МЕЖДУНАРОДНОЕ СОТРУДНИЧЕСТВО
534.6
Результаты участия ВНИИФТРИ в первых международных ключевых сличениях эталонов в области гидроакустических измерений
А. Е. ИСАЕВ, С. В. СИЛЬВЕСТРОВ
Проанализированы результаты сличений хранимого во ВНИИФТРИ государственного специального эталона единицы звукового давления в водной среде, которым был представлен КООМЕТ на первых международных ключевых сличениях в области градуировки гидрофонов в свободном поле, проходивших в период с 2002 по 2004 гг. под эгидой Консультативного комитета по акустике, ультразвуку и вибрации.
Ключевые слова: гидрофон, градуировка, опорные уровни ключевых сличений, чувствительность в свободном поле.
The CIPM international project of the key comparisons of free-field hydrophone calibrations (CCAUV.W-K1) was realized in 2002—2004. The results of participation in this project of the maintaining in VNIIFTRI the State measurement standard of sound pressure unit in water are considered.
Key words: hydrophone, calibration, key comparison reference values, free-field sensitivity.
Одним из основных направлений международного сотрудничества ФГУП «ВНИИФТРИ» в области метрологии является проведение сличений хранимых им государственных эталонов и установок высшей точности с национальными эталонами других стран. Область гидроакустических измерений в этом смысле не является исключением. Результаты сличений государственного специального эталона единицы звукового давления в водной среде в 1967 г. (первые международные сличения, организованные под эгидой IEC), в 1997—1998 гг. (двусторонние сличения национальных эталонов Российской Федерации и Китая в частотном диапазоне 1 Гц —630 кГц) и в 2002—2003 гг. (сличения в области инфразвуковых частот 0,01—0,1 Гц) соответствуют уровню ведущих лабораторий мира. В период с 2000 по 2004 гг. в рамках проекта CCAUV.W-K1, организованного Консультативным комитетом по акустике, ультразвуку и вибрации (CIPM), были проведены первые международные ключевые сличения в области градуировки гидрофонов в свободном поле в диапазоне частот 1—500 кГц. В результате предварительного отбора к участию в ключевых сличениях были допущены семь национальных метрологических институтов, представлявших следующие страны и региональные метрологические организации: EUROMET (NPL, Англия и WTD-PTB, Германия), SIM (URSD-NIST, США и DREA-NRC, Канада), APMP (NIM, Китай), SADCMET (CSIR, Южная Африка), ^OMET (ВНИИФТРИ, Россия). Координатором и лабораторией-пилотом проекта выступала Национальная физическая лаборатория (NPL) Англии.
Основная цель ключевых сличений заключалась в техническом обосновании взаимного признания национальных
эталонов стран-участниц в соответствии с Международным соглашением о процедуре взаимного признания национальных эталонов и сертификатов национальных метрологических институтов (MRA) [1].
Участниками ключевых сличений был согласован подготовленный лабораторией-пилотом проект Технического протокола, регламентировавший процедуру и требования к измерениям, сроки и порядок их проведения, форму представления результатов и структуру отчета, которым каждый участник был обязан сопроводить полученные им результаты. Сличения были организованы по круговой циклической схеме. Каждый участник должен был определить абсолютным методом в свободном поле сферической волны в заданном диапазоне частот значения «приведенной к выходному разъему кабеля гидрофона» чувствительности по напряжению холостого хода гидрофонов — эталонов сличений. В качестве возимых эталонов сличений лабораторией-пилотом были подготовлены три гидрофона, сведения о которых представлены в табл. 1. Предварительные исследования и градуировка эталонов сличений были выполнены в NPL. После завершения измерений каждый участник возвращал возимые эталоны в лабораторию-пилот, которая контролировала устойчивость их чувствительности в процессе сличений, после чего направляла возимые эталоны очередному участнику.
В соответствии с требованиями MRA по результатам, полученным участниками сличений, на каждой частоте определяли значения опорных величин ключевых сличений (KCRV) [1]. Затем по отклонениям от KCRV находили значения степеней эквивалентности национальных эталонов, а
также степеней взаимных эквивалентностей эталонов для каждой пары стран-участниц.
Все участники сличений, за исключением ВНИИФТРИ, применяли стандартную схему градуировки по методу взаимности в свободном сферическом поле с тремя преобразователями в соответствии с публикацией 1ЕС и национальными стандартами [2—4]. Процедура градуировки, примененная во ВНИИФТРИ, представляет собой вариант метода взаимности, основана на использовании информации об амплитудном распределении акустического поля и позволяет исключать влияние источников отражений, сосредоточенных на корпусе и креплении гидрофонов, на результат градуировки [5, 6].
