Градуювання АП методом порівняння у вільному полі

Термин «градуировка гидрофона» подразумевает измерение чувствительности гидрофона по напряжению в свободном поле. Чувствительность звукоприемника по току в свободном поле почти никогда не используется и представляет в основном академический интерес.

Свободным полем называется однородная изотропная безграничная среда. Идеальное свободное поле, конечно, реализовать невозможно. Большая часть затрат и усилий, вложенных в гидроакустические измерения, вызвана необходимостью создать достаточно хорошее приближение к условиям свободного поля или как-нибудь обойти «свободное поле». Отражающие границы, температурные градиенты, газовые пузырьки, морские организмы - все эти и другие факторы вносят свой вклад в искажение условий свободного поля. При измерении «в свободном поле» предположение о выполнении условий свободного поля остается основным, даже если для того, чтобы нейтрализовать искажения этих условий, применяются различные практические средства (импульсное излучение, звукопоглотители, корректировка результатов с учетом интерференции, создаваемой отражениями). Для измерений в свободном поле используются естественные водоемы, искусственные пруды и бассейны.

Градуировка гидрофона методом сравнения - простая процедура, и при правильном осуществлении она точна и надежна. Этот метод состоит в том, что исследуемый или градуируемый гидрофон и образцовый гидрофон («калиброванный эталон») подвергают воздействию одного и того же звукового давления в свободном поле и сравнивают их выходные электрические напряжения. Этот метод называется также «методом замещеция>, так как в процессе градуировки исследуемый гидрофон ставится на место образцового (замещает его) без изменения условий измерения.

Предположим, что имеется свободное поле в воде. Звуковое поле создается сферическими волнами, исходящими от излучателя. Теоретически характеристики излучателя могут быть произвольными. Необходимо только, чтобы он создавал звук требуемой частоты при достаточно высоком уровне сигнала.

Образцовый гидрофон помещается в звуковое поле. Он должен устанавливаться на достаточно большом расстоянии от излучателя, чтобы участок сферического фронта волны, который на него падает, был достаточно мал (или имел достаточно большой радиус кривизны) и падающую волну можно было считать плоской. Заметим, что определение чувствительности по напряжению в свободном поле, введенное в разд. 1.5, основано на давлении в плоской волне. Близко расположенные корпуса предусилителей или другие детали конструкции преобразователя должны быть включены в размер гидрофона, так как их присутствие может влиять на его чувствительность. Теория и практические требования, относящиеся к выбору расстояния между преобразователями, более подробно рассматриваются в разд. 3.4.

За исключением случая, когда образцовый, гидрофон является ненаправленным, он должен быть ориентирован так, чтобы его акустическая ось была направлена на излучатель. При такой ориентации измеряется выходное напряжение холостого хода fig образцового гидрофона. Потом образцовый гидрофон заменяется градуируемым и измеряется выходное напряжение бзс последнего.

Несмотря на простоту градуировки гидрофонов методом сравнения, здесь возможны четыре основных источника ошибок: 1) измерение напряжения не соответствует режиму холостого хода, 2) нестабильность образцового преобразователя, 3) нарушение условий свободного поля, 4) недостаточно большое отношение сигнал/шум.

Выходное напряжение и чувствительность гидрофона измеряются на ощ)еделенной паре клемм. Если гидрофон не имеет предусилителя, эти клеммы находятся на конце кабеля, причем кабель нельзя заменить, не нарушив тем самым результатов градуировки. Необходимо также твердо установить условия для заземления, например заземлять и экран кабеля, и один из выводов гидрофона на конце кабеля.

