声学水声换能器自由场校准方法

声学水声换能器自由场校准方法

国家标准 GB/T3223-g4 声学水声换能器自由场校准方法 AcousticsFree-fieldcalibrationmethodof underwatersoundtransducers 1994-12-27发布 1995-08-01实施 国家技术监督局 发布国家标准
次 主题内容与适用范围 1 引用标准 1 2 术语 互易法校准 比较法校准 5 附录A脉冲声校准技术(补充件 Gs 附录B水听器电压糊合损失的测定(补充件 a7) 附录c用标准衰减器测量电转移阻抗模(参考件 附录D用数字程控方式测量电转移阻抗(多考件 18 附录E互易常数表和灵敏度(或响应)与其级的换算表(参考件 18
国家标准 GB/T3223-94 声学水声换能器自由场校准方法 代替GB3223一882 Acoustics一Free-fieldcalbratiomethodof underwatersoundtransducers 主题内容与适用范围 本标准规定了水声换能器在自由场球面波条件下的校准方法;互易法和比较法 本标准的互易法适用于校准标准水听器和标准声源;比较法适用于校准测量水听器和水声发射器 频率范围为几百赫到几兆赫 本标准所有的测量都是在稳态条件下进行的 当被校水声换能器的性能与环境条件(如温度、静压等)有关时,应在校准结果中说明这些环境条 件 引用标准 GB394？声学名词术语 GB3102.7 声学的量和单位 GB3238声学量的级及其基准值 GB3240声学测量中的常用频率 术语 3.1几何声中心geometricalacousticcenter 是换能器结构或辐射表面的几何对称中心,如球形换能器的球心 注低频时有效声中心与几何声中心是一致的 3.2参考声中心referenceacousticcenter 是换能器上的某个指定点,用作描述其特性时的坐标原点 该点是任选的,一般为几何声中心 3.3水听器开路电压 opencircuitvoltageofhydrophone 水听器输出端没有电流流出时,在该点呈现的瞬时电压 单位为伏,V electricaltransfer 3.4换能器对的电转移阻抗Z判 impedaneeoftransducerpair 由发射器(F)和水听器(J)组成的换能器对,在某一频率下的电转移阻抗为,当换能器对置于声场 中,其主轴相对指向并位于一直线上时,水听器开路电压u与输入发射器的电流译的复数比 单位为欧 [姆],n 以数学式表示时为 Z到=4/i 其模和幅角分别为 Zzyl=|u/i,l=U/Ip,，=argZ们= 一中 国家技术监督局1gg4-12-27批准 1995-08-01实施
GB/T3223-94 式中;U -水听器开路电压的有效值,V 输入发射器电流的有效值,A， -水听器开路电压的相位,rad; 克 -输入发射器电流的相位,rad. 内， 注电转移阻抗与换能器对所处的声场电负载、环境等条件有关时,应同时指出这些条件 换能器对处于自由场远场条件下时,其电转移阻抗模与换能器对声中心间的距离d成反比 即 3 1zl.d一常数 35自由场[电压]灵敏度Mfree-field[votage]sensitivitsy 水听器输出端的开路电压u与在自由声场中引入水听器前存在于其声中心位置处的瞬时电压 的复数比值 单位为伏每帕,v/Pa 以数学式表示时为 M=u/p 其量值与相位分别为: M=|x/l=U/，$u4=内 5 夕 迷自由场灵敏度是对平面行波而言 其相对于平面波传播的指定方向,一般为灵敏度最大的方向,声中心一般为参 考声中心,它们均应在水听器上明确标出 其输出端和频率在给出灵敏度时也应指明 自由场灵敏度的复数值和量值果用同一符号M,若不加说明一般指量值 式(4)中的自由场声压的瞬时值和有效 值也用同一符号 自由场灵敏度的相位为水听器开路电压以和自由场瞬时声压内间的相位差 3.6自由场[电压]灵敏度[级]Mfree-field[voltage]sensitivitylevel 自由场灵敏度的量值M与基准灵敏度M,之比的以10为底的对数乘以20 单位为分贝,dB. 以数学式表示时为 M，=20lg(M/M, .6 注，自由场灵敏度的基准值M,为1V/paPa 3.7发送电流响应Stransmitingcurentresponse 在某颜率和指定方向上,离发射器声中心参考距离d,处的瞬时声压内,和该参考距离的乘积与输 入至其电端的电流i的复数比值,多考距离为1m，单位为帕米每安,Pa ”m/A 以数学式表示时为: S=pd/i 其量值与相位分别为: s,=lp,d,/i=户ad,/I，内，一内一内 8 迷发射器的指定方向，一般为主袖方向;声中心一般为多考声中心,它们均应在发射器上明确标出 其输入端 可任选)和频率在给出发送电流响应时也应指明 发送电流响应的复数值和量值采用同一符号S,,若不加以说明,一般指其量值.式(8)中的声压的瞬时值 和有效值也用同一符号 发送电流响应的相位内,为d处的瞬时声压内与电流之间的相位差 3.8发送电流响应[级] Stransmittingcurrentresponselevel 发送电流响应的量值S与其基准值Sn之比值的以10为底的对数乘以20 单位为分贝,dB
