Страница 3: ГОСТ 8.555-91. Государственная система обеспечения единства измерений. Характеристики и градуировка гидрофонов для работы в частотном диапозоне от 0,5 до 15 МГц (68550)

Рекомендуемая процедура градуировки основана на следующих принципах:

Плоский взаимный преобразователь Г сначала градуируется методом самовзаимности (см. приложение 2). Кажущуюся переда­точную характеристику по току вспомогательного преобразовате-. ля в предположении условия измерения идеальной плоской вол­ны Sj" определяют измерением тока Л и напряжения принятого сигнала U_x посредством следующих соотношений:

<?•_ ^pi _ ( W²

¹ Л ' V_P ' и

7 = , (3)

Р pc ^v

где Pi — звуковое давление в плоской волне, излучаемое вспомога­тельным преобразователем 1, Па;

I р — коэффициент взаимности для плоских волн

Вспомогательный преобразователь должен иметь плоскую круг­лую активную поверхность диаметром, по меньшей мере, в десять раз больше длины звуковой волны, распространяющейся в воде с частотой, при которой применяется преобразователь. Данный преобразователь должен соответствовать условиям по п. 7.3.4 по своей чувствительности, чтобы соответствовать условиям градуи­ровки методом взаимности. Более того, преобразователь должен обладать свойством создавать поле, которое очень близко совпа­дает по своим свойствам с, полем, теоретически рассчитанным для плоского поршнеподобного источника.

Примечание. При выборе подходящего вспомогательного преобразова­теля рекомендуется экспериментально определить значение эффективного ради­уса 01 (п. 7.3.3.), который не должен отличаться от действительного, физиче­ского радиуса активного элемента любого выбранного преобразователя более чем на 1J % •

Хотя при помощи одного вспомогательного преобразователя можно провести удовлетворительные по качеству измерения в ог­раниченном диапазоне частот, обычно требуется несколько преоб­разователей для того, чтобы провести полную градуировку для всей ширины полосы:

Эффективный радиус вспомогательного преобразователя Яі— радиус эквивалентного■поршнеподобного источника, для которого пространственное распределение амплитуды акустического- давле­ния в дальнем поле очень близко к пространственному распреде­лению самого преобразователя. Эффективный радиус определяют из графической зависимости амплитуды акустического давления в функции от расстояния вдоль оси пучка, полученного посредством гидрофона. Описание экспериментального метода, рекомендуемого для определения эффективного радиуса, дано в приложении 3.

Практически достаточно проверить пригодность одного преоб­разователя для градуировки методом взаимности. Преобразовате­ли проверяют парами: один используют как излучатель, другой как приемник. Сравнивают отношения выходного напряжения в разомкнутой цепи приемника к входному току излучателя, когда функции излучателя и приемника меняются без изменения , их по­ложения. Эти две величины не должны отличаться более чем на 10%. Если разница больше, то значит один преобразователь ра­ботает неудовлетворительно. Сравнение двух преобразователей с третьим — обратимым преобразователем — нужно для того, чтобы выяснить, который из двух неисправен.

Примечание. Если преобразователи одинаковы по конструкции, то они могут быть линейными или нелинейными в одинаковой степени и казаться вза­имными в ходе измерений, описанных выше. Поэтому измерения следует про­водить для нескольких различных типов преобразователей прежде чем принять решение о приемлемости их для использования в процедурах градуировки мето­дом взаимности.

Рефлектор должен быть выполнен в виде диска из нержавеющей стали достаточного диаметра для полного'отражения ультразвуко­вого пучка от любого из вспомогательных преобразователей на расстоянии от его поверхности, равном, по меньшей мере, полуто- ракраїному значению Ni (N — протяженность ближнего поля), определяемому по формуле

^а1

А= , (5)

где ай — эффективный радиус преобразователя, м;

X — длина звуковой волны в воде при рабочей частоте преоб­разователя, м.

Толщина рефлектора должна фыть такой, чтобы первое отраже­ние от тыльной поверхности не интерферировало с отражением от' лицевой стороны при использовании самых низких по частоте коле­баний. Он также должен быть плоским до ± 10 мкм, а чистота обработки его поверхности должна быть не более ± 5 мкм.

