плоской падающей волны (распространяющейся по направлению максимальной чувствительности гидрофона), должны:
иметь нормали, направленные под углом не менее 20° к направлению максимальной чувствительности или
находиться в круге с радиусом менее 1 мм.
Внутренняя акустическая реверберация
Конструкция гидрофона, в частности, его акустическое демпфирование, должна быть такой, чтобы любые задержанные ложные сигналы, возникающие в результате реверберации в самом гидрофоне, были на 20 дБ ниже прямых сигналов, создаваемых падающим акустическим импульсом, состоящим из одного цикла и имеющим частоту в пределах частотного диапазона, определенного для гидрофона.
Резонанс основной моды колебаний по толщине
Резонанс основной моды колебаний по толщине закрепленного пьезоэлектрического элемента должен возникать при частоте в два раза выше установленной верхней частоты гидрофона при добротности Q < 6.
Примечание. Это условие необходимо для того, чтобы избежать чрезмерного реагирования гидрофона на основную резонансную частоту, .которая в значительной степени искажает измеряемую форму ультразвукового импульса, содержащего относительно небольшую долю составляющих с частотами, ‘превышающими верхний предел установленного для гидрофона частот.
ПЕРЕЧЕНЬ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОФОНА
Изготовитель гидрофонов классов А и В обязан представить следующие характеристики.
Чувствительность по напряжению в свободном поле
6-1.1. Полоса частот, в пределах которой уровень чувствительности гидрофона в свободном поле постоянен, при отклонениях ± 2 дБ (класс А) или ± 4 дБ (класс В).
Частотная зависимость чувствительности на конце кабеля гидрофона в установленной полосе частот
Чувствительность должна соответствовать измеренным значениям амплитуды акустического давления, равного 3- 104 Па. В тех случаях, когда чувствительность определяют в дискретных частотных точках, интервалы должны быть такими, чтобы чувствительность изменялась не более чем на ± 1,5 дБ.
Температурный коэффициент чувствительности по напряжению в свободном поле
Направленность
Ширина диаграммы направленности — угол в плоскости, проходящей через ось максимальной чувствительности, вне пределов которого чувствительность, отнесенная к ее максимальному значению, измеренному на верхней частоте рабочего диапазона, составит менее минус 6 дБ.
Отклонение оси — угловое различие (в пределах точности ± 3°) между направлением геометрической оси гидрофона и направлением максимальной чувствительности-
Примечание. Диаграмму направленности гидрофона можно определить следующим образом: испытуемый гидрофон помещают в дальнее поле ультразвукового преобразователя и вращают вокруг оси, которая проходит через < активный элемент и перпендикулярна к направлению максимальной чувствительности. Выходное напряжение гидрофона измеряется как функция угла вращения.
Э л е к т р и ч е с к и е характеристики
Вычисленное значение емкости чувствительного элемента при температуре от 16 до 40 °С.
Емкость на конце кабеля.
Сопротивление утечки на конце кабеля.
Ограничения в электрическом возбуждении, которое мо- жеть быть приложено к гидрофону при его использовании в качестве излучателя, включая максимальное значение напряжения от пика до пика и скважность импульсов.
64. Механические характеристики и условия окружающейсреды
Материал чувствительного элемента.
Основные размеры чувствительного элемента и гидрофона,
Резонансная частота основной моды по толщине для закрепленного элемента гидрофона.
Типы подвергаемых воздействию окружацщей среды материалов (например металл, резина, компаунд и др.).
Максимальная продолжительность погружения в воду (при 37°С), при которой не происходит значительного искажения рабочих характеристик.
Ограничения по несовместимости материалов (например жидкости, растворы).
Ограничения по механическим нагрузкам, особенно на те детали, которые предназначаются для крепления и юстировки гидрофона.
ГРАДУИРОВКА ГИДРОФОНА
Рекомендуется стандартные гидрофоны, используемые в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц, градуировать посредством вспомогательного преобразователя, который сам должен быть отградуирован посредством метода самовзаимности. Этот метод градуировки обеспечивает точность, соответствующую назначению гидрофона, в то же время этот метод требует минимального специального оборудования (приложение 1).
Метод взаимности
Для линейного, пассивного, обратимого электроакустического преобразователя существует хорошо определенная взаимосвязь между чувствительностью в дальнем поле приемника М и передаточной характеристикой по току S, Эта зависимость выражена для определенной конфигурации устройств в системе преобразователей в виде определения коэффициента взаимности J (приложение 2).
Все виды градуировки, основанные на принципе взаимности, требуют применения обратимого преобразователя как для излучателя, так и для приемника. Если только изменения, возникающие в акустическом поле, между передачей и приемом известны, то передаточная характеристика и приемная чувствительность преобразователя могут быть определены непосредственно измерением протекающего тока и напряжения принятого сигнала. Очевидное преимущество данного метода в том, что необходимые акустические параметры определяются измерением только электрических величин.
Метод взаимности с применением трех преобразователей
Градуировка, в основе которой лежит принцип взаимности, на практике может проводиться разными методами. Метод, обычно используемый в гидроакустике, заключается в применении трех преобразователей.
.Этот метод трудно применять на высоких частотах из-за необходимости большой точности установки положения преобразователя и его ориентации, а также из-за сложной природы характеристик направленности преобразователей.
Самовзаимность
Градуировка методом самовзаимности состоит в использовании испытательного преобразователя, принимающего излученные им же самим сигналы после их отражения от рефлекторна, и требует проведения минимальной геометрической регулировки. Этот метод не всегда применим к высокочастотным гидрофонам, которые из-за своих размеров имеют недостаточную чувствительность для выполнения требования соотношения сигнал/шум в принятом сигнале. (Минимальный диаметр практического излучателя около 2 мм).
Метод с применением двух преобразователей
Рекомендуется стандартные гидрофоны градуировать методом с использованием двух преобразователей: гидро'фон градуируют в известном поле вспомогательного преобразователя, предварительно отградуированного методом самовзаимности. Посредством этой методики можно обеспечить точность градуировки, соответствующую назначению гидрофонов, но при этой методике нет необходимости производить такую точную юстировку преобразователей, как это требуется в методике градуировки с тремя преобразователями.
Примечание. Методики градуировки, описанные в настоящем стандарте, используют тоновые посылки (бурсты) излучения одной частоты. Полученные при градуировке данные.относятся только к одной этой частоте, а полную кривую частотной зависимости нужно составлять по точкам.
