Стр. 1
 

33 страницы

456.00 ₽

Купить официальный бумажный документ с голограммой и синими печатями. подробнее

Официально распространяем нормативную документацию с 1999 года. Пробиваем чеки, платим налоги, принимаем к оплате все законные формы платежей без дополнительных процентов. Наши клиенты защищены Законом. ООО "ЦНТИ Нормоконтроль".

Наши цены ниже, чем в других местах, потому что мы работаем напрямую с поставщиками документов.

Способы доставки

  • Срочная курьерская доставка (1-3 дня)
  • Курьерская доставка (7 дней)
  • Самовывоз из московского офиса
  • Почта РФ

Распространяется на гидрофоны, в которых применяются пьезоэлектрические чувствительные элементы, предназначенные для измерения параметров импульсных и непрерывных ультразвуковых полей, генерируемых ультразвуковым медицинским оборудованием в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.

Стандарт не распространяется на гидрофоны, изготовленные исключительно для обнаружения ультразвуковых импульсов или бурстов (тоновых посылок)

Оглавление

1. Область распространения

2. Задачи

3. Определения

4. Общая часть

4.1. Выбор метода измерения

4.2. Основы рекомендаций

4.3. Влияние конечного размера гидрофона

4.4. Градуировка гидрофона

5. Характеристики гидрофона

5.1. Чувствительность

5.2. Направленность

5.3. Электрические характеристики

5.4. Механические характеристики

6. Перечень характеристик гидрофона

6.1. Чувствительность по напряжению в свободном поле

6.2. Направленность

6.3. Электрические характеристики

6.4. Механические характеристики и условия окружающей среды

7. Градуировка гидрофона

7.1. Метод взаимности

7.2. Принцип метода взаимности с применением двух преобразователей

7.3. Условия проведения измерений

7.4. Метод измерения

7.5. Расчет результатов

7.6. Точность градуировки

Приложение 1. Обоснование метода взаимности

Приложение 2. Взаимность в плоской волне

Приложение 3. Детали рекомендуемых процедур измерений

Приложение 4. Оценка поправочного коэффициента

Показать даты введения Admin

Страница 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРАДУИРОВКА ГИДРОФОНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЧАСТОТНОМ ДИАПАЗОНЕ от 0,5 до 15 МГц

ГОСТ 8.555-91 (МЭК 866-87)

Издание официальное

КОМИТЕТ СТАНДАРТИЗАЦИИ И МЕТРОЛОГИИ СССР Москва

Страница 2

УДК 681.888 : ООв.ЗМ    Группа    Т68.9

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР

""ГСсударствсииа^мстём^Якпёчёния^^^^^^^^^^^^^^^^^^

единства измерений

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ГРАДУИРОВКА    ГОСТ

ГИДРОФОНОВ ДЛЯ РАБОТЫ В ЧАСТОТНОМ

ДИАПАЗОНЕ ОТ 0,6 ДЬ 15 МГц    91

Characteristics and calibration of    (М    К 886 87)

hydrophones for operation in the frequency range 05 MHz to 15 MHz ОКСТУ 6329_

Дата введения 01.07.92

1. ОБЛАСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

Настоящий стандарт распространяется на гидрофоны, в которых применяются пьезоэлектрические чувствительные элементы, предназначенные для измерения параметров импульсных и непрерывных ультразвуковых полей, генерируемых ультразвуковым медицинским оборудованием в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.

Стандарт устанавливает требования к конструкиии и исполнению стандартных гидрофонов, а также значениям, необходимым для определения их рабочих характеристик, и определяет стандартный метод измерения чувствительности таких гидрофонов.

Стандарт не распространяется на гидрофоны, изготовленные исключительно для обнаружения ультразвуковых импульсов или бурстов (тоновых посылок).

Издание официальное

(С) Издательство стандартов. 1992 Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен без разрешения Госстандарта СССР

Страница 3

С. 2 ГОСТ 8.555-91

2. ЗАДАЧИ

2.1.    Определить рабочие характеристики гидрофонов.

2.2.    Разработать схему определения параметров гидрофонов.

2.3- Описать процедуру градуировки гидрофонов.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

3.1.    Свободное поле — звуковое поле в однородной и изотропной среде, в которой влияние границ пренебрежимо мало.

3.2.    Дальнее поле — звуковое поле на таком расстоянии от источника, где мгновенные значения звукового давления н колебательной скорости практически совпадают по фазе.

П р и к еч а н не В дальнем поле звуковое давление создается сферическн-чи кодами, расходящимися от точки, находящейся на излучающей поверхности или вблизи нее. Таким образом, давление, создаваемое источником звука, обратно пропорционально расстоянию от юточннка.

3.3.    Акустический центр —точка на преобразователе или вблизи него, на достаточном удалении от которой излучаемые преобразователем сферические ‘звуковые волны кажутся исходящими из этой точки.

3.4.    Гидрофон (или приемник) — преобразоЗЗтсль, на выходе которого возникает электрический сигнал под действием распространяющихся в воде акустических сигналов.

Примечание. Гидрофомы, используемые для измерения высокочастотных ультразвуковых полей, состоят из тонкого пьезлъчехтрического мемеига, кот рый монтируют на конце иглоподобного датчика. Активный элемент обычно не превышает 1,0 мм в диаметре, Этот тип гидрофона, определяемый термином «иидроф-ж», рассматриваем в настоящем стандарте. Если же возникает необходимое!и сказать о более крупном преобразователе, используемом 8 качестве гидрофсиа, то в утих случаях прим^иется и термин «прнемних>.

3.5.    Обратимый преобразователь —преобразователь, который может работать в качестве гидрофона или излучателя; последний представляет собой устройство, которое преобразует электрические сигналы в звуковые.

3.6.    Взаимный преобразователь —линейный, пассивный и обратимый преобразователь.

3.7.    Напряжение холостого хода гидрофона — напряжение, которое появляется на выходе гидрофона при отсутствии тока через выводы.

Обозначение: U, единица измерения: вольт, В.

Примечание В настоящем стандарте все значения напряжений, токов и звуковых давлений {Ёсли это специально не оговорено) представлены в виде средних квадратических значений.

3.8.    Чувствительность гидрофона в свободном поле —отношение напряжения холостого хода гидрофона к звуковому давлению

Страница 4

ГОСТ 8.555-91 С.З

о месте расположения акустического центра гидрофона в невозмущенном свободном поле плоской волны, которое существовало бы в отсутствии гидрофона.

Обозначение: М, единица измерения: вольт на паскаль, В/Па.

Примечание. Давление может Сыть или синусоидальным, или шумовым, отфильтрованным в узкой полосе среднего геометрического между границами частотной полосы, рассматриваемой как данная частота. Частота и условия на выходе, к которым относится чувствительность, должны быта определены.

3.9.    Уровень чувствительности в свободном поле-двадцати-кратный десятичный логарифм отношения чувствительности в свободном поле М к опорному значению чувствительности M,«f . Единица измерения: децибел, дБ.

Л р и м с ч а н н е. М = 1 В/мкПа.

3.10.    Передаточная характеристика по току излучателя на данной частоте—это отношение акустического давления в звуковой волне, в определенной точке, при отсутствии явлений интерференции, к току на входе.

