ГОСТ IEC 62127-1—2015
± 10 дБ в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц. Кроме того, характеристика направленности большинства суще
ствующих керамических гидрофонов зачастую непредсказуема и может существенно отличаться от теоретиче
ских предположений [24]. [25].
В.9.2 Зондовые гидрофоны из ПВДФ
По внешней конструкции эти гидрофоны похожи на описанные выше керамические гидрофоны зондового
типа. Однако здесь в качестве активного элемента используют ПВДФ. Как правило, чувствительность холосто
го хода на конце однометрового кабеля такого гидрофона с активным элементом диаметром 1 мм составляет
0.12 мкВ/Па. а резонансная частота — выше 25 МГц. Аккуратно изготовленные образцы имеют ровную
частотную характеристику (± 1,5 дБ) и близкую к расчетной диаграмму направленности. Эффективный диаметр
таких гидро фонов очень близок к физическому диаметру активного элемента [10]. [25]—[27].
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. Выпу
скаются различные конструкции с разными типами электрического экранирования активного элемента. Важно, что
бы диаметр мембраны был значительно больше поперечного размера ультразвукового пучка, тогда она пропускает
большую часть ультразвука. В этой конструкции гидрофона радиальные резонансные моды в мегагерцовой об
ласти частот отсутствуют, и поэтому зависимость чувствительности от частоты не столь выражена. Как правило,
для активных элементов диаметром 1мм 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 40 МГц. Характеристика направленности близка к расчетной на всех частотах, включая и низкую
мегагерцовую 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 ультразвуковых
полей, волокно ориентируют таким образом, чтобы его торец был перпендикулярен к направлению распростране ния
ультразвуковой волны, т. е. так же. как и активный элемент в пьезоэлектрических гидрофонах зондового типа. При
такой конфигурации оптоволокно работает скорее как внешний, а не внутренний чувствительный элемент, ос новная
функция которого заключается в простой передаче когерентной волны света к кончику волокна, где и проис ходит
процесс преобразования. Для создания отраженного светового сигнала, на который воздействует акустиче ское
поле, разработаны три основные конструкции. В наиболее простейшей из них волокно без оболочки 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 оптоволоконного гидро
фона учитывают следующие обстоятельства:
a) для гидрофонов, основанных на изменении показателя преломления, например, на торце оптоволокна [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 =
[(лс - лл)/(лс +
nJ/P,
где
пс
и
пш
— 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 гложет быть уменьшено применением более мощных источников света или
более чувствительных фотодетекторов. Торец волокна устойчив к повреждениям, но все-таки подвержен им при
воздействии кавитации. В таком случае поврежденный торец допускается отрезать без существенного изменения
чувствительности гидрофона. Иной модификацией гидрофона этого типа будет использование на торце волок
на 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-Леро [35]—[40].
В качестве альтернативы оптически сложному двухлучевому интерферометру, но с сохранением высокой
чувствительности, может быть интерферометр Фабри-Перо. если на торце оптического волокна установить ячей ку
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 некото
рые способы компенсации этих эффектов [41]—[44]. Были разработаны также гидрофоны на основе интерферо
метра Фабри-Перо с плоскими подложками. Их преимущество состоит в возможности использования матрицы (ре
шетки) датчиков [45]. [46] и устранении влияния эффектов акустического резонанса в оптоволокне на частотную
характеристику гидрофона [47].
33