Во время градуировки рекомендуется, чтобы общая длина тра­ектории звука от вспомогательного преобразователя 2 к .рефлек­тору 4 и обратно к преобразователю 2 (2d) (черт. 3), и от преобра­зователя 2 к гидрофону 3 (d + d), в 1,5 и 3 раза превышала про­тяженность ближнего поля IVi для используемого вспомогательного преобразователя 2.

Примечание. Общая длина траектории между 1,5 N_x и 37V1 является наиболее удобной для определения коэффициента коррекции (п. 2.3). Исполь­зование больших расстояний, особенно при частотах свыше 5 МГц, будет тре­бовать применения значительной коррекции к полученным результатам, т. к. необходимо принимать во внимание явления затухания в среде распространения. Измерения, проводимые в ближнем поле, существенно неточны из-за сложной интерференционной структуры звукового поля.

Вместимость резервуара для испытаний должна быть доста­точной для установления расстояния между вспомогательным преобразователем и рефлектором, равного, по меньшей мере, по- лутоіракратной протяженности ближнего поля для любых исполь­зуемых преобразователей. Стенки резервуара и поверхность воды должны быть на значительном расстоянии от преобразователя и от гидрофона для того, чтобы любой сигнал, возникающий в ре­зультате отражения от этих поверхностей, мог быть задержан по отношению к основному, прямому сигналу, на время, равное, по меньшей мере, длительности тоновой посылки на самой низкой ис­пользуемой частоте. По возможности поверхности резервуара дол­жны покрываться звукопоглощающими материалами (резина или шерстяной ковер с плотным ворсом) и их следует устанавливать под углом не менее 10° к плоскости самого отражателя.

Резервуар следует наполнять свежей, дистиллированной или де­газированной водой, которую из-за постоянного поглощения воз­духа из атмосферы Необходимо менять не реже чем через 48 ч.

Примечание. Воду можно дегазировать выдержкой под атмосферным давлением воздуха, сниженным до 2000 Па или менее, или нагревом ее прибли­зительно до 80 °С в течение часа.

Точное расположение и ориентация преобр'адователя^гидрофо- на и рефлектора необходимы, и все устройства для этого должны крепиться на устойчивых жестких держателях, которые позволяют проводить соответствующую регулировку- Рекомендуется гидро­фон и преобразователь снабжать специальными устройствами, поз­воляющими проводить их поперечное смещение с точностью до ± 0,1 мм, и независимо регулировать их ориентацию вокруг их акустического центра с точностью ± 0,05° и точнее. Отражатель необходимо вращать в пределах угла, равного приблизительно 10°, вокруг оси параллельно его поверхности и перпендикулярно к линии, соединяющей акустические центры гидрофона и вспомога­тельного преобразователя (черт. 3).

. Чтобы исключить необходимость применения образцовых изме­рительных приборов для измерения напряжения.и тока, которые нельзя непосредственно применять для измерения тоновых посы­лок (бурстов), рекомендуется /і, C/і, U измерять на основе опор­ного напряжения t/ref при известном значении сопротивления 7?₀ посредством точного аттенюатора с выходным импедансом, рав­ным R_o.

Тогда

(6)

U=auU_reS, ,(7)

6Z г U rpf

⁽⁸⁾

где а и, , а и, а,, —константы пропорциональности. Подставив выражения (6), (7), (8) в (4), получаем

а,, ! Ro^ar ^1/2

-° ^{71 р} . (9)

^а/, ^аи₁/

Таким образом, абсолютное значение чувствительности гидро­фона в свободном поле можно определить, не зная значение t/_ref, полагая при этом, что U_ret остается постоянным в течение всего периода измерений, и зная абсолютное значение Ro- Рекоменду­ется, чтобы значение Ro было известно с точностью ± 1 % для всего частотного диапазона, в котором оно применяется.

Детали процедуры, рекомендуемой для определения a u_t, а и и а/, , даны в приложении 3.

При расчете результатов градуировки необходимо оценить до­пуск на любые отклонения между идеальными граничными усло­виями, принятыми в формуле (9), и теми условиями, которые су­ществуют на практике- Как было описано в п. 7.2.3, это можно сде­лать введением поправочного коэффициента k, тогда истинная чувствительность гидрофона в свободном, поле будет M*k.