Обозначение: S. единица измерения: паскаль на ампер, Па/А.

3.11.    Коэффициент взаимности У—отношение чувствительности преобразователя в свободном поле к его передаточной характеристике по току S для любой системы, в которой взаимный преобразователь действует как излучатель н приемник.

Если распространяющиеся звуковые волны аппроксимируются плоскими волнами, коэффициент взаимности принимает значение 2А/рс и является коэффициентом взаимности для плоской волны. Обозначение: J, единица измерения: ватт на паскаль в квадрате, Вт/Па*.

Примечание. Коэффициент взаимности'для плоской волны применяется к распространению плоской волны, реализуемой в дальнем поле преобразователя. но чистые условия дальнего поля не используются при кзлнбровке по п. 7.3.6 Вследствие этого введен поправочный коэффициент (см. л. 7.2 3), который включает допуски для отклонений от условий плоской волны.

3.12.    Диаграмма направленности гидрофона—обычно представляемая графически зависимость чувствительности гидрофона от направления распространения плоской звуковой волны в заданной плоскости, проходящей через акустический центр преобразователя, и на данной частоте.

3.13.    Сопротивление утечки на конце кабеля—отношение напряжения на выводах кабеля гидрофона к постоянному току, проходящему через них.

Обозначение: Ri. , единица измерения: Ом.

3.14.    Механическая добротность (Q) элемента гидрофона — отношение резонансной частоты к ширине полосы между двумя частотами, _ири которых полный импеданс излучения гидрофона равен 1/ К 2 импеданса на резонансе, как показано на черт. 1.

Страница 5

С. 4 ГОСТ 8.555-91

Определение механическое добротности Q активного элемента по качению измеренного электрического импеданса гидрофона

|г; — Алехтричлсккй импеданс пеяро<}>э. и»; I — частота

Черт. 1

4. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

Настоящий стандарт определяет условия измерения высокочастотных ультразвуковых полей в жидкостях, в частности, измерения пространственного и временного распределений давления в полях, излучаемых медицинскими ультразвуковыми преобразователями в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц.

4.1. Выбор метода измерения

Известные к описанные физические методы для количественной оценки полей, генерируемых высокочастотными преобразователями, используемыми в медицинском ультразвуковом оборудовании. применяются для измерений в ультразвуковых полях, излучаемых преобразователями в наполненных водой измерительных бассейнах. Такие методы обеспечивают измерения абсолютных значений локальных или пространственно усредненных определенных параметров ультразвукового поля (например интенсивности, колебательной скорости или амплитуды давления).

Эти методы позволяют проводить измерения в основных единицах физических величин, таких как масса, время и длина. Эти методы также включают измерение силы акустического излучения, использование определенных акустооптических эффектов, калориметрии и измерение посредством методов вз'аимности Для полной количественной оценки ультразвукового поля необходимо проводить измерения с достаточной разрешающей способностью как во временной, так и в пространственной областях с тем, чтобы по-

Страница 6

ГОСТ 8.555-91 С. 5

лучить точную н детальную структуру описываемого поля. Для полей с частотными компонентами до 15 МГц требуемые пространственная и временная разрешающие способности имеют порядок значений 0,1 мм и 0,0(5 мке соответственно.

4.2.    Основы рекомендаций

Настоящий стандарт рекомендует количественно определять медицинские ультразвуковые поля при помощи гидрофонов, которые позволяют измерять мгновенное акустическое давление а любой точке поля. В "настоящее время такие гидрофоны обеспечивают наиболее удобный и универсальный метод описания пространственного и временного поведения ультразвуковых полей и позволяют наиболее точно к полно определять параметры поля.

4.3.    Влияние конечного размера гидрофона

Активный элемент гидрофона генерирует напряжение на своих

электродах, пропорционально среднему акустическому давлению, воздействующему на его поверхность. Если требуется получить хорошее пространственное разрешение, необходимо, чтобы зонд был мал по сравнению со шкалой пространственных изменений давления и небольшим по сравнению с длиной волны наивысшей компоненты частоты в измеряемом ультразвуковом поле. Действующее на чувствительной поверхности гидрофона акустическое давление искажается дифракцией на самом гидрофоне.

Примечание Если зонд сконструирован таким образам. <по доегэточ-1Ю хорошо определены размеры его активного элемента, можно устранить зависимость от аффектов усреднения и дифракции зонда при определенной длине-полни путем деконволюции (обратной свертки), основанной на изэостиых размерах активного элемента Метод обратной свсрткн особенно важен в верхней части частотного диапазона, о котором говорится в настоящем стандарте, где акустическая длина волны в воде {0.1 мм при 15 МГц) екорее всею мала по» сраэнению с размерами элемента гидрофона

4.4.    Градуировка гидрофона

Для количественного измерения гндрофоны необходимо градуировать или путем определения их выходного напряжения при помещении их в известное акустическое поле, или методом взаимности. Метод градуировки, предлагаемый в настоящем стандарте,, заключается в том, что гидрофоны помещают в известное акустическое иоле, создаваемое вспомогательным преобразователем, отградуированным методом самовзаимности.

S. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОФОНА

Гидрофон характеризуется чувствительностью по напряжению» в свободном поле и характеристикой направленности. Оба этих параметра изменяются с изменением частоты. Так как гидрофоя используется для многих различных по типу измерений, нет необходимости полностью определять их рабочие характеристики для

Страница 7

С. 6 ГОСТ 8.655-91

каждого стандартного устройства, Тем ие менее два класса гидрофонов, которые применяются в целях стандартизованных измере- -ний, должны быть определены. Эти классы, как указано ниже, различаются по их основному назначению.

Класс А включает отградуированные точные гидрофоны, необходимые для полной количественной оценки ультразвуковых полей с частотными составляющими до 15 МГц. Они предназначаются длз обеспечения средств измерения мгновенного акустического давления в любой точке, включая н те, которые располагаются в (или около) фокальной области медицинских преобразователен большинства типов.

Класс В включает ординарные измерительные гидрофоны, применяемые для относительных измерений, например, для определения пространственных характеристик поля.

Для адекватного определения и контроля рабочих параметров .должны выполняться определенные требовании в отношении электрической и механической конструкции гидрофонов. Стандартные требования к параметрам конструкции, необходимые для двух отдельных классов, определены в пп. 5.1— 5.4.

Примечание. Первоначально могут возникнуть значительные трудности при изготовлении гидрофонов и соответствии с требованиями стандарта, предъявляемыми к рабочим характеристикам гидрофоноз класса Л Тем не менее, разработка гидрофонов, соответствующих этому стандарту, необходима в бли- ’ жайшее время. Изготовителям гидрофонов класса В следует определять те характеристики изделий, которые соответствуют стандарту для, класса А.

5.1.    Чувствительность

Образцовый гидрофон должен соответствовать следующим характеристикам в отношении чувствительности в свободном поле Л1.

5.1.1.    Уровень чувствительности

Уровень чувствительности гидрофонов классов А и В должен <5ыть достаточным для измерения акустического давления, равного 3- 105 Па и выше, с отношением сигнал/шум не менее 6 дБ.

