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

     9 Калибровка методом взаимности в свободном поле

9.1 Общие положения

В этом разделе дано описание первичного метода калибровки гидрофонов в практически безграничном объеме водной среды, т.е. в условиях свободного поля с использованием принципа взаимности.

9.2 Тематика раздела

В этом разделе рассмотрены различные методы абсолютной калибровки лабораторных эталонных гидрофонов, обеспечивающие наименьшую неопределенность результатов. Эти методы перекрывают диапазон частот от 50 кГц до 15 МГц.

9.3 Общие принципы

9.3.1 Для линейного обратимого пассивного электроакустического преобразователя существует строгое соотношение между его чувствительностью как приемника в свободном поле и его излучательной способностью при протекании через него электрического тока. Для каждой конкретной компоновки элементов в системе преобразователей это соотношение выражается через коэффициент взаимности.

Все методы калибровки, основанные на принципе взаимности, требуют применения взаимного преобразователя в качестве приемника и излучателя. При известных изменениях акустического поля в момент перехода с излучения на прием, измеряя ток излучателя и электрическое напряжение на приемнике, можно определить излучательную способность и чувствительность преобразователя в качестве приемника. Очевидным преимуществом этого метода является то, что требуемые акустические параметры можно определить измерениями только электрических величин. На практике калибровку, основанную на методе взаимности, реализуют несколькими способами, рассмотренными ниже.

9.3.2 Метод взаимности с использованием трех преобразователей

Такая методика широко используется в традиционной (морской) гидроакустике (см. МЭК 60565). Однако реализация этого метода на более высоких частотах затруднена из-за необходимости обеспечения высокой точности установки и ориентации преобразователей, а также из-за существенной неравномерности характеристик направленности преобразователей, работающих на частотах около 1 МГц и выше. Именно поэтому калибровки этим методом рекомендованы в диапазоне частот от 50 кГц до 1 МГц.

9.3.3 Метод самовзаимности

Калибровка этим методом, предусматривающая использование только одного (испытуемого) преобразователя и отражателя, не требует высокой точности их установки и ориентации. Однако этот метод не применим для высокочастотных гидрофонов, малые размеры которых не позволяют получить достаточную мощность излучаемого им сигнала, чтобы обеспечить требуемое отношение сигнал/шум в режиме приема (минимальный диаметр преобразователей, калибруемых этим методом, составляет около 2 мм).

9.3.4 Метод взаимности с использованием двух преобразователей

Этим методом, в котором гидрофон устанавливают в поле с известными параметрами, генерируемом вспомогательным преобразователем, можно калибровать эталонные гидрофоны в диапазоне частот от 1 до 15 МГц. Параметры поля предварительно измеряют методом самовзаимности. Этот метод обеспечивает проведение калибровки с точностью, требуемой для эталонных гидрофонов, и менее требователен к точности установки и ориентации элементов как метод взаимности с тремя преобразователями.

9.4 Калибровка методом взаимности с двумя преобразователями

9.4.1 Отражатель

Отражатель рекомендуется выбирать в форме диска из нержавеющей стали диаметром, обеспечивающим перехватывание всего ультразвукового пучка от какого-либо из вспомогательных преобразователей на расстоянии от его поверхности, превышающем не менее чем в 1,5 раза протяженность ближнего поля, определяемую как , где - эффективный радиус ультразвукового преобразователя, а - длина ультразвуковой волны в воде на частоте калибровки.

Толщина отражателя должна быть такой, чтобы первый сигнал, отраженный от его задней поверхности, не интерферировал с тем сигналом, который отразился от передней поверхности отражателя, на самой низкой частоте заполнения используемого тонального сигнала. Поверхность отражателя должна быть плоской в пределах ±10 мкм с шероховатостью, не превышающей ±5 мкм.

9.4.2 Процедура калибровки

Поворачивают отражатель вокруг оси, параллельной его поверхности и перпендикулярной линии, соединяющей акустический центр преобразователя и центр отражателя, на угол около 10°.

Примечание - Дальнейшее совершенствование метода связано с коаксиальным расположением гидрофона и вспомогательного преобразователя, в середине между которыми помещают отражатель. После калибровки вспомогательного преобразователя отражатель убирают и калибруют гидрофон. Этим устраняют погрешность, связанную с поворотом отражателя, а также упрощают процедуру взаимной ориентации гидрофона и вспомогательного преобразователя, что позволяет снизить общую погрешность до 0,5 дБ.