GB/T3223一94 以数学式表示时为: s=2olg(Sn/Sn 注;发送电流响应的基准值为1APa”m/A 发送电压响应Stransmittingvoltageresponse 在某频率或指定方向上,离发射器声中心参考距离d处的瞬时声压和该参考距离的乘积与加 到输入电端的电压以的复数比值 参考距离为1m 单位为帕米每伏,Pa”m/V 以数学式表示时为 Sv=,d/u 10 其量值和相位分别为 S,=|pgd,/u|=d/U，失， = (11 尖 注:同3.7的注 level 3.10发送电压响应[级] S transmittingvoltageresponse 发送电压响应的量值IS,|与其基准值Sv之比值的以10为底的对数乘以20 单位为分贝,dB. 以数学式表示时为; (12 S= 20lg(Sy/Sn 注;发送电压响应的基准值为1pPa”m/N 3.11电声互易原理 electroacousticreciproeityprinciple -个线性无源,可逆的电声换能器,用作水听器时的搂收灵敏度和用作发射器时相应的发送响应 之比与换能器本身结构无关的原理 注，上述比值为一常数,称为互易常数 此常数与换能器所处的声场性质有关,在自由场球面波条件下,有; (13 ，=M/S=- 4,卡 其中 星=一冈，了一 十p，A=是=" (14 自由场球面波互易常数,m's/kg" 式中;. M 自由场灵敏度,V/Pa; 发送电流响应,Pa”m/A 媒质的害度,kg/m'; 频率,FHz; 复角波数,m 参考距离( =lm,mm 传播系数,m 衰减系数,dB/m; 相位系数,rad/m; 角波数,m-' 角频率,rnd/st -声速,m/s. 互易法校准 4.1原理
GB/T3223一94 互易法校准是根据互易换能器遵守的电声互易原理进行校准的一种绝对校准方法 该法箭用三个 换能器,其中至少有一个互易换能器(H),另二个是发射器(F)和水听器(J),这二个换能器只要求满足 线性条件.在自由场远场中按图1所示组合,作三次测量,分别测量每换能器对输入发射器的电流之和、 水听器的开路电压u,或其电转移阻抗Z,就能获得水听器和互易换能器的自由场灵敏度及互易换能 器和发射器的发送电流响应 d 1) de Pd.F (2 d 3 图1 在第一组测量中,发射器(F)在离其声中心校准距离d处的水听器(声中心处的自由场远场声压 4略去时间因子e"'后为 iSr ed,-m e试d- 尝 (15 Pu,F= d 式中户离发射器F)声中心参考距离山处的声压,P; 参考距离(=1m),ms d -输入发射器(F)的电流,A; -发射器(F)的发送电流响应,Pam/A Sp" 复角波数,m-！ 则其电转移阻抗Z为: MSr e述d- Z=u判/i=Ue/p.到户.到/i 16 = de 式中;us1 -水听器(J)的开路电压,V; M水听器(J)的自由场灵敏度,V/Pa 同样对第二组测量,发射器(F)发送,互易换能器()接收时的电转移阻抗Zm为 MSm/dm)e浦d- n/i' Z=up (17 式中;u -互易换能器(H)的开路电压,V; '， 输入发射器(F)的电流,A M -互易换能器(HD)的自由场灵敏度,v/Pa; -发射器(F)和互易换能器(H)的声中心之间的距离,m deH 对第三组测量,互易换能器(D)发送水听器4)楼收时的电转移阻抗zm为 Zw =uw/i=MSm/dwe崖d,-4w” 18 式中;uw -互易换能器(H)发送时水听器J)的开路电压,V iH输入互易换能器(H)的电流,A;
CB/T3223一94 S用 互易换能器(H)的发送电流响应,Pa”m/A; 互易换能器(H)和水听器(J)的声中心之间的距离,m d用 由式(16)和式(17)可得 zw/Zz=(Mwdim/Mad)山" (19 由式(18)和式(13)可得: e*号-du Z绀=MMm/dn) (登 ---#? 20 由式(19)、(20)就可获得水听器(J)和互易换能器(H)的自由场灵敏度 1ZZ.dd d,十一 e[ M= 21 Zm dpH ZZ型.dmd里.