Примечание. Па уровень чувствительности гидрофона в свободном поле влияют: размеры активного элемента, тип и длина соединительного кабеля, значение входного импеданса используемых электронных устройств.

5.1.2.    Линейность

В динамическом диапазоне от 3- Ю3 до 3- 10* Па выходное напряжение гидрофонов классов А и-В должно быть линейным при изменении акустического давления в свободном поле при максимально допустимом отклонении ±10%. Это условие удовлетворяется, если на графике зависимости выходного напряжения от акустического давления в свободном поле прямая линия, проходящая через точку со значением напряжения, соответствующим давлению 3* 10* Па, не отличается от измеренных значений более, чем

Страница 8

ГОСТ 8.555-91 С. I

на установленный процент допуска (см. черт. 2). Это условие должно выполняться для любой частоты в пределах полосы пропускания данного гидрофона. Если гидрофон остается линейный и для более высоких давлений, превышающих уровень 3- 10* Па,, то должен быть установлен действительный верхний йредел линейности.

Примечание На измерении акустического давления в области выше 3-10* Г1а могут повлиять нелинейные эффекты в среде распространения,

Г рафик за«исимос!к выходного напряжения от звукового давления в свободном поле, используемый для. оценки лииейиост* гидрофона

V — выхсавм ивор*жвви«: Р — а»уч кояпо доялекме % оободисм воде

Черт. 2

5.1.3.    Частотная зависимость

Уровень чувствительности в свободам поле должен бь«ь постоянным в установленной полосе частот по крайней мере в две с половиной октавы в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц при максимально до* пускаемой погрешности 2 дБ для класса А и 4 дБ для класса В. Уро-вень чувствительности не должен изменяться более чем н!? ± 0,5 дБ (класс А) и =fc 1 дБ (класс. Б) при любом частотном приращении порядка 100 кГц, попадающем в определенную ранее полосу пропускания.

Примечания:

1.    Несмотря на то, что гидрофоны класса А необходимы для полной количественной оценки импульсного поля, удовлетворительные количественные результату можно Лолучкть для полей в непрерывном режиме посредством гидрофона, который не соответствует требованиям,-предъявляемым к устройствам класса А в части частот вой зависимости, но соответствует всем другим требованиям класса А

2.    На практике наличие отклонений в частотной характеристике необходимо' исследовать методом спектрального анализа. Амплитуду любого наблюдаемо го отклонения необходимо определять вышеописанным методом градуировки.

5.1.4.    Температурная стабильность

В температурном диапазоне от 16 до 30 °С уровень чувствительности гидрофонов класса А не должен изменяться более чем на ± I дБ по отношению к значению при 23“С, а в температурном диапазоне от 30 до 40 °С — не более чем на ± 2 дБ по отношению-к значению при 23 °С.

5.1.5: Временная стабильность

Временная стабильность гидрофонов класса А должна быть-такой, чтобы уровень его чувствительности изменялся не более чем на ± 2 дБ н течение одного года при обеспечении работы гидрофона в определенных условиях, соответствующих перечислен-

Страница 9

С. 8 ГОСТ 8.555-91

«ым в настоящем стандарте. Из этого следует, что гидрофон нужно повторно градуировать в интервалах времени, хоторые не должны превышать года.

Примечание. Желательно в не»оторых случаях иметь лучшую временную стабильность, но не всегда практично провозить точную градуировку ча-дце-одного раза в год

5.2. Направленность

Для характеристики направленности стандартного гидрофона .должны быть удовлетворены следующие условия.

Примечание Чувствительность гидрофонов, рассматриваемая в настоящем стандарте, строго направлена, при этом максимальная чувстветельиость имеет место в направлении, нормальном по отношению к лицевой плоскости преобразователя

5.2.1.    Симметрия

Симметрии характеристик направленности гидрофонов классов Л и В для верхнего и нижнего пределов установленного частотного диапазона должна быть такой, что, если нормализованный уровень чувствительности, равный —6 дБ, имеет место в определенном направлении, образующем угол 0 с направлением максимальной чувствительности (0 дБ), то уровень чувствительности, измеренный во всех других направлениях, лежащих в пределах такого же угла, должен быть в диапазоне — (6 ± 3) дБ

Примечание Считаете/ нормальным и допустимым выбирать «направление максимальной чувствительностях с тем. чтобы свести до минимума изменения чувствительности по конусу полуугла в.

5.2.2.    Эффективный пространственный угол

Характеристика направленности гидрофона класса А или В,

чувствительность которого максимальна в направлении, перпендикулярном к его поверхности, должна быть такой, чтобы при измерении на верхней границе установленной полосы частот в плоскости, содержащей направление максимальной чувствительности, среднее значение двух углов между направлением максимальной чувствительности и тем, при котором нормализованная чувствительность составляет минус 6 дБ, было не менее 15°.

5.3. Электрические характеристики

Чувствительность в свободном поле М гидрофона емкостью С •между электродами приводится к значению на конце кабеля М с 8 зависимости от емкости С. экранированного кабеля, соединяющего гидрофон с электронным усилителем, по формуле

Диапазон значений для С от 10 до 150 пФ для гидрофона с пьезоэлектрическим керамическим элементом и 1—5 пФ для гидро-4она из пьезоэлектрического пластика, Се = 100 L пФ, где L — длина кабеля в метрах-

Страница 10

ГОСТ 8.55S—91 с. 9

Нагрузка, представленная в виде входного импеданса любого усилителя, соединенного с гидрофоном, будет уменьшать эффективную чувствительность, к для проведения точных измерений необходимо определить и принять во внимание действительные н'мнн-мые части этого импеданса на конце кабеля. Эта зависимость эффективной чувствительности от присоединенных кабелем электронных цепей особенно важна для гидрофонов, у которых емкость мала по сравнению с емкостями кабеля и входа усилителя, например, для тех гидрофонов, где чувствительный к давлению элемент-выполнен из пьезоэлектрических пластиков.

При частотах, превышающих 10 МГц, длина кабеля соизмерима с длиной электромагнитной волны в нем. Во избежание искажений, возникающих в результате трансформации электрического импеданса на этих высоких частотах, необходимо использовать ка-роткие кабели.

Оба класса стандартных гидрофонов должны соответствовать следующим требованиям.

53.1.    Длина соединительного кабеля

Длина кабеля, соединяющего элемент гидрофона с первым каскадом электронного усилителя, должны соответствовать спецификации изготовителя, но не превышать 1,5 м.

5.3.2.Обнаженные (незащищенные) металлические части

Обнаженные металлические части корпуса гидрофона и электростатический экран должны соединяться с экраном кабеля.

5.3.3. Сопротивление утечки

Сопротивление утечки на конце кабеля должно быть более 100 кОм.

5.4 Механические характеристики

Типовой гидрофон, используемый в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц, имеет цилиндрический диск из пьезоэлектрического1 материала диаметром менее 1 мм и толщиной менее 0,15 мм. Обычно он крепится при помощи кусочка звукопоглощающего материала, а затем устанавливается на конец тонкой трубки, проволоки или конуса, изготовленных из металла или пластика.

Настоящие требования должны соответствовать классам А и В образцовых гидрофонов в части их механической конструкции и исполнения.

