2.3. Метод калибровки тремя преобразователями

Широкое распространение получил метод трёх преобразователей – наиболее универсальный метод калибровки на основе принципа взаимности. Для проведения калибровки, кроме испытуемого гидрофона, необходимы вспомогательный источник звука и обратимый преобразователь. Вспомогательный источник и испытуемый гидрофон могут быть необратимыми. Процедура содержит три этапа.

Первый этап измерений. Вспомогательный источник звука создаёт на расстоянии r₁ в месте расположения испытуемого приёмника звуковое давление p. На выходе гидрофона возникает напряжение U₁, равное

где M_x – чувствительность испытуемого гидрофона. Измеряется U₁.

Рисунок 3 – Калибровка методом трёх преобразователей

Второй этап измерений. Режим работы вспомогательного источника звука не изменяется, а на место гидрофона устанавливается обратимый преобразователь, работающий в режиме приёма. Так как звуковое давление p остаётся прежним, то на выходе обратимого преобразователя будет напряжение U₂, равное

где M₂ – чувствительность испытуемого гидрофона. Измеряется U₂.

Третий этап измерений. Обратимый преобразователь используется в режиме излучения. Возбуждается током I и создаёт на расстоянии r, где помещается гидрофон, давление p₁. Это давление вызывает напряжение на выходе гидрофона

Измеряется ток I, напряжение U₃ и расстояние r.

Чувствительность выражается как:

Никаких ограничений на размеры, тип и другие особенности гидрофона этим методом не накладывается. Все измерения производятся по оси характеристики направленности и полученное значение чувствительности тоже относится к этому направлению.

Одним из современных примеров использования метода калибровки гидрофонов с тремя преобразователями является система калибровки гидрофонов Bruel&Kjaer типа 9718. Эта система реализована на базе многофункционального анализатора PULSE компании Bruel&Kjaer и специализированной программы калибровки. Программа калибровки использует ряд предварительно заданных форм управления и шаблон управления, определяемый пользователем. Калибровка выполняется согласно стандарту IEC 60565 с возможностью калибровки фазы.

Рисунок 4 – Система Bruel&Kjaer типа 9718

Рисунок 5 – Схема калибровки

Чувствительность калибруемого в системе Bruel&Kjaer типа 9718 гидрофона M_x, определяется по следующему выражению:

где U_x – выходное напряжение калибруемого гидрофона, M₁ и M₂ – чувствительности используемых в качестве вспомогательного источника звука и обратимого преобразователя гидрофонов, U₁ – выходное напряжение гидрофона, использующегося как вспомогательный источник звука.

2.4. Калибровка на основе самовзаимности

Данный метод может рассматриваться как частный случай прошлого метода, когда чувствительность обратимого преобразователя равна чувствительности гидрофона – в данном случае это один и тот же преобразователь. На рисунке 4: 1 – гидрофон, 2 – отражающий экран, 3 – мнимый источник. Гидрофон устанавливается на расстоянии r/2 от полностью отражающей поверхности.

Рисунок 6 – Калибровка методом самовзаимности

Основой метода служит то, что излучённый импульс после отражения принимается тем же преобразователем. Эта процедура соответствует третьему этапу измерений в прошлом методе.

Искомая чувствительность находится по формуле:

При калибровке гидрофонов в качестве отражающей поверхности применяется граница вода-воздух. Калибровка проводится только в импульсном режиме.

В современных условиях калибровка методом на основе самовзаимности может проводиться, например, на гидрофоне 8105, от компании Bruel&Kjaer. Устройство представляет собой малоразмерный сферический измерительный преобразователь для производства измерений в широком диапазоне частот с чувствительностью приёма -205 дБ.

Рисунок 7 – Гидрофон типа 8105

Формула для определения чувствительности гидрофона M методом самовзаимности может быть представлена как:

где U₂ – выходное напряжение калибруемого гидрофона, d – расстояние между излучающим и принимающим гидрофонами (удвоенное расстояние от калибруемого гидрофона до отражающего экрана), c – скорость звука в воде, f – частота излучаемого сигнала, U₁ – напряжение, приложенное к калибруемому гидрофону при излучении.