三e科d,n十有一)lt Mn- - (22 矛 dp 及发射器(F)和互易换能器(H)的发送电流响应 鱼;Z.s .deD e .ed+d- 向-圳 Sr 23 e 2 Z彻 Zm s .dde e[wdn十dgw- 叫扒 SrH= el 24 Zp d 4.1.1水听器自由场灵敏度的量值 由式(21)和(14),水听器自由场灵敏度的量值为: ZnZ型.ddsy e(d+du-pw M= 25 d 在600kiH以上声衰减已不能忽略,由于衰减系数的误差将使水听器校准产生较大的测量误差 但 若在校准中,使校准距离d叫=d十dg,及d=d围=d,则式(25)指数项为1,式(25)成为 M=|Zz"Zu/zmld/p/ 26 若在校准中使;=f则上式可写成， Mn=lu”u4u/(uri)Id/pf) 27 如用自由场灵敏度级来表示,则式(26),(27)为 M，=2olg(Mo/M, 12ug1zn|2alglZul一2uglz叫l十2ulkg(受+)一120 28 . M=2olg(Ma/M, 十J.一120 -(20lglul十20lgluul一20lgluH|一20lginl+ a叫ks尝 29 上式中人=2us(e/e门-6.0-2g"一2ue/此值可以在附录E的表E中查到 4.1.2水听器自由场灵敏度的相位
GB/T3223一94 由式(21式(14),水听器自由场灵敏度的相位为; =argM={argZ判十argZw一argZ十k(d十d绀一d 30 由上式可见,校准距离dda、d细和声速c的测量误差对相位的误差影响很大,特别是d的测量， 如在水中100kH时，1mm(当d=1m时,此仅为0.1%)的测量误差引起的相位误差为12" 如同 41.1条中若使d叫=d十dn,则式(30)成为 (31 argZ十agZu一angZm- 贡 Au= 由于式(31)中消去了更和d,相位校准的误差可减至最小,而使相位校准能以实现 4.2频率限制 互易法校准在理论上对校准频率不存在任何限制,但由于实施中技术上的原因而有一定的限制 421高频限制 -定尺寸的换能器,校准时所需的最小距离,随频率增加而加大(见43.4条),对于连续正弦 对于一 信号或有一定带宽的噪声信号(在不考虑指向性的情况下),直达声与反射声的相对幅值比与其声程比 成反比,因此来自边界的反射声对直达声的干扰也随校准距离的增加而增大 当其相对幅值比大于 30dB,即反射声的声程比直达声的声程大于30dB时,反射声的影响将不大于0.3dB 在相位校准此要求应更高些,其比值至少应大于40dB 又在式(31)中校准距离d虽已不出现,但 实际上只是将由d引起的误差可减至最小,并没有真正消除 当频率较高时,这一影响将仍很显著,且 随频率增高而加大,故实际上相位校准一般不大于几十千赫 4.2.2低频限制 -般压电型换能器,在低于其谐振频率下,发送电流响应与频率成正比地减小,当颜率低至某一值 时,它在水听器处产生的声压比环境嗓声不大于30dB时,不符合互易法校准的要求,此条件限制了校 准的最低频率 用脉冲声技术校准时,由稳态测量条件等的要求 声脉冲中应包含的最小周教不能少于两个,有限 水域的大小限制了声脉冲能具有的最大宽度,此条件也决定了能校准的最低频率 43校准前的准备 换能器的准备 在校准前应使用清洁剂将换能器所有表面擦洗干净,并浸泡于水中至少半小时,使换能器表 面充分湿润,不附有气泡,最好在换能器的辐射面或接收面上涂以湿润剂,以确保与水有很好的声绸合 这些要求是否满足,可在校准中看其电转移阻抗是否稳定不变来检验 对只进行幅值校准时,只要求电 转移阻抗模稳定不变,若作相位校准,还要求电转移阻抗的幅角也稳定不变 换能器应预先在测试环境中所需深度处放置一定时间 一般不少于半小时,使换能器与环境 温度、压力达到平衡,以保证换能器的性能在测试中保持稳定不变 4.3.1.3换能器应采用细线或弹性支架等方式悬挂,以避免由于支架引起的声反射或结构噪声干扰等 造成对换能器灵敏度的影响 43.1.4若在水池中进行测试时,应经常使水池的水保持干净,注意避免由于水质污染引起对测试的 影响 4.3.2自由场球面波验证 在自由声场中,声谋在一定远处产生的声压呈球面发散波,即其声压户与离声源声中心的距离d 成反比 自由场验证就是验证此球面波传播规律是否成立 此关系可表示为 户=A/a 32 式中，产一离声谋声中心距离d处的声压.,P,
CB/T3223一94 常数 上式以对数形式表示时,有 33 lg户+lgd=lgA=C lxn gd 图2 若以lg户为纵坐标,lgd为横坐标,则此式在直角坐标中为一直线(图2) 任何使自由场条件不满 足的因素,例如边界反射、声源的近场效应、换能器间的反射等等,均表现为使实测点偏离理想直线 般以此偏差来度量自由场条件的符合程度,并以此量值来计算由声场条件引起的校准误差,在互易法校 准中,要求在校准处的声场偏差小于士0.5dB. 