5.4.1.    Акустическая жесткость

Гидрофон должен быть акустически жестким по отношению к окружающей среде- (т. е. его объемная податливость не должна превышать податливости эквивалентного объема воды) для того, чтобы быть прибором, чувствительным к давлению.

5.4.2.    Смачиваемость

Поверхность гидрофона должна быть гладкой к непористой для того, чтобы при смачивании или полном погружении в воду

Страница 11

С. 10 ГОСТ 8.55S— 91

на его поверхности не образовывалась воздушная пленка н.чн пузырьки воздуха.

Примечание. Перед тем ках использовать гидрофои для измерений, его необходимо почистить и опустить и дегазированную перед этим воду не менее чем на 10 мни до полного и оптимального смачивания его поверхности.

6.4.3.    Сопротивление коррозии

Все детали (части) гидрофона, соприкасающиеся с жидкостью, должны быть изготовлены из коррозионно-совместимых и коррозионностойких материалов В частности, следует избегать применения разных «сталлов в соприкасающихся с жидкостью частях гидрофона, с тем, чтобы избежать возможных явлений гальванической корразии.

5.4.4.    Отражающая способность

Активный элемент и корпус гидрофона отражают ультразвуковые волны, искажая первоначальное поле. Для того, чтобы свести до минимума искажение результирующего поля и эффекты интерференции, все поверхности гидрофона, отражающие более 20 % энергии плоской падающей волны (распространяющейся по направлению максимальной чувствительности гидрофона), должны:

а)    иметь нормали, направленные под углом не менее 20е к направлению максимальной чувствительности или

б)    находиться в круге с радиусом менее 1 мм.

5.4.5.    Внутренняя акустическая реверберация

Конструкция гидрофона, в частности, его акустическое демпфирование, должна быть такой, чтобы любые задержанные ложные сигналы, возникающие в результате реверберации в самом гидрофоне, были на 20 дБ ниже прямых сигналов, создаваемых падающим акустическим импульсом, состоящим из одного цикла и имеющим частоту в пределах частотного диапазона, определенного для гидрофона.

5.4.6.    Резонанс основной моды колебаний по толщине

Резонанс основной моды колебаний по толщине закрепленного пьезоэлектрического элемента должен возникать при частоте в два раза выше установленной верхней частоты гидрофона при добротности Q < 6.

Примечание. Эго условие необходимо для того, чтобы избежать чрезмерного реагирования гидрофона на основную резонансную частоту, которая w значительной степени игкажгугг измеряемую форму ультразвукового импульса, содержащего относительно небольшую долю составляющих с частотами, превышающими верхний предел установленного для гидрофона частот.

б. ПЕРЕЧЕНЬ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОФОНА

Изготовитель гидрофонов классов А и В обязан представить следующие характеристики.

Страница 12

ГОСТ 8.565-9! С. 11

6.1.    Чувствительность по напряжению в сво-б о д и о м поле

61.1.    Полоса частот, в пределах которой уровень чувствительности гидрофона в свободном поле постоянен, при отклонениях ± 2 дБ (класс А) или ± 4 дБ (класс В).

6.1.2.    Частотная зависимость чувствительности на конце кабеля гидрофона о установленной полосе частот

Чувствительность должна соответствовать измеренным значениям амплитуды акустического давления, равного 3- 104 Па. В тех случаях, когда чувствительность определяют в дискретных частотных точках, интервалы должны быть такими, чтобы чувствительность изменялась не более чем на ± 1,5 дБ.

6.1.3.    Температурный коэффициент чувствительности по напряжению в свободном поле

6.2.    Направленность

6.2.1.    Ширина диаграммы направленности — угол в плоскости, проходящей через ось максимальной чувствительности, вне пределов которого чувствительность, отнесенная к ее максимальному значению, измеренному на верхней частоте рабочего диапазона, составит менее минус 6 дБ.

6.2.2.    Отклонение оси —угловое различие (в пределзх точности ± 3°) между направлением геометрической оси гидрофона и направлением максимальной чувствительности

Примечание Дчаграыму направленности гидрофона можно определить следующим образом испытуемый гидрофон поменяют о дальнее поле ультразвукового преобразователя к враицют й'жруг осн. которая приходит через активный элемент и перпендикулярна к направлению максимальной чувствн-тсльпост'' Выходное напряжение гидрофона изменяется как функция угла праще имя

6.3.    Электрические характеристики

6.3.1.    Вычисленное значение емкости чувствительного элемента при температуре от 16 до 40°С.

6.3.2.    Емкость на конце кабеля.

6.3.3.    Сопротивление утечки на конце кабеля.

6.3.4.    Ограничения в электрическом возбуждении, которое мо-жеть быть приложено к гидрофону при его использовании в качестве излучателя, включая максимальное значение напряжения от пика до пика и скважность импульсои

6 4. Механические характеристики и условия окружающей среды

6.4.1.    Материал чувствительного элемента.

6.4.2.    Основные размеры чувствительного элемента и гидрофонгг,

6.4.3.    Резонаноная частота основной моды по толщине для закрепленного элемента гидрофона.

Страница 13

С. 12 ГОСТ 8.555-81

6.4.4.    Типы подвергаемых воздействию окружацщей среды материалов (например металл, резина, компаунд и др.).

6.4.5.    Максимальная продолжительность погружения в воду (при 37 °С), при которой не происходит значительного искажения рабочих характеристик.

6.4.6- Ограничения по несовместимости материалов (например жидкости, растворы).

6.4.7. Ограничения по механическим нагрузкам, особенно на те детали, которые предназначаются для крепления и юстировки гидрофона.

7. ГРАДУИРОВКА ГИДРОФОНА

Рекомендуется стандартные гидрофоны, используемые в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц, градуировать посредством вспомогательного преобразователя, который сам должен быть отградуирован посредством метода самовзаимности. Этот метод градуировки обеспечивает точность, соответствующую назначению гидрофона, в то же время этот метод требует минимального специального оборудования (приложение 1).

7Л.Мет&ц ъэаимиос-ти

Для линейного, пассивного, обратимого электроакустического преобразователя существует хорошо определенная взаимосвязь между чувствительностью в дальнем поле приемника М и передаточной характеристикой по току S. Эта зависимость выражена для определенной конфигурации устройств в системе преобразователей в виде определения коэффициента взаимности У (приложение 2).

Все виды градуировки, основанные на принципе взаимности, требуют применения обратимого преобразователя как для излучателя, так и для приемника. Если только изменения, возникающие в акустическом поле, между передачей и приемом известны, то передаточная характеристика н приемная чувствительность преобразователя могут быть определены непосредственно измерением протекающего тока и напряжения принятого сигнала. Очевидное преимущество данного метода в том, что необходимые акустические параметры определяются измерением только электрических величин.

7.1.1- Метод взаимности с применением трех преобразователей

Градуировка, в основе которой лежит принцип взаимности, на практике может проводиться разными методами. Метод, обычно нспользуемый в гидроакустике, заключается в применении трех преобразователей.

Этот метод трудно применять на высоких частотах из-за необходимости большой точности установки положения преобразователя и его ориентации, а также из-за сложной природы характеристик направленности преобразователей.

