2.1. ВВЕДЕНИЕ

Наиболее часто используемым электроакустическим параметром является чувствительность гидрофона по напряжению в свободном поле, выраженная в функции частоты. Чувствительность гидрофона обычно определяется методом сравнения или методом взаимности. Теория этих двух методов, которые широко используются, рассматривается в этой главе, а практические детали градуировки образцовых гидрофонов и преобразователей гидролокационных станций в свободном поле или в открытой воде ввиду их важности будут обсуждаться в гл. HI. Как теория, так и применение других методов (которые, в общем, более специализированы) полностью обсуждаются в этой главе. Методы описываются достаточно полно, чтобы познакомить читателя с условиями их применимости и существующими ограничениями. Дополнительные сведения можно найти в цитируемой литературе. Методу ближнего поля, как уникальному и наиболее современному, посвящена отдельная глава (гл. IV).

Методы градуировки преобразователей, для которых не требуется образцовый преобразователь с известной чувствительностью, рассматриваются как первичные. В первичном методе измеряются следующие основные величины: напряжение, сила тока, электрический и акустический импедансы, длина, масса (или плотность) среды и время (или частота). На практике обычно не измеряют непосредственно значения плотности, скорости звука, модулей упругости, а берут эти величины из справочника.

К вторичным методам относятся те методы, в которых в качестве образцового используется преобразователь (обычно гидрофон), отградуированный первичным методом. Примером вторичного метода является градуировка гидрофона путем сравнения с образцовым. Поскольку при первичной градуировке Допускается применение калиброванных импедансных мостов, вольтметров, генераторов и т. д., но не допускается применение отградуированного гидрофона, то разделение методов на первичные и вторичные довольно условно; тем не менее в гидроакустике такое деление существует.

МЕТОДЫ И ТЕОРИЯ

Методология, которую мы здесь рассматриваем, обеспечивает средства для измерения абсолютной величины, а иногда и фазы электрического напряжения и силы тока, звукового давления и колебательной скорости частиц или отношений этих параметров. Теория чисто электрических измерений хорошо известна, к измерению колебательной скорости прибегают редко; поэтому основным предметом этой главы является измерение звукового давления или отношений, в которые оно входит.

2.2. ВТОРИЧНЫЕ МЕТОДЫ

Вторичные методы градуировки преобразователей, особенно гидрофонов, требуют меньшего числа измерений и имеют меньше источников ошибок, чем первичные. Поэтому вторичные методы шире используются для периодических поверок, хотя их точность никогда не может быть выше точности первичной градуировки образцового преобразователя («эталона»), если используется только один образцовый преобразователь. Точность и надежность измерений можно повысить, усредняя результаты измерений с двумя или тремя образцовыми преобразователями. Этот практический прием позволяет также обнаружить неисправность или ухудшение параметров образцовых преобразователей.

Во вторичных методах градуировки обычно используют образцовые гидрофоны, а не образцовые излучатели, по причинам, которые будут изложены ниже.

2.2.1. Градуировка гидрофонов методом сравнения в свободном поле

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 сво-

*) Ниже «чувствительность гидрофона по напряжению» чаще всего называется просто «чувствительностью гидрофона».- Прим. ред.

бодном 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 изм]5ряется выходное напряжение бзс последнего. Если чувствительность образцового гидрофона в свободном поле равна Ms, то чувствительность градуируемого Мзс находится из соотношения

К • • • ММ,е1е„ , (2.1)