在开阔水域内进行校准时,仅由水面反射造成的最大声场偏差a可由式(34)估算 34 Aa=20lg(1十d/2h 式中;d校准时两换能器声中心间的距离,m; h换能器离水面的深度,m 若要求声场偏差Aa小于士0.5dB,则应有 h>8.4d 35 迷在检验声场时,若发现实测点与理想直线的偏差,随距离单调地增减,这可能是由于测试中,所选取的换能器声 中心不合适所致,这时需要先按43.3条的方法确定的声中心后再确定偏差Aa 433发射器和水听器的声中心的确定 对于对称性较大的(如球形、柱形等)发射器和水听器,其有效声中心常与几何声中心一致,故对这 样的换能器,常以几何声中心作为声中心.在一般情况下,特别当换能器的尺寸大于波长时,应测定换能 器的有效声中心位置加以修正 迷，声中心修正只对相值校准有需要,在相位校准中因灵教度和发送响应的定义以参考声中心为准而不需要修正 换能器的声中心是用类同检验自由场的方法确定的 设d为换能器的参考声中心与真正声中心 间的偏差,则声场中某处的声压为: 力=A/d”=A/(d十Ad) (36 式中:d" -由换能器的真正声中心量起的距离,m; -由换能器的参考声中心量起的距离,m 上式可写成 37 A/p=d十Ad 若以(4/p)为纵坐标,d为横坐标,则上式为一直线,Ad为d轴上的栽距(见图3),由Ad的测定就 确定了声中心的正确位置
GB/T3223一94 图3 注:在测定发射器的声中心时,应使用点接收器(即接收器的尺寸远小于声波的波长),测定水听器的声中心时,应 使用点声源 4.3.4校准距离的确定 互易法校准中的自由场远场条件,就是要求校准时两换能器的声中心间的距离足够大,使水听器处 于发射器的远场中 同时从水听器来看,所接收到的声波应相当于平面波,即由水听器所截取到的声波 的 一部分波阵面近似为一平面 对于敏感元件的最大尺寸分别为aa,的发射器和水听器,当校准距离d同时满足式(38)时 (a十)/A d>a及a 38> 则上述条件不满足而引起的校准误差将不大于0.2dB. 4.3.5换能器指定方向的选定 换能器的指定方向可以任意选择,但为了减少由换能器指向性引起的测试误差,其指定方向应选在 灵敏度(或响应)随方向变化较小的区域中的某一方向,因此应先测定换能器的指向性,以便正确选定方 向 换能器的指定方向一经选定,在每次校准中,均须对准此指定方向 436换能器输出端的选定 换能器的输出端，一般选在连接换能器的固定电缆的末端,也可选在换能器头处或外加延伸电缆的 末端 但一经选定,在整个校准过程中所有的电测量都必须在此输出端进行测量,校准所得到的灵敏度 或响应值也是此输出端的值 若需变更输出端,则应用插入电压法或阻抗法(见附录B)测定此两输出端 间的耦合损失后,求得新输出端的灵敏度或响应值 著在校准或测试中需用外加延伸电缆时,其换能器的电缆总长度应小于最高校准频率的电磁波波 长的十分之一 4.3.7换能器线性范围的验证 换能器的线性范围是其输入与输出之比值保持不变时输入量变化的范围 此比值对于发射器是输 入电流1与其在距离d处产生的声压之比,对于水听器是作用其上之声压户与其输出开路电压U之 比 检验线性范围的方法是测定按图4排列的换能器对(F-J)的电转移阻抗Z的模和幅角不随输入电 流1变化的范围 确定线性范围的判据为;在测量范围内,电转移阻抗模|Zl的变化当频率低于 100kHz时应不大于0.2dB;频率高于100kHz时应不大于0.5dB 若满足此条件,则认为此两换能器 (F-J)在此范围内都是线性的,其非线性误差将不大于0.2dB或0.5dB
GB/T3223一g4 口 图4 若电转移阻抗模|Zl随输入电流I发生变化,则需改变距离d或更换一换能器以判断是发射器 (F)还是水听器(J)呈现非线性,或此两换能器均非线性 对于互易换能器应同时测定用作发射器时和 用作水听器时的线性范围 4.3.8互易换能器互易性的验证 互易换能器互易性的检验就是看在其线性范围内是否遵守电声互易原理 测试方法是测定按图5 排列的换能器对(F-H)的转移电阻抗z丽和z细的模和幅角相等的范围 对量值校准,互易性的判据为 此两值之差当频率低于100kHz时应不大于士0.5dB;当频率高于100kHz时应不大于士1.0dB.若此 要求满足,则此两换能器(F,H)均为互易换能器,若不成立则应逐个调换换能器以判断是换能器(F)还 是(H)不互易,或是两换能器都不互易 图5 注在检验互易换能器的互易性时,一般不能用在结构上完全一样的两个换能器来检验,以避免由于可能出现此两 换能器的线性或非线性相同而无法由zml=Izwl来判断是否互易 4.4测量 按4.1条的校准公式(26).(<27).(29),需要测量的量为;频率手,水听器的开路电压u,输入发射器 的电流i或换能器对的电转移阻抗Z,媒质的密度p和校准距离d 4.4.1测量信号类型与频率 校准用的信号可以是连续的或脉冲调制的正弦信号,也可以用有一定带宽的嗓声信号 当使用脉冲调制正弦信号校准时,为了获得相当于连续正弦信号校准的结果,脉冲宽度应满足使换 能器在测量时达稳态条件的要求(见附录A).当使用一定带宽的嗓声信号校准时,应指明嗓声信号的带 宽 校准时所用信号频率(对一定带宽的嗓声信号为其中心频率)应包含国家标准GB3240中频率系 列所规定的颜率 在一般情况下,校准时的频率间隔应小于1/3倍频程,在被校换能器的共振蜂附近,其 频率间隔则应更小些;以使能获得正确表示此换能器特性的数据 信号频率了可用一般数字频率计测量,其准确度应优于士0.2% 442水听器开路电压的测量 水听器的开路电压出,可以直接用电压表进行满量,为了能正确的谢得开路电压;,要求电压表的输