Страница 14

ГОСТ 8.555-91 С. 13

7.1.2.    Самовзаимность

Градуировка методом самовзаимностн состоит в использовании испытательного преобразователя, принимающего излученные им же самим сигналы после их отражения от рефлектора, и требует проведения минимальной геометрической регулировки. Этот метод не всегда применим к высокочастотным гидрофонам, которые из-за своих размеров имеют недостаточную чувствительность для выполнения требования соотношения сигнал/шум в принятом сигнале. (Минимальный диаметр практического излучателя около 2 мм).

7.1.3.    Метод с применением двух преобразователей

Рекомендуется стандартные гидрофоны градуировать методом

с использованием двух преобразователей: гидрофон градуируют в известном поле вспомогательного преобразователя, предварительно отградуированного методом самовзаимностн. Посредством этой методики можно обеспечить точность градуировки, соответствующую назначению гидрофонов, но при этой методике нет необходимости производить такую точную юстировку преобразователей, как это требуется в методике градуировки с тремя преобразователями.

Примечание Методики градуировки, описанные в настоящем стандарте, используют тоновые посылки (бурсты) излучения одной частоты Полученные при градуировке данные относятся только к одной этой частоте, а полную кривую частотной зависимости нужно составлять по точкам

7.2- Принцип метода взаимности с применением двух преобразователей

Рекомендуемая процедура градуировки основана на следующих принципах:

7.2.1. Передаточная характеристика по току на основе метода самовзаимности

Плоский взаимный преобразователь 1 сначала градуируется методом самовзаимности (см. приложение 2). Кажущуюся передаточную характеристику по току вспомогательного преобразователя в предположении условия измерения идеальной плоской волны S* определяют измерением тока А и напряжения принятого сигнала U\ посредством следующих соотношений:

(2)

и

р с

(3)

где Р) —звуковое давление в плоской волне, излучаемое вспомогательным преобразователем /, На;

I „ — коэффициент взаимности для плоских волн;

Страница 15

С 14 ГОСТ U6S-9I

А, — эффективная площадь поверхности вспомогательного преобразователя /, м*;

р —плотность среды распространения (воды), кг/м*; с — скорость звука в воде. м/с.

Акустическое давление а поле плоской волны, излучаемой преобразователем /. становится известным как функция гока.

7.2.2. Чувствительность в свободном поле по напряжению путем подстановки.

Гидрофон, который надо отградуировать, помещают в ух<е известное звукояос поде, генерируемое преобразователем /, и определяют выходное напряжение И разомкнутой цепи. Чувствительность но напряжению я свободном поле А1“ для идеальных условий измезения плоской ВОЛНЫ определяют по формуле (4)

(4)

7.2.3.    Поправка для условий неплоской волны

Не йегда можно реализовать условия взаимности в либо плоской, либо сферической волне на ультразвуковых частотах из-за сравнимых с длиной волны размеров преобразователей, имеющихся и использующихся на практике, а,также из-за относительно высокого акустического поглощения в воде при этих частотах. На практике используются промежуточные условия и учитывается влияние частотно-зависимых факторов, таких как дифракция н затухачие, ксторые влияют на изменение амплитуды акустической волны при ее распространении между излучателем и приемником. В процессе расчета результатов градуировки вводят поправочный коэффициент k, где М — Al*ft Значение поправочного коэффициента найдено из теоретической модели распределения давления о поле, излучаемом плоским, круглым тюршисобразным источником, в котором скорость з любое время одинакова для всех точек излучающей поверхности (см. приложение 4).

7.3.    Условия проведения измерений

7.3.1. Общее размещение устройств для проведения измерений

На черт. 3 приведена схема измерительной установки для проведения градуировки гидрофонов методом взаимности с использованием двух преобразователей.

На чгрт 4 изображена, блок-схема установки для градуировки методом взаимности с использованием двух преобразователей.

Вспомогательный преобразователь» 2 излучает повторяющиеся тоновые посылки импульсов от 10 до 20 циклов в резервуар, наполненный водой, где они отражаются тонким рефлектором из нержавеющей стали. Для градуировки истодом самовзаимности вспомогательного преобразователя, последний устанавливают в такое положение, при котором ось излучаемого ультразвукового пучка перпендикулярна к отражающей поверхности; на втором »та-

Страница 16

ГОСТ $.555—91 С. 1S

не» когда градуируют гидрофон, рефлектор наклоняю? (отклоняют) таким образом, чтобы взсстк гидрофон в центр отраженного акустического поля. Преобразователь н гидрофон должны быть установлены таким образом, чтобы угол отражения, который используется на втором этапе градуировки, был менее Iff* во избежание значительного отклонения коэффициента отражения от его значения при нормальном падении пучка.

Схема и1нерители»оА установки для проведении градуировки гидрофонов методом они и мостн < использованием двух эрсобраэовдтс.кД

/ - ямяулмтоП r«Mpirop; 1 осгкл*ога?«ли«ыА пр*л6г » 14)деттл»; J — гмарсОп*.. 4 - ртфлмстор

Черт. 3


Бло*-<х*мш установи* для градуировки методом яэа нмностн с испохьзовляием двух прео<^а»пяагелеА

/ — яыпулкс»м4 rwi<ffBp: 2 — сослясуклц** MMOt; } — ддмсратсль NU; 4 — c^aocHUkd осрсклк «о?ся% A: J — грв-оягтиимА агтвиилтор. 6 - >»*л»«ч«ао nar?yuca: 7 — с#р**ло* uie« В. 3 - гек'лхттель С; 9 — осциддхтоп

Черт. 4


Страница 17

С 16 ГОСТ 8.S5S—91

7.3.2.    Вспомогательный преобразователь

Вспомогательный преобразователь должен иметь плоскую круглую активную поверхность диаметром, по меньшей мере, в десять раз больше длины звуковой волны, распространяющейся в воде с частотой, при которой применяется преобразователь. Данный преобразователь должен соответствовать условиям по п. 7.3 4 по своей чувствительности, чтобы соответствовать условиям градуировки методом взаимности. Более того, преобразователь должен обладать свойством создавать поле, которое очень близко совпадает по своим свойствам с полем, теоретически рассчитанным для плоского поршнеподобного источника.

Примечание При выборе подходящего вспомогательного преобразователя рекомендуется экспериментально определить значение :>ффе«<тивного радиуса Я| (п 73 3), который не должен отличаться от действительного, физического радиуса активного элемента любого выбранного преобразователя более чем на 11 %

Хотя мри помощи одного вспомогательного преобразователя можно провести удовлетворительные по качеству измерения в ограниченном диапазоне частот, обычно требуется’ несколько преобразователей для того, чтобы провести полную градуировку для всей ширины паюсы.

7.3.3.    Эффективный радиус вспомогательного преобразователя

Эффективный радиус вспомогательного преобразователя а, —

радиус эквивалентного поршнеподобного источника, для которого пространственное распределение амплитуды акустического давления в дальнем поле очень близко к пространственному распределению самого преобразователя. Эффективный радиус определяют из графической зависимости амплитуды акустического давления в функции от расстояния вдоль оси ручка, полученного посредством гидрофона Описание экспериментального метода, рекомендуемого для определения эффективного радиуса, дано в приложении 3.

