ГОСТ Р МЭК 62127-2-2009 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Гидрофоны. Общие требования к методикам калибровки в частотном диапазоне до 40 МГц

     6 Общие требования к системам калибровки гидрофонов

6.1 Позиционирование

6.1.1 Общие положения

Необходима точность расположения и ориентации преобразователя, гидрофона и отражателя (при реализации метода взаимности, описанного в разделе 9). Эти устройства должны быть установлены на прочных держателях, обеспечивающих требуемую юстировку. Рекомендуется, чтобы держатели гидрофона и преобразователя были снабжены устройствами их поперечного перемещения и изменения ориентации с тем, чтобы изменение положения или ориентации гидрофона (или преобразователя) на один шаг приводило к изменению сигнала с гидрофона не более чем на 0,1 дБ.

6.1.2 Точность установки гидрофона в осевом направлении

Расстояние от опорного центра гидрофона до преобразователя должно быть известно и воспроизводимо с погрешностью не более 0,2 мм.

Примечание - Для того чтобы оценить неопределенность результатов калибровки, можно провести повторные измерения, которые предусматривают перестановку гидрофона в ту же самую точку поля, излучаемого преобразователем.

Может оказаться необходимым несколько изменить это требование для фокусирующих излучателей с учетом характера распределения генерируемого ими поля в осевом направлении.

Примечания

1 Для фокусирующих излучателей, работающих в частотном диапазоне, соответствующем настоящему стандарту, точность позиционирования особенно важна. Можно сделать оценку изменения осевого расстояния по сравнению с фокусным (т.е. ), которое приводит к снижению давления, равному 1 дБ. Исходя из теоретического выражения (значение 0,89 соответствует - 1 дБ), где , можно определить, что такому снижению соответствует .

2 Нижеследующий пример показывает, что если плоская ультразвуковая волна с линейным диапазоном амплитуд распространяется в воде при температуре 22 °С, то ее амплитуды в двух точках на оси, отстоящих друг от друга на 2 мм, отличаются на 0,09 дБ на частоте 15 МГц и на 0,7 дБ на частоте 40 МГц, что объясняется частотной зависимостью поглощения ультразвука в воде (см. приложение Е).

6.1.3 Точность установки гидрофона в поперечном направлении

Рекомендуется проверять зависимость электрического напряжения на выходе гидрофона от изменения его положения в поперечном (относительно оси ультразвукового пучка) направлении. Гидрофон установлен правильно, если изменение напряжения при его перемещении не превышает 0,5 дБ по сравнению с максимальным значением.

Примечание - В дальнем поле идеального круглого поршневого излучателя и в фокальной плоскости идеального фокусирующего преобразователя при отсутствии нелинейных искажений снижение амплитуды сигнала, равное 0,5 дБ, наблюдается на расстоянии от оси пучка , а снижение 1 дБ - на расстоянии .

6.2 Измерения температуры и температурная стабильность

При изменении температуры окружающей среды электроакустические свойства гидрофонов изменяются. С этой точки зрения рекомендуется, если это только возможно, калибровать гидрофон при тех значениях температуры, при которых он используется в дальнейшем. Если это невозможно, то в значения чувствительности и ее частотной характеристики можно ввести поправки, основанные на результатах прежних калибровок сходных гидрофонов. Откорректированные значения чувствительности и ее частотной характеристики будут иметь более низкую неопределенность, чем неоткорректированные значения.

Примечание - Температурные отклонения нельзя игнорировать по двум причинам:

a) амплитуда ультразвуковой волны, падающей на гидрофон, зависит от температуры, так как от нее зависит и затухание ультразвука в воде (см. приложение Е);

b) время распространения ультразвукового сигнала зависит от температуры, так как от нее зависит и скорость звука в воде (см. приложение Е). Это имеет отношение к установке времени стробирования в импульсном или тонально-импульсном режимах, а также к методике спектрометрии временных задержек.

Что касается причины а), то можно привести следующий пример. Если плоская ультразвуковая волна с линейным диапазоном амплитуд распространяется при температуре 22 °С, то в точке, отстоящей на 15 см от излучателя, на частоте 15 МГц ее амплитуда будет отличаться на 0,2 дБ от той амплитуды, которая была бы при температуре, отличающейся от установленной на 1 °С; на частоте 40 МГц это отличие составит 1,5 дБ. Амплитудный коэффициент затухания в воде на малых амплитудах пропорционален квадрату частоты. Значения его температурной зависимости приведены в приложении Е.

Что касается причины b), то можно дать следующие рекомендации: при измерениях типа II, описанных в разделе 12 (сравнение чувствительностей двух и более гидрофонов), осевое расстояние необходимо корректировать для получения постоянного времени распространения.

6.3 Размеры гидрофона

Активный элемент гидрофона генерирует электрическое напряжение между своими электродами, пропорциональное акустическому давлению, усредненному по всей поверхности элемента. Если необходимо получить хорошее пространственное разрешение, то эффективный радиус гидрофона должен быть малым по сравнению с длиной волны, соответствующей самой высокой частоте акустического поля, используемого при калибровке. На реальное акустическое давление, действующее на чувствительную поверхность гидрофона, влияют и дифракционные эффекты на самом гидрофоне [5, 6, 7].

Примечание - Если гидрофон спроектирован так, что его активная поверхность известна или может быть определена, то становится возможным исключить из результатов калибровки влияние пространственного усреднения или дифракции на заданной частоте путем применения операции обратной свертки по известным размерам активного элемента.

6.4 Измерительный бак (сосуд) и свойства воды

Для обеспечения условий свободного поля на самой низкой частоте калибровки, а также требуемых расстояний между преобразователем, гидрофоном или отражателем (в методе взаимности, изложенном в разделе 9), равных не менее чем 1,5 протяженности ближнего поля каждого из преобразователей, измерительный бак должен быть большим.

Рекомендуется также, чтобы расстояния от преобразователя и гидрофона до стенок бака и водной поверхности были достаточно большими, чтобы отраженные от них сигналы не интерферировали с первичным сигналом, генерируемым преобразователем. Кроме того, если это возможно, эти поверхности рекомендуется покрывать акустически поглощающими материалами.

Важно, чтобы акустический сигнал не был искажен отраженными сигналами. Перед началом каждого измерения рекомендуется проводить следующую проверку. Во всех случаях использования импульсных или тонально-импульсных сигналов наблюдают за изменением сигнала на выходе гидрофона при изменении расстояния между преобразователем и гидрофоном в пределах нескольких миллиметров, что позволяет убедиться в отсутствии влияния многократных отражений между гидрофоном и преобразователем в сигнале, принимаемом гидрофоном. Если такое влияние отмечается, то рекомендуется изменить частоту повторения импульсов.

Свойства воды должны соответствовать требованиям изготовителя гидрофона.