Только один участник (WTD-PTB, Германия) выполнял измерения в пресном озере глубиной 11 м, температура воды в котором в период измерений изменялась от 14 до 18 °С. Четыре участника проводили градуировки в лабораторных гидроакустических бассейнах, минимальная глубина которых составляла 4,5 м. Лаборатория-пилот и ВНИИФТРИ в зависимости от частотного диапазона измерений использовали большие либо малые бассейны. Измерительные бассейны всех участников оборудованы прецизионными системами позиционирования гидрофонов. В конструкциях, примененных для постановки гидрофонов под водой, использованы специальные материалы, а также предусмотрены другие меры, позволяющие уменьшать влияние креплений гидрофонов на акустическое поле. Температура воды в измерительных бассейнах большинства участников составляла 17,5—21,1 °С. Поскольку на чувствительность гидрофона оказывает влияние значительное число факторов, эталоны сличений тщательно готовили к измерениям. Перед погружениями поверхности гидрофонов обезжиривали специальными моющими составами, гидрофоны продолжительное время выдерживали в воде в условиях, соответствующих градуировке. Режим холостого хода при измерениях напряжений обеспечивали большими входными сопротивлениями согласующих каскадов, при этом некоторые участники
Т а б л и ц а 1
Характеристики гидрофонов, подготовленных лабораторией-пилотом
Основная техническая характеристика Производитель, тип гидрофона
Bruel & ^г, 8104* RESON, ТС4034* USRD, Ш2**
Номинальная чув- -205,5 -218,0 -177,5
ствительность отно-
сительно 1 В/мкПа, дБ
Номинальная ем- 7800 3000 —
кость, пФ
Длина встроенно- 10 10 30
го кабеля, м
Неравномерность
направленности, дБ
в вертикальной ±2 ±2 ±2
плоскости
в горизонталь- ±2 ±2 ±2
ной плоскости
Частотный диапа- 10—200 100—500 1—100
зон, кГц
* Встроенный предварительный усилитель отсутствует. ** Усилитель имеет напряжение питания 24 В, выходной импеданс 35 Ом, 100 мкФ.
вводили также соответствующие поправки для коррекции результата измерений. Условия свободного поля обеспечивали радиоимпульсным режимом излучения и приема сигналов. Подробности об измерительных установках и процедурах измерений приведены в [7].
Во ВНИИФТРИ на частотах менее 340 кГц измерения выполняли в гидроакустическом бассейне 10-6-6 м на комплексе К-3 государственного эталона единицы звукового давления в водной среде (ГЭТ 55—91). Градуировку гидрофона ТС4034 в диапазоне частот 340 — 500 кГц проводили в малом бассейне 1,6-1,1-1,0 м на комплексе К-4 ГЭТ 55—91. Температура воды в большом и малом бассейнах составляла соответственно 14,5 и 19,5 °С. Оба бассейна оборудованы автоматизированными координатно-поворотными системами, обеспечивающими ориентацию преобразователей по углу с погрешностью не более ±1°, угловые перемещения — ±0,5°, линейные перемещения — ±0,5 мм, выравнивание по глубине при позиционировании преобразователей под водой — ±2 мм. Координатная система большого бассейна позволяет устанавливать три набора вспомогательных преобразователей одновременно, что обеспечило возможность абсолютной градуировки эталонов сличений в их частотных диапазонах без переустановок преобразователей. В качестве вспомогательных преобразователей применяли комплект излучателей и обратимых преобразователей, разработанных и изготовленных во ВНИИФТРИ. Комплект состоит из четырех пар бескорпусных гидрофонов, выполненных на основе пьезоэлектрических сфер диаметрами 80, 40, 20 и 7 мм.
В большом бассейне гидрофоны фиксировали на натянутых под водой титановых струнах с помощью зажимов малых размеров, изготовленных из пластика. При измерениях в малом бассейне гидрофоны устанавливали под водой на тонких титановых штангах. Перед каждым погружением поверхности гидрофонов и их креплений обезжиривали спиртом. Качество воды, заполнявшей измерительные бассейны, проверяли перед измерениями по методике, изложенной в [8]. Селекцию отраженных границами бассейна и поверхностью воды акустических сигналов обеспечивали радиоимпульсным режимом излучающих и приемно-изме-рительных трактов эталонных установок. Временной интервал между излученными импульсами составляет не менее 1 с и превышает время реверберации в бассейнах. Применение в установках систем «жесткой» синхронизации фазы излученного импульса, широкополосных аналоговых фильтров «шторного» типа, узкополосных цифровых фильтров, режима когерентного накопления сигналов обеспечивает минимальные искажения формы измеряемого импульса, подавление синфазной электрической помехи не менее чем на 18 дБ, уровень отношения сигнал — шум при измерениях в пределах 40—60 дБ. Нелинейность амплитудной характеристики измерительных трактов установок в динамическом диапазоне измерений не превышает 3,5 %. Сопротивление входных цепей усилителей не менее 100 МОм, входная емкость не более 50 пФ. Нестабильность калиброванного сопротивления в цепи обратимого преобразователя не более 0,1 %, нестабильность частоты генераторов не более 0,01 %. Для каждого эталона сличений выполнялось не менее пяти градуировок. Значение заявленной ВНИИФТРИ расширенной неопределенности составляет от 2,2 % (0,19 дБ) в частотном диапазоне 1—150 кГц до 3,5 % (0,30 дБ) в диапазоне частот 160—500 кГц независимо о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.