7-3.4. Проверка пригодности преобразователя для использования его в методе взаимности

Практически достаточно проверить пригодность одного преобразователя для градуировки методом взаимности. Преобразователи проверяют парами: один используют как излучатель, другой как приемник. Сравнивают отношения выходного напряжения в разомкнутой цепи приемника к входному току излучателя, когда функции излучателя и приемника меняются без изменения их положения. Эти две величины не должны отличаться более чем на 10%. Если разница больше, то значит один преобразователь работает неудовлетворительно. Сравнение двух преобразователей с третьим — обратимым преобразователем — нужно для того, чтобы выяснить, который из двух неисправен.

Страница 18

ГОСТ 8.555-91 С. 17

Примечание. Если преобразователи одинаковы по конструкции, то они могут быть линейными или нелинейными о одинаковой степени н казаться взаимными в ходе измерений, описанных выше. Поэтому измерения следует проводить для нескольких различных типов преобразователей прежде чем принять решение о приемлемости их для использования в процедурах градуировки методом танмногги.

7.3.5. Рефлектор

Рефлектор должен быть выполнен в виде диска из нержавеющей стали достаточного диаметра для полного‘отражения ультразвукового пучка от любого из вспомогательных преобразователей на расстоянии от его поверхности, равном, по меньшей мере, полуто-ракратпому значению N\ (Wt— протяженность ближнего поля), определяемому по формуле

(5)

где а, — эффективный радиус преобразователя, м;

X—длина звуковой волны в воде при рабочей частоте преобразователя, м.

Толщина рефлектора должна быть такой, чтобы первое отражение от тыльной поверхности не интерферировало с отражением от лицевой стороны при использовании самых низких по частоте колебаний. Он также должен быть плоским до ± 10 мкм, а чистота обработки его поверхности должна быть не более ± 5 мкм.

7.3.6.    Траектория звука

Во время градуировки рекомендуется, чтобы общая длина траектории звука от вспомогательного преобразователя 2 к рефлектору 4 и обратно к преобразователю 2 (2d) (черт. 3). и от преобразователя 2 к гидрофону 3 (d + d\), в 1,5 и 3 раза превышала протяженность ближнего поля jVj для используемого вспомогательного преобразователя 2.

Примечание. Обшая длина траектории между 1,5ЛГ, и 3N{ является наиболее удобной для определения коэффициента коррекции (п. 2.3). Использование больших расстояний, особенно при частотах свыше 5 МГи, будет требовать применения значительной коррекции к полученным результатам, г. к. необходимо принимать во внимание явления затухания и среде распространения. Измерения, проводимые в ближнем поле, существенно неточны из-за сложной интерференционной структуры звукового поля.

7.3.7.    Резервуар для проведения испытаний

Вместимость резервуара для испытаний должна быть достаточной для установления расстояния между вспомогательным преобразователем и рефлектором, равного, по меньшей мере, но-луторакратлой протяженности ближнего поля для любых используемых преобразователей. Стенки резервуара и поверхность воды должны быть на значительном расстоянии от преобразователя и от гидрофона для того, чтобы любой сигнал, возникающий в результате отражения от этих поверхностей, мог быть задержан по

Страница 19

С. 18 ГОСТ 8.565-91

отношению к основному, прямому сигналу, на время, равное, по меньшей мере, длительности тоновой посылки на самой низкой используемой частоте. По возможности поверхности резервуара должны покрываться звукопоглощающими материалами (резина или шерстяной ковер с плотным ворсом) и их следует устанавливать под углом не менее 10’ к плоскости самого отражателя.

Резервуар следует наполнять свежей, дистиллированной или дегазированной водой, которую из-за постоянного поглощения воздуха из атмосферы необходимо менять не реже чем через 18 ч.

Примечание. Воду можно дегазировать выдержкой под атмосферным давлением воздуха, сниженным до 2000 Па иди менее, или нагревом ее приблизительно до 80 X в течение часа.

7.3.8. Юстировка

Точное расположение и ориентация преобразователя*-гидрофона и рефлектора необходимы, и все устройства для этого должны крепиться на устойчивых жестких держателях, которые позволяют проводить соответствующую регулировку- Рекомендуется гидрофон и преобразователь снабжать специальными устройствами, позволяющими проводить их поперечное смещение с точностью до ± 0,1 мм, и независимо регулировать их ориентацию вокруг их акустического центра с точностью ± 0,03° и точнее. Огражатоль необходимо вращать в пределах угла, равного приблизительно 10®, вокруг оси параллельно его поверхности и перпендикулярно к линии, соединяющей акустические центры гидрофона и вспомогательного преобразователя (черт. 3).

7.4. Метод измерения

7.4.1. Измерение электрических величин . Чтобы исключить необходимость применения образцовых измерительных приборов для измерения напряжения.и тока, хоторые нельзя непосредственно применять для измерения тоновых посылок (бурстов), рекомендуется /1, Ui, U измерять на основе опорного напряжения U,ei при известном значении сопротивления R0 посредством точного аттенюатора с выходным импедансом, равным /?о.

Тогда

Ux*-avVttU

U—auUttt,

*.


(6)

.(7)

(8)


где а о, , а и. а/, —константы пропорциональности. Подставив выражения (6), (7), (8) в (4), получаем

(9)

Страница 20

ГОСТ 8.555-91 С. \9

Таким образом, абсолютное значение чувствительности гидрофона в свободном поле можно определить, не зная значение Lw, полагая при этом, что U,t\ остается постоянным в течение всего периода измерений, и зная абсолютное значение Ro■ Рекомендуется, чтобы значение R0 было известно с точностью ± 1 % для всего частотного диапазона, в котором око применяется.

Детали процедуры, рекомендуемой для определения а и, , а и и а/, , даны в приложении 3.

7.5.    Расчет результатов

7.5.!.    Поправочный коэффициент

При расчете результатов градуировки необходимо оценить допуск на любые отклонения между идеальными граничными условиями, принятыми в формуле (9), и теми условиями, которые существуют на практике Как было описано в п. 7.2.3, это можно сделать введением поправочного коэффициента Л, тогда истинная чувствительность гидрофона в свободном поле будет M¥k.

Полностью оценка поправочного коэффициента описана в приложении 4. Однако неопределенных специфических условиях, соответствующих методам градуировки, рекомендуемой настоящим стандартом, можно получить значительное упрощение определения k.

Для этого необходимо, чх«>бы:

а)    отношение диаметра вспомогательного преобразователя к диаметру гидрофона было больше 5;

б)    все измерения проводились при общей длипе акустического пути, лежащего в пределах между полуторной и тройной протяженностями ближнего поля вспомогательного преобразователя.

Определяя нормализованное расстояние S как длину акустического пути между вспомогательным преобразователем и гидрофоном, деленную на протяженность ближнего поля, условие б) можно выразить так:

1,5<    <3    и    1,5<S<3,    (10)

где

• 5=(rf,4-d)^- .    (И)

В этих условиях k можно вычислить по формуле

k~G;    (12)

где Gc — (функция только S) дает поправку на изменения в принятом сигнале, обусловленные дифракционными эффектами при распространении ультразвука скорее в виде пучка, а не бесконечно плоской волны. Эти явления представляют отклонения условий

Страница 21

С. 20 ГОСТ 8.565-91

реальной системы от условий плосхой волны, принятых прн получении /р, тогда ]р • Gf можно рассматривать как коэффициент взаимности для промежуточных условий, применяемых в процессе измерений. Значение С как функции S показано на черт. 5.