GB/T3223-94 人阻抗比水听器的输出阻抗大1000倍 若只测量其量值,则大100倍就可以了,由此影响开路电压谢 重的误差将不大于01 若电压表的输入雁执达不到上迷婆求及当水听器带有前置放大器并需要为 量水听器头处的开路电压时,可用插入电压法测量(见附录B). 直接测量开路电压时,由于校准公式(27)中分子,分母上欲测的电压数相同,只要被测值都在同一 量程内,则不要求电压表有很高的准确度,只要其线性和稳定线性的误差应小于0.1dB 输入发射器电流的测量 4.4.3 测量输入发射器的电流,通常有两种方法,一是用电流变换器测量,将其初级串接于发射器的高电 位端,电流变换器应采用圆环形的屏蔽变换器,其初级的阻抗很低,且对次缓和地的电容很小,因而它的 接入不致影响发射器的工作状态 要求电流变换器灵敏度的准确度优于1%. 另一种方怯是在发射器的低电位端串接一标准电阻器R,测量此R上的电压来得到 为了避免对 地的杂散电容对测量的影响,标准电阻器的电阻应小于发射器复阻抗实数部分的1%,且不大于几个欧 姆,电阻的准确度应优于1%. 上述方法中测量电流变换器次级电压或标准电阻器上的电压用的电压表的要求同4.4.2条 电转移阻抗的测量 4.4.4 电转移阻抗乙可用44.2和443条测得的水听器开路电压“和输入发射器电流】后计算得其模 z,也可用标准衰减器来直接测量(见附录C) 标准衰减器的准确度应优于0.2dB 电转移阻抗的幅 角argZ z可用相位计或移相器,以信号发生器的信号作参考信号,分别测定水听器开路电压"和输入发 射器电流i的相位计算得,或直接测量出和;间的相位差 电转移阻抗乙亦可用如网络分析仪等类似的测斌仪器直接测得,也可用数字程控系统来测量(见 附录D),要求测量电压、电流比的量值的准确度优于0.2dB. 4.45电测时应注意的几个问题 4.45.1接地 测试系统应注意正确接地,要求整个系统一点接地,多点接地能因接地回路而产生电串音等的电干 扰.为此要求发射器(互易换能器)的两输出端不能与水接通,发射器(互易换能器)与水接触的金属外壳 应通过电缆的屏蔽线接地 445.2防止电干扰 在测量时应特别注意防止电感应漏电、串音等的电干扰 此类电干扰当用脉冲声技术测量时很易 观察到,对测量开路电压时,它位于直达声信号前 当用连续信号测量时,可以稍微改变频率,观察接收 信号是否发生周期性的变化,以检查有无电干扰存在 另外也可通过标准衰减器来判断,因此类电干扰 往往不通过衰减器,若发现衰减器的变化与指示器的指示有不正常现象时,说明可能有电干扰存在 有 电干扰存在时,应采取措施排除之,以保证测试的可靠性 电干扰对测量的影响应不大于士0.1dB. 445.3信噪比 在测量中,对幅值校准,信嗓比应大于30dB,则由此引起的测量误差将不大于0.01dB,对相位校 准,信噪比应大于40dB 在测试中可以使用滤波器来提高信嗓比,在脉冲声技术测量中,使用滤被器时 应注意带宽对测量的影响 4.4.6媒质密度的确定 媒质的密度 一般不作测量,可直接使用手册中给出的标准值 对于谈水,在0一20C温度范围内 若峦度p取10kg/m,则与实测值之差将不大于士0.3% 4.4.7校准距离的测址 校准距离d为两换能器的声中心间的距离,若发射器或水听器的声中心不明确时,应用4.3.3条所 述的方法确定声中心 若只校准自由场灵敏度的量值,校准距离有1%的准确度已足够了 若需校准相 位,这样的准确度远远不够了.若能使d=d十d细,则式(31)的校准公式中不出现d,于是d的准确度 可不予考虑 但必须保证dn=d十d的条件,在校准中三个换能器可按图6所示排成一直线 这三个 10
