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

     12 Калибровка методом сравнения с помощью эталонного гидрофона

12.1 Общие положения

В этом разделе рассмотрены два типа измерений:

тип I - определение характеристик направленности;

тип II - сравнение чувствительностей двух или более гидрофонов.

12.2 Тематика раздела

Оба указанных выше типа измерений относятся к "относительным", что подразумевает выполнение двух или более измерений выходного напряжения гидрофонов в одинаковых условиях, при этом изменяют какой-либо один параметр и рассматривают отношение результатов (или логарифм отношения результатов) этого изменения.

Примечание - Поскольку это относится к измерениям типа II, то подразумевается, что проводят сравнение чувствительностей двух гидрофонов. Но это может быть и три, и более гидрофонов.

12.3 Общие принципы

При измерениях типа I изменяемым параметром является угол ориентации гидрофона. При этом рассматривается отношение на выходе гидрофона, установленного под каким-либо определенным углом, к напряжению на гидрофоне, сориентированном в опорном направлении. Разумеется, на практике такие измерения проводят для ряда углов при постепенном повороте гидрофона. Измерения этого типа необходимы для получения диаграммы направленности гидрофона и для определения его эффективного радиуса в соответствии с МЭК 62127-3.

При измерениях типа II один гидрофон (калибруемый) заменяют другим (гидрофоном сравнения). Измерения этого типа необходимы для получения чувствительности калибруемого гидрофона, если известна чувствительность гидрофона сравнения, и/или частотной характеристики чувствительности испытуемого гидрофона, если такая характеристика известна для гидрофона сравнения.

Такие относительные измерения имеют следующие особенности: их выполняют в баке с водой в ультразвуковом поле, излучаемом преобразователем, требования к которому приведены ниже. Существенно, чтобы измерения проводились по возможности в одинаковых условиях, что подразумевает: одну и ту же точку в ультразвуковом поле, те же самые условия возбуждения (по амплитуде и волновой форме сигнала), те же самые условия окружающей среды (например, по температуре) и т.д. Общим условием является проведение измерений при плоской волне.

При измерениях типа II на неопределенность результатов калибровки будет влиять пространственное усреднение давления. Методы оценки неопределенности для вариантов реализации метода сравнения изложены в 12.6.

12.4 Требования к процедуре измерений

12.4.1 Преобразователь в качестве источника излучения

Для измерений, рассматриваемых в настоящем разделе, в качестве источника излучения используют ультразвуковой преобразователь круговой симметрии, предназначенный для использования в воде. При этом имеются различные варианты расположения гидрофона в зависимости от электрического возбуждения и конструкции преобразователя, а также волновой формы сигнала (неискаженной, с нелинейными искажениями), действующего на гидрофон в точке измерения. Эти варианты рассмотрены в приложении G. Можно применять варианты А, В и С для несфокусированного преобразователя или варианты D и Е для сфокусированного. В зависимости от выбранного варианта волновой формы преобразователь должен генерировать сигналы требуемой амплитуды (для обеспечения соответствующего отношения сигнал/шум в сигнале гидрофона) на всех частотах калибровки. Это требование относится и к усилителю мощности в цепи возбуждения преобразователя.

Преобразователь должен отличаться временной стабильностью и не вызывать перегрева воды в баке, превышающего допустимые температурные изменения.

Примечание - Перед началом каждого измерения рекомендуется провести следующую проверку: во всех случаях применения импульсных или тонально-импульсных сигналов (волновые формы вариантов А, В, С) следует наблюдать за выходным сигналом гидрофона при перемещении последнего на несколько миллиметров относительно преобразователя для того, чтобы убедиться в отсутствии многократных отражений между гидрофоном и преобразователем. Если интерференция от таких отражений наблюдается в сигнале, принимаемом гидрофоном, то следует изменить частоту повторения импульсов.

12.4.2 Сигнал возбуждения излучателя

Амплитуда сигнала возбуждения излучателя не должна изменяться более чем на ±1%; стабильность частоты должна быть в пределах ±0,1%.

12.4.3 Измерительная система

Измерительная система должна соответствовать требованиям, приведенным в разделах 6, 7 и 8.

12.5 Процедура измерений

12.5.1 Измерения типа I: определение характеристики направленности гидрофона
     
     Гидрофон устанавливают в бак с водой в поле, генерируемое излучателем, в соответствии с выбранным вариантом установки (см. приложение G), при этом опорный центр гидрофона должен находиться на оси пучка излучателя. Гидрофон должен быть установлен в устройстве, обеспечивающем его поворот вокруг оси, перпендикулярной оси пучка, независимо от двух других осей поворота, перпендикулярных друг другу. Угол поворота должен быть измерен с разрешением, равным или лучшим чем , где - угол, соответствующий снижению чувствительности на минус 6 дБ, который становится известным в результате измерений или величину которого можно приблизительно оценить перед измерениями по геометрическому радиусу гидрофона.

Гидрофон следует поворачивать так, чтобы его опорный центр оставался в одной и той же точке ультразвукового поля с точностью, требования к которой изложены в разделе 6.

Примечание - Правильность выбора оси вращения гидрофона мембранного типа (т.е. вращается ли он вокруг центра) можно проверить, повернув его на 180° и оценив изменение времени прихода ультразвуковой волны. Для зондового гидрофона может потребоваться специальное приспособление в виде крючка, чтобы было можно поворачивать гидрофон вокруг его опорного центра.

Измерения можно проводить двумя способами: измеряют напряжение на выходе гидрофона как функцию угла его поворота на одной частоте или частотную характеристику этого напряжения, оставляя неизменной ориентацию гидрофона, и повторяют эти измерения при других углах поворота. В последнем случае группируют полученные данные и находят зависимость напряжения на гидрофоне от угла его поворота на какой-либо одной частоте. Затем значения, измеренные при различных углах поворота, делят на максимальное из них.

Примечания

1 Чтобы определить значения требуемого разрешения по углу, можно сделать следующую оценку. Предположим, что радиус гидрофона равен 0,25 мм, а скорость звука в воде при 22 °С равна 1488 м/с. Из выражения (2) в МЭК 62127-3 находим: 8° на частоте 15 МГц и 3° на частоте 40 МГц.