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

Приложение F
(справочное)

     
Абсолютная калибровка гидрофонов методом оптической интерферометрии на частотах до 40 МГц

F.1 Общее представление

В приложении рассмотрены современные абсолютные методы калибровки ультразвуковых гидрофонов на частотах выше 15 МГц. Некоторые из методов, которые применяли в прошлом и используют до сих пор, рассмотрены в разделе F.2. Они основаны на использовании эффектов нелинейного распространения плоских волн, а также на измерении смещения с помощью оптического интерферометра. Перспективность второго метода, в частности, заключается в том, что результаты калибровки могут иметь прямую прослеживаемость к первичному эталону единицы длины.

В приложении рассмотрены также достижения по внедрению абсолютных методов калибровки, основанных на оптической интерференции, в двух лабораториях национальных эталонов. Принципиальные различия между двумя реализациями этого метода, обозначенными в F.2.3.1 и F.2.3.2 как реализация I и реализация II, заключаются в расположении акустического пучка относительно лазерного луча. В реализации II, в противоположность реализации I, оптический луч пересекает акустический пучок.

Примечание - Под "абсолютной" калибровкой гидрофона здесь подразумевают калибровку "без сравнения с другим гидрофоном". Иногда ее называют "первичной" калибровкой. С другой стороны, часто на практике гидрофоны калибруют "вторичным" методом или методом "замещения", который предполагает сравнение чувствительностей калибруемого гидрофона и гидрофона сравнения. Очевидно, что в этом заключается принципиальное различие: проводить абсолютную калибровку гидрофона или сравнивать чувствительности двух гидрофонов. В приложении речь идет о первом из этих методов. Второй метод достаточно подробно рассмотрен в разделе 12 настоящего стандарта. Следует отметить, что калибровка замещением обычно охватывает оба метода и заинтересованный специалист может обратиться как к разделу 12, так и к этому приложению, тем более что здесь рассмотрены источники неопределенности результатов абсолютной калибровки, которые должны быть включены в неопределенность результатов конечной калибровки методом замещения.

F.2 Современное состояние

F.2.1 Метод, основанный на нелинейном распространении

В прошлом предпринимались попытки калибровать гидрофоны на частотах до 100 МГц с использованием "эмпирической модели нелинейного распространения" [34], [38]-[42]. Этот метод рассмотрен в [34]. Он основан на эффекте нелинейного распространения плоских волн и использует то обстоятельство, что для поршневого преобразователя относительно большого диаметра соответствующей временной селекцией акустического сигнала можно устранить влияние тех составляющих плоской волны, которые излучаются краями преобразователя. При высоких амплитудах давления плоские волны подвергаются искажению, создавая в акустическом поле множество гармоник. Чтобы спрогнозировать искажения этих звуковых волн, используют теоретическую модель распространения плоской волны, затем путем сравнения расчетной зависимости с результатами измерений, проведенными в непосредственной близости от преобразователя (т.е. неискаженными), и в точке, удаленной от него на известное расстояние по оси пучка (т.е. искаженными из-за нелинейности распространения и содержащими множество гармоник), можно провести калибровку гидрофона на каждой частотной гармонике.

Результаты, полученные этим методом, были перспективны и хорошо соответствовали теоретическим расчетам чувствительности двух мембранных гидрофонов. Однако у данного метода были и некоторые недостатки. Во-первых, результаты сильно зависят от выбранной модели распространения. Во-вторых, реализация метода связана с характеристиками преобразователя, используемого для создания акустического поля. Недостатки преобразователя могут существенно исказить излучаемую им плоскую волну и привести к существенной неопределенности результатов калибровки.

Использование фокусирующего преобразователя малого диаметра для образования гармоник в его фокальной области устраняет некоторые из этих недостатков. Измеряемые поля на известном фокусном расстоянии, характеризуемые главным лепестком направленности, можно воспроизвести достаточно точно. В фокусе можно получить высокие значения давления с наличием множества гармоник на расстояниях, более коротких, чем при использовании плоских волн. Подходящие для этого фокусирующие преобразователи с одинаковыми характеристиками в настоящее время доступны для приобретения.

