izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2022-12-58-63izmertech-1679Research ArticleАКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯACOUSTIC MEASUREMENTSЭквивалентный размер и акустический центр измерительного гидрофонаEquivalent size and acoustic center of measuring hydrophoneИсаевА. Е.IsaevA. E.

Александр Евгеньевич Исаев

г. п. Менделеево, Московская обл.

Alexander E. Isaev

Mendeleevo, Moscow region

isaev@vniiftri.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8197-8160ХатамтаевБ. И.KhatamtaevB. I.

 Булат Ильгизович Хатамтаев

г. п. Менделеево, Московская обл.

 Bulat I. Khatamtaev

 Mendeleevo, Moscow region

bulat_3004@mail.ruВсероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation2022310520230125863Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1679

Рассмотрена проблема, возникающая при амплитудно-фазовой калибровке гидрофонов методом взаимности и заключающаяся в нарушении согласованности характеристик гидрофона, которые указывает производитель. Нарушение указанной согласованности характеристик обусловлено необходимостью определять фазочастотную характеристику при калибровке гидрофона. Размеры приёмной части гидрофона и положение акустического центра производитель устанавливает по чертежу приёмной части и тем самым подменяет акустические параметры геометрическими. Для восстановления согласованности характеристик предложено определять положение акустического центра и эквивалентный размер приёмной части гидрофона по результатам акустических измерений. Показано, что смещение акустического центра гидрофона относительно его геометрического центра – характерное явление, а геометрический и измеренный акустически размеры активного элемента могут различаться. Для обеспечения единства акустических измерений предложено ввести понятие эквивалентного радиуса и уточнить понятие акустического центра гидрофона, а также стандартизовать способы их экспериментального нахождения. Полученные результаты актуальны для различных приложений (в том числе, экология моря, медицинские ультразвуковые исследования) при контроле фазовых характеристик элементов гидроакустических антенн различного назначения, при обеспечении идентичности фазочастотных характеристик измерительных каналов векторных приёмников и при решении задач, связанных с восстановлением формы акустического сигнала по напряжению, зарегистрированному на выходе приёмника.

The problem that arises during the amplitude-phase calibration of hydrophones by the reciprocity method and consists in the violation of the consistency of the hydrophone characteristics specified by the manufacturer is considered. Violation of the indicated consistency of characteristics is due to the need to determine the phase-frequency characteristic when calibrating the hydrophone. The manufacturer sets the dimensions of the receiving part of the hydrophone and the position of the acoustic center according to the drawing of the receiving part and, thereby, replaces the acoustic parameters with geometric ones. To restore the consistency of the characteristics, it is proposed to determine the position of the acoustic center and the equivalent size of the receiving part of the hydrophone from the results of acoustic measurements. It is shown that the displacement of the acoustic center of a hydrophone relative to its geometric center is a characteristic phenomenon, while the geometric and acoustically measured dimensions of the active element may differ. To ensure the unity of acoustic measurements, it is proposed to introduce the concept of an equivalent radius and to clarify the concept of the acoustic center of a hydrophone, as well as to standardize the methods of their experimental determination. The results obtained will be useful in monitoring the phase responses of elements of hydroacoustic antennas for various purposes, ensuring the identity of the phase-frequency characteristics of the vector receivers measuring channels, in solving problems related to restoring the shape of an acoustic signal from the recorded output receiver voltage, for various applications, including marine ecology, medical ultrasound, etc.