GB/T3223-94 换能器应固定在一刚性支架上,使其相对距离保持不变 在作F-丁测量时,水听器』的指定方向应指向 F,在作H-J测量时,水听器』应旋转180"指向H 当水听器J旋转时其轴线应不变,即其声中心的位置 不变,这样才能保证d十d绀=dm 在作F-H测量时,若水听器存在其中对测量有影响时,应将它提起 -定距离至不影响测量 图6 45校准不确定度 互易法校准中的误差来源可分两部分;系统误差和偶然误差.校准不确定度则为此二部分误差的综 合误差 系统误差是由于测试设备的准确度,测试环境的影响,校准时所要求的条件如自由场,换能器的线 性,互易性等的不满足程度所引起 此类误差一般可以通过提高测试设备的准确度,改脊测试环境相养 件来减小 若校准中均按43和44条的要求进行,则系统误差当频率低于100kiH时不大于 士0.5dB100kHt一1MH时不大于士1.0adB,高于1MH时不大于士1.5dB. 偶然误差是由测试中某些不明的偶然因素造成的,此类误差服从统计规律,因而可用多次测量来减 小 此项误差应控制在当频率低于100kH时为土0.5dB以内;00kiH~1MH时为士1.0dB以内 高于1MHh时为士1.5dB以内 这样互易法校准的不确定度当频率低于100kH时可优于0.7dB,100kH~1MH时可优于1.5 B;高手M时可优于2.0uB. 比较法校准 比较法校准是与标准水听器或标准声源比较的一种相对校准方法,它用来校准测量水听器,水声发 射器或其他换能器 比较法校准同样应在自由杨中进行,所有互易法校准中么2,4.3(除4.3.8外)及44条的要求对 比较法校准都适用 注在本标准中,比较法校准只考虑校准水听器自由场灵敏度和发射器发送响应的量值,不考虑校准其相位 5.1自由场灵敏度的校准 水听器自由场灵敏度的比较法校准有两种方法;一是与校准水听器比较;一是与标准声源比较 5.1.1与标准水听器比较 用此方法校准时,将发射器(F),标准水听器(P)及待校水听器(X)按图7所示排列,分别测量换能 器对(F-P),(F-x)的电转移阻抗模|zw和zxl,则待校水听器的自由场灵敏度M为 1
GB/T3223-94 M=(M|Zpx|/1Z那|)(dpx/dm 39 式中;M 标准水听器的自由场灵敏度,v/Pa; -发射器(F)和标准水听器(P)或待校水听器(X)的声中心间的距离,m dp,dpx 口 二口 图7 若校准时,使d那=dx,=r',,则上式成为 40 Mx=M,(Ux/Up -待校水听器(X)的开路电压,V; 式中:Ux" U那标准水听器(P)的开路电压,V 51.2与标准声源比较 按图8所示排列,测量由标准声源(P)和待校水听器(X)组成的换能器对(P-X)的电转移阻抗模 Z|,则可得到待校水听器的自由场灵敏度Mx: M=Usd/I,S岸=Zd/S 41 式中Ux待校水听器(X)的开路电压,v; Sp 标准声源的发送电流响应,Pa”m/A; -标准声源与待校水听器的声中心间的距离,m; 上 -输入标准声源的电流,A p 图8 5.2发送电流响应的校准 发射器(x)的发送电流响应Sn的校准,可按图9所示排列,测量发射器(X>和标准水听器(P)组成 的换能器对(x-P)的电转移阻抗模|zwl,则发射器(x)的发送电流响应S.为 Sx=Uwd/IM=|zld/M， (42 -待校发射器和标准水听器的声中心间的距离,m 式中:d 标准水听器的自由场灵敏度,v/Pa; M -标准水听器的开路电压,v, Ux x -输入待校发射器的电流,A 12
GB/T3223-94 只 图9 5.3发送电压响应的校准 校准发射器发送电压响应S时,将待校发射器(Xx)和标准水听器(P)按图10排列 则 S=(U./U.(d/M 43 式中:U -加到发射器(X)输入端的电压,V; U- 标准水听器的开路电压,V -发射器和标准水听器的声中心间的距离,m; -标准水听器的自由场灵敏度,V/Pa Mp 自- 图10 5.4校准不确定度 比较法校准的误差来源与互易法校准相同(见4.5条) 若测量开路电压U和输入电流1的电压表 的准确度当频率低于100kHz时优于士2%,高于100kHz时优于士5%,或测量电转移阻抗的标准衰减 器的准确度优于士0.5dB,及自由场偏差不大于士0.5dB,换能器的非线性当频率低于100kH时不大 于士0.2dB,高于100kHz时不大于士0.5dB,测量时信噪比大于20dB,校准距离的测量准确度优于士 2%,电阻或电流变换器灵敏度的准确度优于士2%,标准水听器的自由场灵敏度和标准声源的发送电流 响应的准确度当频率低于100kHz时优于士0.7dB;,100kHz~1MHz时优于士1.5dB,高于1Mz时优 于土2.0dB,则其系统误差当频率低于100kHz时将不大于士1.1dB,100kHz1MH时将不大于土 2.0dB,高于1MHz时将不大于士2.5dB,若将偶然误差控制在土1.0dB以内,则比较法校准的不确定 度当颊率低于100kHz时可优于1.5dB;100kHz~1MHz时可优于2.5dB,高于1MHz时可优于3.o dB 13
