Страница 4: 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)

Имеется множество методов абсолютного измерения параметров акустиче­ского поля. При условии некоторых допущений о распространении акустических волн все эти параметры взаимосвязаны. Параметры, определенные различными путями и методами, фактически эквивалентны.

Абсолютное определение амплитуды акустического давления в одной.точке поля для градуировки гидрофона можно произвести одним из многих экспери­ментальных методов; выбор их можно сделать, лишь исходя из удобства приме­нения того или иного метода. Метод интерферометрии является наиболее под­ходящим и прямым методом измерения, но его довольно сложно осуществить, и поэтому он широко не применяется. Из остальных методов только два имеют определенные преимущества перед другими: метод взаимности и метод измере­ния общей выходной мощности в сочетании с определением пространствен­ного распределения акустического давления в пучке при помощи гидрофона. Для того, чтобы объяснить, почему именно метод взаимности избран как основной метод измерения в настоящем стандарте, целесообразно разобрать основные черты этих двух альтернативных подходов.

Полное усредненное по времени выходное значение мощности можно опре­делить при помощи либо весов, измеряющих радиационное давление, либо кало­риметром. В основе принципа измерения радиационного давления при помощи весов лежит тот факт, что "силу, приложенную к отражающей мишени, поме­щенную в ультразвуковом поле, можно соотнести с общей усредненной по вре­мени акустической мощностью в той части; где пучок падает на мишень. Было разработано большое число систем, в которых применялись мишени различных типов и использовались различные методы измерения силы. Точность, получа­емая при измерениях, зависит от конструкции и режима работы, но усреднен­ный по времени уровень полной мощности выше 10 мВт можно определить при общей погрешности не более ±5%. Преимущество метода измерения радиаци­онного давления состоит в том, что он не зависит от частоты ультразвукового пучка при условии соответствующей коррекции на поглощение на акустическом пути между лицевой поверхностью, преобразователя и мишенью. Основной недо­статок этого метода заключается в том, что силы, которые присутствуют в дан­ном случае, очень невелики и требуют очень чувствительных измерительных си­стем, на которые могут влиять окружающие условия, такие, как изменения тем­пературы и вибрации.

Альтернативным является калориметрический метод, используемый для оп­ределения полной усредненной по временй” мощности. Принцип его прост: пре­образование акустической энергии в тепловую, которую определяют обычным калориметрическим методом. Как было показано, неточности при данном методе достигают ± 7 %. Недостаток этого метода заключается в том, что необходимо много времени для приведения измерений, а сами калориметры являются до­вольно сложными устройствами, которые, в свою очередь, требуют совершен­ствования и поддержания в рабочем состоянии, если их использовать в каче­стве основных устройств при градуировке.

Для того, чтобы применить метод измерения полной усредненной по вре­мени выходной мощности преобразователя для градуировки -гидрофона, необ­ходимо интегрировать относительную интенсивность акустического поля, про­изводимого преобразователем в плоскости, перпендикулярной к направлению ра­спространения. Это позволяет определять абсолютное значение акдатической ин­тенсивности в заданной точке поля. Обычно выбирают точку максимальной ин­тенсивности, т. к. ее можно найти многократно, и используют сканируемую пло­скость в дальнем поле, где флуктуации скорости и плотности находятся в одной фазе. Сканирование поля требует только относительных измерений, и можно использовать гидрофон класса В, который должен быть мал по сравнению с длиной звуковой волны. В теории должна быть описана процедура определения закона распределения звукового давления в поперечном сечении, перпендику- - лярном к направлению распространения звука. Там, где возможно предполо­жить цилиндрическую симметрию поля преобразователя, распределение давле­ния может быть получено одномерным сканированием.

Экспериментальные возможности определения распределения давления свя­заны с точным перемещением гидрофона в поле и измерениями в динамическом диапазоне не менее 40 дБ.

Когда гидрофон, который нужно отградуировать, помещают в поле, необхо­димо сделать коррекцию для возможного пространственного усреднения, кото­рое имеет место из-за конечных размеров как сканирующего, так и градуируе­мого гидрофонов, при этом выходная мощность преобразователя и распреде­ление давления должны оставаться неизменными на протяжении всех измерений.

Суммарная погрешность градуировки гидрофона данным методом около ±12%.