гидрофонамплитудно-фазовая калибровкаметод взаимностиакустический центр гидрофонаэквивалентный радиус активного элементаhydrophoneamplitude-phase hydrophone calibrationreciprocity methodhydrophone acoustic centeractive element equivalent radiusReferencesБазулин Е. Г., Соколов Д. М. Восстановление ультразвуковых изображений отражателей по неполным данным методом распознавания со сжатием // Акустический журнал. 2019. Т. 65. № 4. С. 520–532. https://doi.org/10.1134/S0320791919040038Bazulin E. G., Sokolov D. M., Acoustical Physics, 2019, vol. 65, no. 4, pp. 520–532. https://doi.org/10.1134/S1063771019040031Росницкий П. Б., Сапожников О. А., Гаврилов Л. Р., Хохлова В. А. Метод создания абсолютно плотных фазированных решеток для неинвазивной ультразвуковой хирургии с контролем степени нерегулярности расположения элементов // Акустический журнал. 2020. Т. 66. № 4. С. 366– 376. https://doi.org/10.31857/S0320791920040097Rosnitskii P. B., Sapozhnikov O. A., Gavrilov L. R., Khokhlova V. A., Acoustical Physics, 2020, vol. 66, no. 4, pp. 366–376. https://doi.org/10.1134/S1063771020040090Кузнецов Г. Н., Пудовкин А. А., Субботкин А. О. Уравнения для расчета амплитудно- и фазочастотных характеристик векторно-скалярного приемника типа «триполь» с временной задержкой сигнала монополя // Акустический журнал. 2021. Т. 67. № 4. С. 440–449. https://doi.org/10.31857/S0320791921040080Kuznetsov G. N., Pudovkin A. A., Subbotkin A. O., Acoustical Physics, 2021, vol. 67, no 4, pp. 421–429. https://doi.org/10.1134/s1063771021040084Cooling M. P., Humphrey V. F., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2008, vol. 55, рp. 84–93. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2008.619Cooling M. P., Humphrey V. F., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2008, vol. 55, рp. 84–93. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2008.619Hayman G., Robinson S. P., Phase calibration of hydrophones by the free-fi eld reciprocity method in the frequency range 10 kHz to 400 kHz, NPL Report AC1, 2007, pp. 1–23, URL: http://eprintspublications.npl.co.uk/id/eprint/3981 (дата обращения: 08.12.2022).Hayman G., Robinson S. P., Phase calibration of hydrophones by the free-fi eld reciprocity method in the frequency range 10 kHz to 400 kHz, NPL Report AC1, 2007, pp. 1–23, available at: http://eprintspublications.npl.co.uk/id/eprint/3981 (accessed: 08.12.2022).Umchid S., Gopinath R., Srinivasan K., et al., Ultrasonics, 49, 306–311 (2009). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2008.09.011Umchid S., Gopinath R., Srinivasan K., et al., Ultrasonics, 49, 306–311 (2009). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2008.09.011Harris G. R., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2011, vol. 58(11), рp. 2325–2333. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2011.2090Harris G. R., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 2011, vol. 58(11), рp. 2325–2333. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2011.2090Исаев А. Е. Точная градуировка приёмников звукового давления в водной среде в условиях свободного поля. Менделеево: ВНИИФТРИ, 2008. 369 с.Isaev А. Е., Tochnaja graduirovka priemnikov zvukovogo davlenija v vodnoj srede v uslovijah svobodnogo polja, Mendeleevo, VNIIFTRI Publ., 2008, 369 p. (In Russ.)Luker L. D., Van Buren A. L., J. Acoust. Soc. Am., 1981, vol. 70, pp. 516–519. https://doi.org/10.1121/1.386715Luker L. D., Van Buren A. L., J. Acoust. Soc. Am., 1981, vol. 70, pp. 516–519. https://doi.org/10.1121/1.386715Исаев А. Е., Матвеев А. Н., Поликарпов А. М., Щерблюк Н. Г. Измерение фазочастотной характеристики чувствительности гидрофона по полю методом взаимности // Измерительная техника. 2013. № 6. С. 56–59.Isaev A. E., Matveev A. N., Polikarpov A. M., Shcherblyuk N. G., Measurement Techniques, 2013, vol. 56, no. 6, pp. 706–711. https://doi.org/10.1007/S11018-013-0269-ZИсаев А. Е., Хатамтаев Б. И. Определение фазочастотной характеристики гидрофона по амплитудно-частотной характеристике // Измерительная техника. 2021. № 7. С. 48–53. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-7-48-53Isaev A. E., Khatamtaev B. I., Measurement Techniques, 2021, vol. 64, no. 7, pp. 580–585. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-7-48-53Исаев А. Е., Поликарпов А. М., Хатамтаев Б. И. Экспериментальное определение акустического центра измерительного гидрофона // Альманах современной метрологии. 2022. № 2(30). С. 56–71.Isaev A. E., Polikarpov A. M., Khatamtaev B. I., Experimental determination of the acoustic center of a measuring hydrophone, Al′manac of modern metrology, 2022, no. 2(30), pp. 56–71. (In Russ.)Хатамтаев Б. И., Щерблюк Н. Г. Акустический центр измерительного гидрофона и его экспериментальное определение // Измерительная Техника. 2022. № 10. С. 53–57. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-10-53-57Khatamtaev B. I., Shcherblyuk N. G., Izmeritel’naya Tekhnika, 2022, no. 10, рр. 53–57. (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-10-53-57Masahiro Yoshioka, Japanese Journal of Applied Physics, 2008, 47(5):3926-3928. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.3926Masahiro Yoshioka, Japanese Journal of Applied Physics, 2008, 47(5):3926-3928. https://doi.org/10.1143/JJAP.47.3926Исаев А. Е., Хатамтаев Б. И. Аналитическое представление комплексной частотной характеристики гидрофона // Измерительная техника. 2021. № 8. С. 16–20. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-8-16-20Isaev A. E., Khatamtaev B. I., Measurement Techniques, 2021, vol. 64, no. 8, pp. 622–627. https://doi.org/10.1007/s11018-021-01981-7Jacobsen F., Barrera-Figueroa S., Rasmussen K., J. Acoust. Soc. Am., 2004, vol. 115, pp. 1468–1473.Jacobsen F., B arrera-Figueroa S., Rasmussen K., J. Acoust. Soc. Am., 2004, vol. 115, pp. 1468–1473. https://doi.org/10.1121/1.1652036

The authors declare that there are no conflicts of interest present.