Зависимость коэффициента от нормалнзомнного расстояния

Черт. 5

а'— коэффициент затухания амплитуды ультразвука в чистой, дегазированной воде (м~') определяют при температуре 23 °С по формуле

сГ^2,2.10-ч-/-\    (13)

f— частота, Гц.

ки> —множитель, на который напряжение сигнала вспомогательного преобразователя, действующего как приемник, должно умножаться для получения эквивалентного напряжения разомкнутой цепи. Если условия электрической нагрузки (например выходной импеданс высокочастотного генератора тоновых посылок) неизменны при передаче и приеме, то значение к и, можно определить, измеряя ток I к , проходящий через цепь, когда преобразователь закорачивают. Тогда

*</.= -£-• (14) Примечание. Если имеется злектронная ключевая схема, отключающая генератор от преобразователя сразу же после окончания радиоимпульс*, и используется схема детектирования с высоким сопротивлением, то значение к у можно принять за единицу.

к р —множитель, на который напряжение гидролиз должно умножаться для того, чтобы получить эквивалентное значение разомкнутой цепк. Обычно гидрофон градуируют прн электрической нагрузке, которая предназначена для гидрофона конкретного применения, и в коррекции чувствительности по напряжению для разомкнутой цепк нет необходимости.

Страница 22

ГОСТ 8.555—»1 С. 21

7.6. Точность градуировки

Рекомендуемая методика измерений и упрощенный расчет поправочного коэффициента обеспечивают градуировку гидрофонов в диапазоне частот от 0,5 до 15 МГц при общей систематической погрешности менее ± 1,5 дБ от уровня чувствительности по напряжению. Методика способна обеспечить случайную погрешность измерений, значительно меньшую ±1,5 дБ.

Страница 23

С. 22 ГОСТ 8.555-91

ПРИЛОЖЕНИЕ I Справоыое

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДА ВЗАИМНОСТИ

Гидрофон обычно градуируют так: гидрофон помещают и акустическое ноле в точке, в которой известно абсолютное значение одного из параметров этого поля, например амплитуды акустического давления, дотирую определили ранее.

В литературе ({писаны многочисленные методы определения абсолютных параметров акустического поля. Некоторые к* них, такие как калориметрия ал и измерение радиационного давления посредством высокочукгв:пгелыш.х весов, включают определение физических величин, усредненных по времени «1 по всему акустическому пучку (или его значительной’ части). Другие методы, такие как интерферометрия и измерение радиационного давлении, оказываемого на небольшие сферические мишени (шарики), определяют значения пространственного распределения физических величин. В этих методах параметр поля определяется по степени влияния поля, генерируемого ультразвуковым преобразователем. на какой либо чувствительный ъгемект. Методом взаимности опреде ляют влияние поля на второй преобразователь, а также на преобразователь, который сам генерирует поле

Имеется множество методов абсолютйого измерении параметров акустическом поли. При условии некоторых допущений о ОЗспростряненаи акустических вмм вое эта параметры взаимосвязаны. Параметры, определенные различными путями н методами, фактически эквивалентны.

Абсолютное определение амплиту.чы акустического давления и 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 полому он широко не применяется Из остальных методов только два имеют определенные преимущества перед другими: метод взаимности и метод измерения обшей выходной мощности в сочетания с определением пространствен ного распределения акустического давления в пучке при помощи гидрофона. Для того, чтобы объяснить, почему именно метод взаимности избран как основной метод измерения н настоящем стандарте, целесообразно разобрать основные черты этих двух альтернативных подходов.

Полное усредвейиос но 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 режмма работы, но усредненный по времени уровень полной моишлети 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 иа 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.

Страница 24

ГОСТ 6.555-91 С. 23

Альтернативным является калориметрический метод, используемый для определения полной усредненной но врементГ мощности Принцип его прогг: преобразование акустической энергии в тепловую, которую определяют обычным колориметрическим 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 до-з 1ЛлВО сложными устройствами, которые, а свою очередь, требуют совершенствовании и поддержания в рабочем состоянии, если их использовать п каче-стле 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 поли, производимого преобразователем в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения. Это позволяет определять абсолютное значение акустической 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 н плотности находятся в одной фале Сканирование поля требует только относительных измерений, и можно использовать гидрофан класса В. который должен быть мал по сравнению с длиной звуковой волны, U теории должна быть описана процедура определения закона распределения звукового давления в поперечном сечении, перпендикулярном 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 и тле и измерениями я динамическом диапазоне не менее 40 дБ.

Когда гидрофон, который нужно отградуировать, помещают в паче, необходимо сделать коррекцию для возможного пространственного усреднения, которое имеет место из-за конечным размеров как сканирующего, гак н 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 требует более Простых экспериментальных приспособлении по сравнению с другими методами, описанными выше, и не включает сложных измерительных процедур (метод, «писанный в приложении 2). Электрические и акустические поправка необходимо вводить в данные, и анализ результа* тов оказывается довольно сложным. Используемый преобразователь должен соответствовать типу, близкому к поршвелодобному с тем. чтобы обеспечить оценку поправочных коэффициентов с достаточной точностью, а также должен создавать стабильны* и воспроизводимые поля в течение всего периода ипмере-ниА. Окончательные погрешности больше тех. которые получаются по методике усредненной по времени мощности или по методу построения профиля пучка на частотах выше б .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 получат». томиостяые характеристики, сравнимые с аналогичными, получаемыми другими методами.

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

Страница 25

С 24 ГОСТ 8.555-91

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Справочное

ВЗАИМНОСТЬ В ПЛОСКОЙ ВОЛНЕ

Взаимный преобразователь — преобразователь, который удовлетворяет условия» мектромехаиической взаимности

1-Н - ич

(15)

где (при передаче^ — скорость излучающей поверхности преобразователя для входного 7ока /;

V — 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) н чувствительности приемника в свободном поле (п. 3.8):

|т£г| -

<16>

где Р х, — акустическое давление в звуковой волне непосредственно перед излучателем при отсутствии явлений интерференции для входного токз /;

Ptcc - акустическое давление в неяоэкущеипом свободном поле плоской волны v 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

Р|г-|>с/,    (17)

где р-- плотность среды; с — скорость звука в воде

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

/V-JW-P.    (18)

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

Г=2ЛР    (19)

В принятых граничных условиях плоской волны отношение

М Ш 2А г

Т “    ТЯГ - рт =А>    ( *

зависит только от площади преобразователя и    определяется как параметр вза

имности 1 р для плоской волны. При известном значении /р измерение U и / ведет к определению Р и, таким образом. S и М.