Метод взаимности тррбует более простых экспериментальных приспособле­ний по сравнению с другими методами, описанными выше, и не включает слож­ных измерительных процедур (метод, описанный в приложении 2). Электриче­ские й акустические поправки необходимо вводить в данные, и анализ результа­тов оказывается довольно сложным. Используемый преобразователь должен соответствовать типу, близкому к поршнеподобному с тем, чтобы обеспечить оценку поправочных коэффициентов с достаточной точностью, а также должен создавать стабильные и воспроизводимые поля в течение всего периода измере­ний. Окончательные погрешности больше тех, которые получаются по методике усредненной по времени мощности или по методу построения профиля пучка на частотах выше 5 МГц из-за того, что имеет место несоответствие в рабочем режиме преобразователя. При частотах ниже 5 МГц погрешности сравнимы с погрешностями, получаемыми при других методах. При усовершенствовании кон­струкции преобразователя его погрешности можно снизить. Метод взаимности—^; метод абсолютного измерения, в результате применения которого можно полу­чать точностные характеристики, сравнимые с аналогичными, получаемыми дру­гими методами.

* Этот метод прост, и его можно реализовать в любой оборудованной для про­ведения обычных ультразвуковых измерений лаборатории.

ВЗАИМНОСТЬ В ПЛОСКОЙ ВОЛНЕ

Взаимный преобразователь — преобразователь, который удовлетворяет усло­виям электромеханической взаимности

I^-Г“| = |~’ ⁽¹⁵⁾

где (при передаче)^— скорость излучающей поверхности преобразователя для входного тока /;

U — напряжение разомкнутой цепи, производимое силой F, действующей на преобразователь, который в данном случае принимается как жесткий.

После определения передаточной характеристики по току излучателя (п. 3'10) и чувствительности приемника в свободном поле (п. 3.8):

НН" НтУ' ^(|б)

где Р t_r — акустическое давление в звуковой волне непосредственно перед излу­чателем при отсутствии явлений интерференции для входного тока /;

free - акустическое давление в невозмущенном свободном поле плоской волны в месте акустического центра приемника, если его убрать, которое дает напряжение U в разомкнутой цепи.

Для плоской волны давление перед излучателем связано со скоростью одно­родной поверхности выражением

ftr=pc'', (17)

где р — плотность среды;

с — скорость звука в воде.

Если принять, что акустическая волна распространяется между излучателем и приемником без потерь или без явлений дифракции, как это имеет место в бесконечной плоской волне, распространяющейся в воде без потерь, то

Etr=Erec=f- (18)

Сила, действующая .на поверхность приемника площадью А, в таком случае определяется по формуле

F

(19)

(20)

В принятых граничных условиях плоской волны отношение

М UI _2А_

S ⁼ Р^{2 =} pc ^=Jp

зависит только от площади преобразователя и определяется как параметр вза­имности /_р для плоской волны. При известном значении Zp измерение U и / ведет к определению Р и, таким образом, S и М.

Примечание. Если її и U — входной ток и измеряемое напряжение для реального преобразователя, передающего и принимающего сигналы тоновых по­сылок в воде, которые отражаются от плоской границы раздела вода — металл, то тогда

^si

UJ1 ,
p2 —

(21)

где M* и S *j — кажущиеся значения чувствительности по напряжению в сво­бодном поле и передаточная характеристика преобразователя по току в пред­положении идеальных условий измерения плоской волны.

Таким образом, из уравнений (16) И (21) имеем:

При любых практических измерениях на частотах, которые рассматриваются в настоящем стандарте, условия плоской волны невозможно реализовать и по­этому необходимо сделать допущение для разницы между Р tr и значением •free > усредненным по активной поверхности приемника.ДЕТАЛИ РЕКОМЕНДУЕМЫХ, ПРОЦЕДУР ИЗМЕРЕНИЙ

Оценка эффективного радиуса вспомогательного преобразователя

Эффективный радиус a_t вспомогательного преобразователя определяется из зависимости изменения амплитуды акустического давления в функции от рас­стояния вдоль акустической оси при работе преобразователя в непрерывном ре­жиме. Это изменение можно измерить неотградуированным гидрофоном в поле тоновых посылок, обеспечив при этом, чтобы диаметр активного элемента гид­рофона был, по крайней мере, в 10 раз меньше диаметра вспомогательного пре­образователя, а тоновые посылки были в достаточной степени продолжительны для того, чтобы установились условия стационарного режима измерений. Экспе­риментально определяемое акустическое распределение сравнивается с распре­делением, рассчитываемым для идеального поршнеподобного источника, для ко­торого излучающая поверхность движется с пространственно однородной скоро­стью V. Радиус теоретического источника Ді затем варьируется для получения оптимального соотношения между экспериментальными данными и моделью поля. Теоретическое распределение давления на оси для поршнеподобного источ­ника дано выражением