GB/T3223-94 附 录 脉冲声校准技术 补充件 在有限水域中进行自由场校准时,经常使用脉冲声技术的测试方法,此方法可以将由边界造成的声 反射对声场影响,从时间上分离开来而获得自由场条件 为了达到相当于连续信号校准的结果,在用脉 冲声技术测试时,对换能器的放置、脉冲竟度,脉冲重复周期以及测试设备的带宽等应同时满足以下各 项要求 A1换能器按图A1所示在水池中放置时,为了避免来自边界的声反射的影响,即使直达声与反射声分 开,则脉冲宽度(s)应满足下列条件: 一d A1 不<(V不千开 一d <(v/千巫 (A3 <(L一d 声波在水中传播的速度,m/s; 式中:e -两换能器之间的距离,mr L,B,H- 为水池的长、宽,深, ,m 图A1 A2当换能器的最大尺寸大于或等于波长时,换能器之间的反射应引起注意,欲避免此反射对测试的 影响,则脉冲宽度r(s)应满足下列条件 <2d/e A4 式中:d 两换能器间的距离,m; -声波在水中传播的速度,m/s 14
3223-9g4 GB/T A3为了使脉神声技术测试相当于连续信号测试,要求脉冲声波作用于换能器的时间是使换能器各部 分之间完成相互作用,则脉冲宽度)应满足下列条件 r>2'/e A5 式中;"沿声波传播方向上水听器的尺寸,m; 一声渡在水声中传播的速度,m/s" 为了使脉冲声技术测试相当于连续信号测试,脉冲宽度应足够大使换能器达稳态条件,特测是当 A4 换能器共振时,欲使脉冲声测试达到稳态值的96%以上,即与连续信号测试相比,实测值不小于理论值 的0.4dB,则脉冲宽度()应满足下列条件 r>Q/f A6 式中Q换能器的品质因数， -换能器的共振频率,比. A5为了使水池引起的混响不影响测试结果,则要求当接收到下一个直达声脉冲前所有的反射声应衰 减到直达声的40dB以下,即对测试的影响不大于0.1dB,则脉冲的重复周期丁应满足下列条件: (A7 T> 手了 水池的混响时间,s. 式中To A6为了保证脉冲声信号在测试过程中不发生睛变,则测试设备(如放大器,谴波器等)换能器等的带 宽A/tb)应满足下列条件" A>2/ A8 式中;- -脉冲宽度，s 录B 附 水听器电压耕合损失的测定 补充件 测定水听器电压祸合损失的方迭有二种;一是用插入电压法直接测定,另一种是测量水听器的等效 中联里抗与电负载阻抗后进行计算得到的测斌阻抗法 插入电压法 B1 图B1为用插入电压法测量水听器电压糯合损失的装置.通过接于水听器低电位端的插入电阻r引 入一已知的插入电压U,,以置换水听器接收声信号时产生的开路电压Uo,此法的测试原理可用图B2 的等效电路来说明 图中Z为水听器的等效串联阻抗,此阻抗不仅与水听器本身有关，还与它所处的 声场条件等有关.Z为与水听器连接的电负载(如电缆)或前置放大器的电阻抗,U为水听器连接电负 载后在电负载上产生的电压,则以分贝计的水听器的电压榈合损失4为 =2olg(U/U.=2olg(U/U, B1 15
GB/T3223一94 放 电 大 U U 器 示 战 精出 信号 电压丧 发生器 图B1 测试时,要求插入电阻r远小于总阻抗(Zo十Z),且尽量的小,一般为1~100n之间,以使此电阻 r的插入不影响水听器的耦合损失及减小噪嗓声拾音的影响 测量阻抗法 B2 根据图B2所示的等效电路,若测得水听器的等效串联阻抗Z及与其连接的电负载阻抗乙,同样 可以得到水听器的电压耦合损失,有 U=20lg(UL/Uo=2olg[Z/(Z十Z] B2 水听器 图B2 测量水听器的等效事联阻抗Zz,时应置于自由场中,电阻抗z ,z么均为复数值,难以精确测量,计 算亦比较复杂，-般不太使用 但当电负载仅为电缆时及在低频下,有z =1/aC,Z=1/C.,C,近似 为水听器的电容C为电缆的电容,这样式(B2)就成， AU=20lg[Co/C+Co] B3 这方法常被用来计算水听器低棚时的电压绸合损失及加接延伸电缆后灵敏度的降低 16
GB/T3223-g4 附录 用标准裹减器测量电转移阻抗模 参考件 用标准衰减器测量电转移阻抗模的装置如图C1所示 信 发 电 围 射 大 标准电阻 我 器 l=R 示波器 频率计 标准衰减器 图C1 测量时使输入发射器的电流通过标准电阻器R所产生的电压U,经过标准衰减器衰减a分贝 后与水听器的开路电压U比较并使之相等 此时有 eg=20lkg(/U)=20lg(RI,/U) =2olg(R/zl 亦即 C2 20lg|zZ判l=2olgR一ag 以此方法测量电转移阻抗模|zl,其测量准确度只取于标准衰减器的准确度,其他测试仪表只要 求在一次测量过程中保持不变,不必要求有较高的准确度 此方法对用脉冲声技术测量更有价值 若标准衰减器的准确度优于士0.2dB,电阻的准确度优于士0.1dB,则电转移阻抗模的测量误差将 不大于士0.22dB. 注:使用标准衰减器时,应注意阻抗匹配 图6所示为电阻R远小于标准衰减器特性阻抗的情况 由式(C2)则校准公式(28)可写成 M= a到一 十J，十C) C3 (Cn- a 式中: C4 C=20lgd十20lgR一6.0 =2lg(2/pf=6.0-20lgp一20lgf可在附录E的表E1中查到 若采用声脉冲技术校准时,只要在上图装置中于信号发生器与功率放大器之间插入脉冲调制器即 可,这时通过示波器来比较两信号使之相等 17