Примечание. Если /\ и (/( — 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 70ГД8

Страница 26

ГОСТ 8.SSS—91 с. 25

= ~рГ~    (2D

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

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

s;- (^-Г •

При любых практических измерениях на частотах, которые рассматриваются в настоящем стандарте, условия плоской водны невозможно реализовать к поэтому необходимо сделать допущение для разницы между Р j, и значением Р г ос, усредненным по активной поверхности приемника,

Страница 27

С 26 ГОСТ 8.655-91

ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Справочное

ДЕТАЛИ РЕКОМЕНДУЕМЫХ ПРОЦЕДУР ИЗМЕРЕНИИ Оиснка эффективного радиуса вспомогательною преобразователи

Эффективный радиус а, вспомогательного преобразователя определяется из зависимости изменения амплитуды акустического давления в функции от расстоянии вдоль акустической оси при работе преобразователя в непрерывном режиме. Это изменение можно измерить иеотградуированным гидрофоном п поде 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 а достаточной степени продолжительны для того, чтобы установились условия стационарного режима измерений. Экспериментально определяемое акустическое распределение сравнивается с распределением, рассчитываемым для идеального поршпеподобного источника, для которого излучающая поверхнгсть движется с пространственно однородной скорг»-стью у. Радиус теоретического истсчииха а, затем варьируется для получения оптимального соотношения между экспериментальными данными и моделью поля. Теоретическое распределение давления на оси для поршпеподобного источника дано выражением

где Р~ амплитуда акустического давления на расстоянии г от излучателя вд-ыь акустической оси;

Р |, — амплитуда давления плоской полны, определяемая выраженьем Р и = РЛ’;

X — длина звуковой волны в воде;

а' — коэффициент затухания амплитуды ультразвука и чистой, дегазированной воде (а’ = 2,2X10-“при температуре 23 *С. На практике значения Pit ив! варьируются для получения оптимального соответствия между экспериментальными к теоретическими данными.

Примечание. Один кз методов получения этого соотоетствия заключа* ется в следующем. Если У,- (2, ) определено как 20 IgV, . где У/— амплитуда напряжения, производимого гидрофоном ка расстоянии Z/ от преобразователя; я yj (ZI) как

:о;е | 2sin -J- иг****)1#-z,]e~*z',

тогда параметр 2 А* , где

Xt-YAZil-YWi)- -j-jx, y,(Z,)- £ Y’t(Zfl

ту

минимизируется по а,. Эта процедура приведения в соответствие применяется только к данным, для которых Z лежит между 1,5Zw и 3Z„, где Z — расстояние от поверхности преобразователя до самого дальнего максимума. Определив:

Страница 28

ГОСТ 8.555-91 С. 27

таким образом а,, затем проверяют успешность применения модели в виде реального поля путем оценки Xm(Zm). Значение Xm(Zm ) менее 0,5 дБ берется для того, чтобы определить, что модель удовлетворительна

Оценка коэффициента ослабления напряжения

Коэффициенты ослабления напряжения аи> , а и и а/> определяют с помощью единственного прецизионного аттенюатора, включаемого между источником опорного напряжения н его известной стандартной нагрузкой R« (см. черт. 4)

Для a lJi падение напряжения на Ra отображается соответственно как U\ на «ииллоскопс. а аттенюатор устанавливается на такое значение, при котором сигналы имеют одинаковую амплитуду. Таким образом установка аттенюатора обеспечивает прямое измерение а . аи определяют путем сравнения напряжения на Ri с U.

Значение a/i также определяют, регулируя аттеаюатор. ко в этом случае сравнивают а выравнивают два сигнала —ток. поступающий в преобразователь, и ток, проходящий через Rt>. За этими величинами наблюдают, пропуская их попеременно через один и 70т же датчик 7ока, выход которого наблюдается на осциллографе. Абсолютную градуировку датчика тока производить не надо.

Примечание, В простой цепи, показанной из черт, 4, используется тот же генератор тоновых посылок, который возбуждает преобразователь и обеспечивает t/rci. На практике удобнее поместить второй аттенюатор между переключателей А и преобразователем для того, чтобы можно было протекающий ток регулировать независимо от Ur<i ■

Процедура измерений, в ходе кэторой 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 ati, выравнивая аттенюатором напряжения, регистрируемые а двух положениях переключателя Л

2.    В положении рефлектора и переключателя В, описанном в n. I, переключатель С переключают в наложс«кс 2 и снова определяют а у,, выравнивая аттенюатором сигналы при двух положениях переключателя Л

Примечание. Сигналы, регистрируемые в положении / (U,). будут задержаны отн!А'игельно 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 a j и соответствующее значение и ,j. Используя значение a ,t н виде квадратного корня уравнения (9), как показано в п. 7.4 настоящего стандарта, нет необходимости поддерживать опорное напряжение U.-с» постоянным во время регулировки рефлектора

Для того, чтобы убедиться, что отраженный пучок отцентрирован либо на преобразователь для условий (лп. J н 2), либо на гидрофон для условия (п. 3). весьма важно тщательно отаегулироватъ положение этих устройств для получения максимального регистрируемого сигнала. Юс7нро»ку проэодят регулировкой положения этих устройств в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения падающих акустических волн и нх ориентации относительно их акустических центров. Важно, чтобы эти ихтировкн проводились с точностью порядка одной длины волны и 0,05* соответственно.

Страница 29

С. 28 ГОСТ 8.5SS—91

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Справочное

ОЦЕНКА ПОПРАВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА

Более общий поправочный коэффициент по сравнению с опнезчным в п. 75 стандарта рассчитывают по формуле


(27)


где <?| — поправка, которую необходимо принимать и расчет из-за изменений (профиля) акустической волны при излучении н приеме во время градуировки вспомогательного преобразователя методом самовзаимиости;

03 — поправка, которую необходимо принимать н расчет из-за аналогичных изменений при градуировке гидрофона в известном поле, генерируемом вспомогательным преобразователем;

т — амплитудный коэффициент отражения для границы раздела отражатель/вода. Другие параметры определены в п. 7.5.

Значения (?i и 64. применяемые в любой измерительной системе, равны отношению акустического давления, усредненного по поверхности приемника (или гидрофона), к тому же значению в плоской волне непосредственно перед излучателем (при отсутствии интерференции), в виде функции от акустической длины пути.

Отношения \PjP0\ в зависимости ог нормализованного расстояния, теоретически для различных отношений радиусов приемника и излучателя, в логарифмическом виде показаны на черт. 6. (Нормализованное расстояние— рас*

Зависимость среднего давления \Р,!Рп\ от нормализованного расстояния 6' для преобразователей различных размеров

Страница 30

гост 8.555-9! С. 29

стояние от поверхности преобразователя, деленное на протяженность ближнего поля). Значение Gt относится к вспомогательному преобразователю, используемому н как излучатель, и как приемник, и получается из графика, соответствующего отношению диаметров, равному единице. С3 относится к волне, излучаемой Вспомогательным преобразователем и принимаемой гидрофоном, и для его определения необходимо применять график, соответствующий отношению их диаметров. Если следовать рекомендациям данного стандарта, то эти отношения во всех случаях менее 0,2.

Значение для границы раздела вода/нержавеющая сталь рзвно 1,033.

Остальные значения, используемые в поправочном Коэффициенте, приведены и п, 7,5 настоящего стандарта.