F.2.2 Оптическая интерферометрия

При калибровке методом оптической интерферометрии излучаемая преобразователем акустическая волна принимается тонкой пластиковой мембраной (пленкой), металлизированной с одной стороны для обеспечения оптического отражения. Пленка достаточно тонкая, чтобы быть акустически прозрачной и отслеживать акустические колебания. Смещения пленки измеряют методом оптической интерферометрии и по этому смещению вычисляют акустическое давление. Калибруемый гидрофон устанавливают в акустическое поле так, чтобы его центр находился точно в той точке, на которую был направлен луч лазера. Затем измеряют выходное напряжение на гидрофоне и по известному акустическому давлению определяют его чувствительность.

Ясно, что для реализации этого метода необходимо такое акустическое давление, которое бы обеспечило требуемое отношение сигнал/шум в выходном сигнале гидрофона на нужных частотах, т.е. до 40 МГц. Однако оптический интерферометр в действительности измеряет не давление, а акустическое смещение, и это предъявляет более жесткие требования к обеспечению отношения сигнал/шум. Для плоской волны амплитуда акустического давления определяется выражением

,                                                                     (F.1)

где - плотность измерительной жидкости (воды);

- скорость звука в среде;

- круговая частота;

- амплитуда акустического смещения без учета разности фаз между давлением и смещением.

Если не учитывать разность фаз между давлением и смещением, то из выражения (F.1) следует, что для создания смещений, которые при заданном акустическом давлении обратно пропорциональны частоте сигнала и которые можно было бы измерить на частотах 40 МГц и более, необходимо генерировать поле с высокими значениями акустического давления. Следует отметить, что в каждой из рассмотренных ниже реализаций метода для увеличения акустического давления использованы фокусирующие преобразователи.

F.2.3 Высокочастотные применения метода оптической интерферометрии

F.2.3.1 Реализация I

F.2.3.1.1 Измерительная система

Калибровка оптическим методом заключается в измерении смещения мембраны, установленной на поверхности жидкости, в которую помещен преобразователь (рисунок F.1). Звуковая волна, генерируемая преобразователем, падает на мембрану перпендикулярно и смещает ее; размер смещения измеряют с помощью интерферометра Майкельсона [43]-[46]. В качестве источника света используют лазер; для разделения и объединения оптических полей применяют поляризационный делитель луча. В измерительном плече свет фокусируют на пленку, покрытую алюминиевым слоем для улучшения оптической отражательной способности.

1 - фотодиод; 2 - усилитель тока; 3 - усилитель сигнала гидрофона; 4 - цифровой осциллограф; 5 - делитель луча; 6 - фотодиод; 7 - лазер; 8 - оптический изолятор; 9 - поляризационный делитель луча; 10 - четвертьволновая пластина; 11 - пьезоуправляемое зеркало; 12 - четвертьволновая пластина; 13 - пленка; 14 - акустический преобразователь; 15 - гидрофон; 16 - стробирующее устройство; 17 - синтезатор

Рисунок F.1 - Экспериментальная установка, применяемая при оптическом методе калибровки

Оптический сигнал регистрируют с помощью сбалансированной схемы фотодетектирования с шириной полосы BW100 МГц. Схема включает два фотодиода и дифференциальный усилитель напряжения , управляемый током, для подавления шума и увеличения фототока. К выходу дифференциального усилителя подключен второй усилитель с высоким входным импедансом, который может быть использован и как усилитель сигнала гидрофона (см. ниже). Интерферометр стабилизирован по оптическому пути [44] с помощью следящей системы, имеющей равный 1 коэффициент усиления на частоте около 100 Гц. В этом случае значение смещения, измеренное по току фотоэлементов, равно