^_₌₂| sin-^- [(ZH^ )^1/2—Z]e~^azi I ,

где Р—амплитуда акустического давления на расстоянии z от излучателя вдоль акустической оси;

Р tr — амплитуда давления плоской волны, определяемая выражением Р tr = pcv;

X — длина звуковой волны в воде;

а'—коэффициент затухания амплитуды ультразвука в чистой, дегазиро­ванной воде (а' = 2.2Х10^-14• f*) при температуре 23°С. На практике значения Pt г и й| варьируются для получения оптимального соответствия между экспе­риментальными и теоретическими данными.

Примечание. Один из методов получения этого соответствия заключа­ется в следующем. Если Yi (Zt ) определено как 20 lgV, , где V/—ампли­туда напряжения, производимого гидрофоном на расстоянии Z і ст преобразо­вателя; а У (Z і ) как

201g I 2sin -у- l(Z²-J-a?)^1/2 -7_г]с-^а2■■ , ■ ( ••-■)

' п _л '

V ч'2

тогда параметр л X. ,

где

4-|Д Д ^r‘^(Zrt ] (26>

минимизируется по a_b Эта процедура приведения в соответствие применяется только к данным, для которых Z лежит между l,5Z_m и 3Z_m, где Z _т—расстоя­ние от поверхности преобразователя до самого дальнего максимума. Определив: таким образом a_lt затем проверяют успешность применения модели в виде ре­ального поля путем оценки X_m(Z_m). Значение X_m(Z_m) менее 0,5 дБ берется для того, чтобы определить, что модель удовлетворительна.

Оценка коэффициента ослабления напряжения

Коэффициенты ослабления напряжения а у , а у и а ₇ определяют с по­мощью единственного прецизионного аттенюатора, включаемого между источ­ником опорного напряжения и его известной стандартной нагрузкой R_o (см. черт. 4).

Для а у падение напряжения на До отображается соответственно как Ui на осциллоскопе, а аттенюатор устанавливается на такое значение, при котором сигналы имеют одинаковую амплитуду. Таким образом установка аттенюатора обеспечивает прямое измерение а у . а у определяют путем сравнения напряже­ния на R_o с U.

Значение Я/ также определяют, регулируя аттенюатор, но в этом случае сравнивают и выравнивают два сигнала — ток, поступающий в преобразователь, и ток, проходящий через R_o. За этими величинами наблюдают, пропуская их попеременно через один и тот же датчик тока, выход которого наблюдается на осциллографе. Абсолютную градуировку датчика тока производить не надо.

Примечание. В простой цепи, показанной на черт. 4, используется тот же генератор тоновых посылок, который возбуждает преобразователь и обеспечивает Uret. На практике удобнее поместить второй аттенюатор между переключателем А и преобразователем для того, чтобы можно было протека­ющий ток регулировать независимо от U_ref.

Процедура измерений, в ходе которой используют схему цепи, приведен­ной на черт. 4, заключается в следующем.

1. В положении рефлектора, установленного на отражение сигнала на вспо­могательный преобразователь, и при переключателях В и С в положении 1, оп­ределяют а [ , выравнивая аттенюатором напряжения, регистрируемые в двух положениях переключателя А.

2. В положении рефлектора и переключателя В, описанном в п. 1, пере­ключатель С переключают в положение 2 и снова определяют a у, выравнивая аттенюатором сигналы при двух положениях переключателя А.

Примечание. Сигналы, регистрируемые в положении 1 (Ut), будут за­держаны относительно времени тоновой посылки на время распространения аку­стического импульса в водном резервуаре. В связи с этим необходимо исполь­зовать подходящий триггер задержки.

3. В положении рефлектора, отрегулированном таким образом, чтобы напра­вить центр отражаемого пучка на гидрофон, повторяют процедуру, описанную в пп. 1 и 2. Это обеспечивает второе измерение а ₇ и соответствующее значе­ние а у. Используя значение а₇ в виде квадратного корня уравнения (9), как показано в п. 7.4 настоящего стандарта, нет необходимости поддерживать опор­ное напряжение Href постоянным во время регулировки рефлектора.