ГОСТ Р МЭК 62127-1— 2009
В.9.3 Мембранные гидрофоны на основе ПВДФ
Гидрофон этого типа состоит из тонкой пленки из ПВДФ, натянутой на кольцеобразную рамку. Электроды
напылены на обе поверхности, и область их перекрытия после ее поляризации образует активный элемент.
Выпускаются различные конструкции с разными типами электрического экранирования активного элемента.
Важно, чтобы диаметр мембраны был значительно больше поперечного размера ультразвукового лучка, тогда она
пропускает большую часть ультразвука. В этой конструкции гидрофона радиальные резонансные моды в
мегагерцевой области частот отсутствуют, и поэтому зависимость чувствительности от частоты не столь выраже на.
Как правило, для активных элементов диаметром 1 мм чувствительность холостого хода мембранного
гидрофона на конце кабеля длиной 0.7 м составляет около 0,10 мкВ/Па, а резонансная частота для пленки
ПВДФ толщиной 0.025 мм приблизительно составляет 40 МГц. Характеристика направленности близка к расчет ной
на всех частотах, включая и низкую мегагерцевую область, где поверхностные волны приводят к росту боковых
лепестков диаграммы направленности ([11]. [25]. [28]. 29]).
В.9.4 Оптоволоконные гидрофоны
В оптоволоконных гидрофонах, разрабатываемых для измерений параметров медицинских ультразвуко
вых полей, волокно ориентируют так. чтобы его торец был перпендикулярен к направлению распространения
ультразвуковой волны, т. е. тах же. как и активный элемент в пьезоэлектрических гидрофонах зондового
типа. При такой конфигурации оптоволокно работает скорее как внешний, а не внутренний чувствительный
элемент, основная функция которого заключается в простой передаче когерентной волны света к кончику
волокна, где и происходит процесс преобразования. Для создания отраженного светового сигнала, на который
воздействует акустическое поле, разработаны три основные конструкции. В наиболее простейшей из них
волокно без оболоч ки уложено в форме прямого круглого цилиндра. В двух других конструкциях для получения
чувствительности, сравнимой с чувствительностью пьезополимерных гидрофонов, применяют
технологическую доработку торца оптоволокна, однако собственно конструкция достаточно проста и
ремонтопригодна. При выборе типа оптоволо конного гидрофона учитывают следующие обстоятельства:
a) Для гидрофонов, основанных на изменении показателя преломления, например на торце оптоволок
на [21]
В наипростейшем случае свет от лазерного светодиода передается по многомодовому волокну к зачищен
ному торцу. Хорошей аппроксимацией для коэффициента отражения R по интенсивности будет выражение:
R = [(пс - nwV(nc + f?w)}2, где пс и п„ — коэффициенты отражения сердцевины волокна и воды соответственно.
Изменения давления в акустической волне вызывают изменения плотности, а значит, и показателей преломле
ния. а также и интенсивности отраженного света. Минимальное значение определяемого изменения давления
составляет 0.5 МПа. но это значение может быть уменьшено применением более мощных источников света
или более чувствительных фотодетекторое. Торец волокна устойчив к повреждениям, но все-таки подвержен им
при воздействии кавитации. В таком случае поврежденный торец допускается отрезать без существенного
измене ния чувствительности гидрофона. Иной модификацией гидрофона этого типа будет использование
на торце волокна толстого стеклянного блока ([30]. [31]).
b
) Для гидрофонов на основе двухлучевого интерферометра [32] — [34]
Для повышения чувствительности торец волокна может быть выполнен зеркальным и встроен в одно из
плеч двухлучевого интерферометра. Изменение фазы светового сигнала из-за перемещения торца волокна про
порционально акустическому смещению или (при применении техники гетеродинирования) скорости частиц
среды, по которым может быть вычислено значение акустического давления.
c) Для гидрофонов на основе интерферометра Фабри-Перо [35] — [40]
В качестве альтернативы оптически сложному двухлучевому интерферометру, но с сохранением высокой
чувствительности, может быть интерферометр Фабри-Перо. если на торце оптическоговолокна установитьячейку
Фабри-Перо. При прохождении света по оптоволокну возникают отражения от поверхностей раздела волокна и
ячейки, ячейки и нагрузки (воды). Коэффициенты отражения определяют по формуле Френеля для необлицован-
ной ячейки или по материалу и толщине покрытия поверхностей ячейки.
Отмечены различные причины искажений сигнала оптоволоконными гидрофонами и исследованы неко
торые способы компенсации этих эффектов [41] — [44]. Были разработаны также гидрофоны на основе интерфе
рометра Фабри-Перо с плоскими подложками. Их преимущество состоит в возможности использования матрицы
(решетки) датчиков [45]. [46] и устранении влияния эффектов акустического резонанса в оптоволокне на частот ную
характеристику гидрофона [47].
В.9.5 Сравнение характеристик гидрофонов различных типов
Выбор конкретного типа гидрофона для определенных измерений будет зависеть от множества факторов.
При наличии многочисленных разновидностей конструкций гидрофонов рассмотренных выше типов невозмож
но выработать однозначные рекомендации по выбору наиболее подходящего гидрофона. Тем не менее, во
внимание могут быть приняты следующие положения:
a) Мембранный гидрофон имеет меньшую неравномерность частотной характеристики чувствительности,
чем гидрофон зондового типа.
b
) Чувствительность гидрофона с керамическим активным элементом, как правило, выше чувствитель
ности гидрофона с активным элементом того же самого диаметра из ПВДФ.
32