Вольтметр» или другой прибор для измерения напряжения на конце гидрофонного кабеля должен иметь очень высокий входной импеданс по сравнению с выходным импедансом гидрофона, или влияние нагрузки должно быть измерено (разд. 3.6). Гидрофоны с высокоимпедансными пьезоэлементами малых размеров и предусилителями градуируются на выходе пьезоэле-мента или на конце кабеля. В первом способе необходимо использовать специальную измерительную цепь или цепь связи (разд. 3.6), чтобы учесть влияние нарушения условий холостого хода на конечной нагрузке и коэффициент усиления или ослабления предусилителя. Этот тип градуировки «на выходе кристалла» применяется с самого начала разработки методов градуировки гидроакустических станций во время второй мировой войны. Его основная идея - избавиться от «капризов» предуои-лителей. Однако опыт, накопленный со времени второй мировой войны, показывает, что электронный предусилитель (обычно катодный повторитель) столь же стабилен, как электроакустический элемент. С накоплением этого опыта и с созданием еще более стабильных полупроводниковых предусилителей стали использоваться и вошли в практику методы градуировки гидрофонов на конце кабеля. Задача измерения напряжения холостого хода является общей для всех методов градуировки и при использовании гидрофонов с высоким внутренним импедансом.

Гидрофоны подвержены многим воздействиям, которые нарушают стабильность их чувствительности. Гидростатическое давление, температура, небрежное обращение, загрязнение, коррозия, затекание воды и т.д. - вот некоторые из наиболее очевидных вредных влияний; другие факторы действуют слабее, но не менее важны. Многие гидрофоны имеют миниатюрные пьезоэлектрические или пьезокерамические чувствительные элементы с очень высоким электрическим импедансом. Сопротивление утечки таких элементов должно оставаться очень высоким - от 100 до 1000 МОм (разд. 3.6). Обычно резиноподобные материалы, которые защищают эти элементы от воды, не полностью водонепроницаемы. За период порядка года небольшие количества воды диффундируют в пьезоэлемент, снижают его сопротивление утечки и вызывают уменьшение чувствительности гидрофона на низких частотах. Слабые химические изменения в металлах, маслах, кристаллах, резинах, пластмассах и т. д. также приводят к изменениям среды, окружающей пьезоэлемент, и влияют на чувствительность гидрофона. При современном уровне развития техники даже высококачественные образцовые гидрофоны нужно периодически градуировать, по меньшей мере раз в год. Нельзя считать, что чувствительности, полученные при некоторой номинальной температуре и гидростатическом давлении, остаются неизменными при других значениях темпе-, ратуры и давления.

Нарушение условий свободного поля является преобладающим источником ошибок и забот при измерениях. Отражения от поверхности, днa,cтeнoк, колонн, координатно-поворотного оборудования и т. д., температурные градиенты, газовые пузырьки, морские организмы, мусор, турбулентность воды и т. д.- все это нарушает условия свободного поля. Если возмущение одинаково влияет на оба гидрофона (образцовый и градуируемый), то ошибка исключается. Однако часто это не так. Например, ненаправленный гидрофон больше подвержен влиянию отражений, чем направленный. Образцовый гидрофон, насколько это возможно, должен быть подобен градуируемому гидрофону по размерам, форме и конструкции.

Второй модификацией метода сравнения является способ одновременного помещения образцового и градуируемого гидрофонов в звуковое поле. Поскольку два гидрофона не могут находиться одновременно в одном и том же месте поля, в этом методе необходимо иметь гарантию того, что звуковое давление на обоих преобразователях одинаково или связано известной. зависимостью. Когда гидрофоны располагают близко друг к другу, то присутствие одного из них может влиять на звуковое давление в месте расположения другого и условия свободного поля нарушаются. Если они далеки друг от друга, то отражения от граничных поверхностей и направленность излучателя могут привести к тому, что давление на гидрофонах окажется неодинаковым. Если граничные условия и среда Стабильны, то соотношение между давлениями в двух точках можно измерить. Недостатки этого варианта метода сравнения" в свободном поле превосходят его преимущества, и способ одновременного погружения преобразователей используется редко.

Отношение сигнал/шум есть отношение амплитуды измеряемого сигнала к нежелательным, но всегда присутствующим электрическим и акустическим шумам. Шум должен быть достаточно мал относительно сигнала, если последний нужно измерить точно. Именно это ограничение делает невозможной градуировку гидрофонов очень -малой чувствительности.