Підвищення точності калібрування гідрофонів у водному середовищі

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі - підвищення точності калібрування гідрофонів, що використовуються для визначення параметрів акустичного виходу ультразвукового медичного обладнання під час процедур оцінки відповідності та калібрування. З огляду на широкий спектр ультразвукових пристроїв як вітчизняного, так і іноземного виробництва, в Україні існує потреба у створенні систем для вимірювання параметрів акустичного виходу випромінювачів, а також еталонної бази для калібрування гідрофонів. Це забезпечить єдність і простежуваність ультразвукових вимірювань та їх міжнародне визнання. Запровадження у 2017 році національного державного первинного еталона одиниці ультразвукового тиску у водному середовищі НДЕТУ AUV-02-2018 стало важливим кроком у цьому напрямі. Однак, для забезпечення простежуваності вимірювань до одиниць SI та міжнародного визнання еталона НДЕТУ AUV-02-2018 необхідно встановити його ступінь еквівалентності аналогічним еталонам інших країн через процедуру звірення. Для успішного проходження звірення невизначеність еталона НДЕТУ AUV-02-2018 має бути приведена у відповідність до рівня найкращих міжнародних зразків шляхом зменшення невизначеності вимірювань. У роботі здійснено огляд типів гідрофонів та аналіз методів їх калібрування у водному середовищі. Подано схеми алібрування для кожного методу із зазначенням їх переваг і недоліків, а також проведено аналіз щодо точності, складності реалізації та застосовності у різних умовах експлуатації, враховуючи потреби та можливості економіки України. Запропоновано реалізацію методу калібрування з детальним описом технічних характеристик та умов проведення вимірювань. Визначено основні складові невизначеності методу калібрування, згідно з якими сформовано бюджет невизначеності для оцінки розширеної невизначеності калібрування гідрофона на еталоні НДЕТУ-AUV-02-2018. Запропоновано алгоритми дослідження ефективної площі та радіуса ультразвукових перетворювачів, які входять до складу еталона НДЕТУ-AUV-02-2018, отримано їх значення на робочих частотах та оцінено стандартну невизначеність цих параметрів. Проведено аналіз розрахунків коефіцієнтів дифракційних втрат двома методами з оцінкою меж похибки. Виміряно електричні параметри ультразвукових перетворювачів і підсилювача потужності для перевірки коректності використання коефіцієнта шунтування як поправки у математичній моделі передавальної характеристики гідрофона. Запропоновано удосконалену математичну модель передавальної характеристики гідрофона на основі методу взаємності із двома перетворювачами. Представлено результати калібрування гідрофонів на еталоні НДЕТУ AUV02-2018 (Україна) та у НМІ РТВ (Німеччина). Виконано порівняльний аналіз результатів калібрування для підтвердження коректності застосування удосконаленої математичної моделі передавальної характеристики гідрофона та їх узгодженості. На основі отриманих узгоджених результатів підтверджено вимірювальні і калібрувальні можливості еталона НДЕТУ AUV-02-2018. The thesis is devoted to solving an urgent scientific and technical task - improving the accuracy of calibration of hydrophones used to determine the parameters of acoustic output of ultrasonic medical equipment during conformity assessment and calibration procedures. Based on the wide range of ultrasonic devices, both domestic and foreign, there is a need in Ukraine to create systems for measuring the acoustic output parameters of emitters, as well as a reference base for calibrating hydrophones. This will ensure the uniformity and traceability of ultrasonic measurements and their international recognition. The creation of the National State Primary Standard of Ultrasonic Pressure Unit in the Water Environment AUV-02-2018 in 2017 was an important step in this direction. However, in order to ensure the traceability of measurements to SI units and international recognition of the NDETU AUV-02-2018 standard, it is necessary to establish its degree of equivalence to similar standards of other countries through the comparison procedure. For successful comparison, the uncertainty of the NDETU AUV-02-2018 standard should be made in accordance with the level of the best international standards by reducing the measurement uncertainty. The paper reviews the types of hydrophones and analyses the methods of their calibration in the aqueous environment. The calibration schemes for each method are presented, indicating their advantages and disadvantages, as well as an analysis of the accuracy, complexity of implementation and applicability in different operating conditions, taking into account the needs and capabilities of the Ukrainian economy. The implementation of the calibration method is proposed with a detailed description of the technical characteristics and conditions of measurements. The main sources of uncertainty of the calibration method are determined, according to which an uncertainty budget is formed to assess the extended uncertainty of the hydrophone calibration on the standard NDETU-AUV-02-2018. The algorithms for studying the effective area and radius of ultrasonic transducers, which are part of the standard NDETU-AUV-02-2018, are proposed, their values at operating frequencies are obtained, and the standard uncertainty of these parameters is estimated. An analysis of the calculation of diffraction loss coefficients by two methods with an estimation of error limits is carried out. The electrical parameters of ultrasonic transducers and a power amplifier were measured to verify the correctness of using the shunt coefficient as a correction in the mathematical model of the hydrophone transmission response. An improved mathematical model of the hydrophone transmission response based on the method of reciprocity with two transducers is proposed. The results of the hydrophone calibration on the standard of NDETU AUV-02-2018 (Ukraine) and in NMI PTB (Germany) are presented. A comparative analysis of the calibration results is performed to confirm the validity of the improved mathematical model of the hydrophone transmission response and their consistency. On the basis of the obtained consistent results, the measuring and calibration capabilities of the NDETU AUV-02-2018 standard were confirmed.