ИЛИ, в децибелах,

20 Ig УИ.,=20 Ig Ж,+20 Ig - 20 Ig . (2.2)

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.

2.2.2. Градуировка гидрофона с помощью образцового излучателя

Гидрофон можно отградуировать сравнением с образцовым излучателем, -а не с образцовым гидрофоном. Если излучатель питается током, измеренное значение которого равно is, а чувствительность излучателя по току Sj,, то звуковое давление в свободном поле на расстоянии м от излучателя на его акустической оси равно isSs/d. Если градуируемый гидрофон помещен в эту точку и его выходное напряжение холостого хода равно бж, то чувствительность гидрофона в свободном поле

M=ed\i,S,. (2.3)

Расстояние d должно быть достаточно большим, чтобы эф-, фекты близости двух преобразователей были пренебрежимо малы.

В этом способе градуировки требуется только один преобразователь, кроме градуируемого гидрофона, и фиксированное расположение оборудования. Однако использование образцовых излучателей для градуировки гидрофонов имеет серьезные недостатки, которые рассматриваются в разд. 2.2.4.

2.2.3. Градуировка гидрофонов методом сравнения в малых камерах

Одновременное воздействие на образцовый и градуируемый гидрофоны одним и тем же полем чаще всего производится при возбуждении звука в малой замкнутой камере. Если наибольший размер замкнутой камеры намного меньше длины звуковой волны Б воде, то звуковое давление во всех точках внутри камеры практически одинаково. Камера должна быть замкнутой в том смысле, что водная среда полностью заключена внутри высокоимпедансных или жестких стенок камеры. Любая податливость: граница раздела вода-воздух, воздушный пузырек,-гибкая стенка или другая низкоимпедансная граница - приводит к большим градиентам давления. В качестве иллюстрации рассмотрим два маленьких участка системы со стоячей волной