Полностью оценка поправочного коэффициента описана в при­ложении 4. Однако в» определенных специфических условиях, соот­ветствующих методам градуировки, рекомендуемой настоящим стандартом, можно получить значительное упрощение определе­ния k.

Для этого необходимо, чтобы:

1. отношение диаметра вспомогательного преобразователя к диаметру гидрофона было больше 5;

2. все измерения проводились при общей длине акустического пути, лежащего в пределах между полуторной и тройной протя­женностями ближнего поля вспомогательного преобразователя.

Определяя нормализованное расстояние S как длину акустиче­ского пути между вспомогательным преобразователем и гидро­фоном, деленную на протяженность ближнего поля, условие б) можно выразить так: ,

1,5< ^4- <3 и 1,5<3<3, (10)

^а

TJ&

. _5=(di+d)J_. (И)

^а

В этих условиях k можно вычислить по формуле ь>/2 ,

k = G_c (12)

где G_c — (функция только 3) дает поправку на изменения в при­нятом сигнале, обусловленные дифракционными эффектами при распространении ультразвука скорее в виде пучка, а не бесконеч­но плоской волны. Эти явления представляют отклонения условий реальной системы от условий плоской волны, принятых при полу­чении /р, тогда /_р • G2 можно рассматривать как коэффициент взаимности для промежуточных условий, применяемых в процес­се измерений. Значение G. как функции S показано на черт. 5.

Зависимость коэффициента от нормализованного расстояния

а' — коэффициент затухания амплитуды ультразвука в чистой, дегазированной воде (м~’) определяют при температуре 23 °С по формуле

а' = 2,2.10-¹⁴-/, (13)

f — частота, Гц.

k u_t —множитель, на который напряжение сигнала вспомога­тельного преобразователя, действующего как приемник, должно умножаться для получения эквивалентного нап­ряжения разомкнутой цепи. Если условия электрической нагрузки (например выходной импеданс высокочастот­ного генератора тоновых посылок) неизменны при пере­даче и приеме, то значение k_Ut можно определить, из­меряя ток I _k , проходящий через цепь, когда преобразо­ватель закорачивают. Тогда

(И)

П р и м е ч а н и е. Если имеется электронная ключевая схема, отключающая генератор от преобразователя сразу же после окончания радиоимпульса, и ис­пользуется схема детектирования с высоким сопротивлением, то значение k и можно принять за единицу.

k у — множитель, на который напряжение гидрофона должно умножаться для того, чтобы получить эквивалентное значение разомкнутой цепи. Обычно гидрофон градуируют при электрической нагрузке, которая предназначена для гидрофона конкретного применения, и в коррекции чувствительности по напря­жению для разомкнутой цепи нет необходимости.

Рекомендуемая методика измерений и упрощенный расчет по­правочного коэффициента обеспечивают градуировку гидрофонов в диапазоне частот от 0,5 до 15 МГц при общей систематической погрешности менее ±1,5 дБ от уровня чувствительности по на­пряжению. Методика способна обеспечить случайную погрешность измерений, значительно меньшую ± 1,5 дБ.ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ВЗАИМНОСТИ

Гидрофон обычно градуируют так: гидрофон помещают в акустическое по­ле в точке, в которой известно абсолютное значение одного из параметров этого поля, например амплитуды акустического давления, которую определили ранее.

В литературе о.писаны многочисленные методы определения абсолютных па­раметров акустического поля. Некоторые из них, такие как калориметрия или измерение радиационного давления посредством высокочувствительных весов, включают определение физических величин, усредненных по времени и по всему акустическому пучку (или его значительной части). Другие методы, такие как интерферометрия и измерение радиационного давления, оказываемого на не­большие сферические мишени (шарики), определяют значения пространствен­ного распределения физических величин.-В этих методах параметр поля опре­деляется по степени влияния поля, генерируемого ультразвуковым преобразо­вателем, на какой-либо чувствительный элемент. Методом взаимности опреде­ляют влияние поля на второй преобразователь, а также на преобразователь, ко­торый сам генерирует поле.