GB/T3223-94 附录D 用数字程控方式测量电转移阻抗 参考件 用数字程控方式测量电转移阻抗的装置如图D1所示: 进盘机 绘图机 打印机 IEE 488 c2 数字信号采集器 触发 她 放 黄 图D1 图中的数字信号采集器可以是数字信号波形分析器,也可以是仅作A/D变换的数字存储示波器和 麻态波形记录器,它们的AD变换分辨率应不低于意t. 附 录 E 互易常数表和灵敏度(或响应)与其级的换算表 参考件) 上1互易常数表 自由场球面波互易常数,为 2eed- , E1 == 此互易常数的量值当不计衰减时为 J= 员 E2 当用分贝数表示时有; ,=20lg(2/pf=6.0一20lgp一2olgf E3 18
GB/T3223一94 若取多=10kg/m',则上式成为 (E4 J，=一54.0一20lgf 式中频率手的计量单位为赫(Hz>.为了便于使用,将此式制成计算表列于表E1中 频率每增加10 倍,互易常数值应减小20dB 例如;当了f=63H时,J,=-90.0dB;当f=630H时,则J,=一90.0- 20.0=-110.0dB,当=63kH时,则J,=-90.0一60.0=-150.0dB. 表E1互易常数表J. dB f,Hz -76.9 一75.6 -76.3 一77.5 一78.1 -78.6 一79.1 79，6 10 一74.0 一74.8 -80.0 -80.4 -80.9 -81.2 -81. .6 -82.0 -82.3 -82.6 -82.9 83.3 20 30 -83.5 一83.8 一84.l 一84.4 一84.6 -84.9 -85.1 -85.4 -85.6 -85.8 0 86.0 -86.3 -86.5 一86.7 -86.9 -87.1 -87.3 -87.4 -87.6 87.8 50 -88.0 一88.1 一88.3 一88.5 -88.7 -88.8 -89.0 一89.l -89.3 -89.4 60 89.6 89.7 -89.9 一90.0 -90.1 -90.3 -90.4 -90.5 一90.7 -90.8 70 -90.9 -91.1 91.2 一91.3 -91.4 -91.5 -91.6 -91." 91.8 一92.0 -92.1 -92.2 -92.3 -92.5 一92.7 一92.9 93.0 80 -92. 一92.6 -92.8 -93.4 --93.7 -93.7 -93.8 一-93.9 90 -93.1 -93.2 -93.3 -93.5 一93.6 B2灵敏度(或响应)与其级的换算表 表E2为水听器的自由场灵敏度级与自由场灵敏度,或发射器的发送电流(或电压)响应级与发送 电流(或电压)响应的换算表 表中数值的单位,对于自由场灵敏度M为微伏每帕(AV/Pa),对于发送电 流响应S为帕米每安(Pam/A),对于发送电压响应S为帕米每伏(Pa”m/V) 当灵敏度(或响应 级每增加20dB,其相应的灵敏度(或响应)则增加10倍 例如自由场灵敏度级M=一211.3dB,则M= 27.2V/Pa,若M=-191.3dB(增加20dB),则M=272v/Pa(增加10倍) 同样,发送电流响应级 S,=148.7dB,则S=27.2Pa”m/A,若S=168.7dB(增加20dB),则S=272Pa”m/A(增加1Q 倍 表E2灵敏度(或响应)级与灵敏度(或响应)的换算表 0.7 M,dB 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.9 l.0 93.392.391.2 90.2 159 一200100.0 98.9 97.7 96.6 95.5 94.4 89.l 81.3 80.4 79.4 158 85.l 841 83.282.2 一201 89.1 88.1 87.l 86.l1 75.0 74.1 73.3 72.4 71.6 70.8 77.6 75.9 157 -20279.4 78.5 76.? 70.0 69.2 68.4 67.6 66.8 66.l 65.3 64.6 63.8 63.1 156 一20370.8 一20463.1 62.4 61.7" 61.0 60.3 59.6 58.9 58.2 57.6 56.9 56.2 155 -20556.2 55.6 55.0 54.3 53.7 53.l 52.5 51.9 51.3 50.7 50.l 154 -20650.1 49.6 49.0 48.4 47.9 47.3 46.8 46.2 45.7 45.2 44.7 153 -20744.7 44.2 43.7 43.2 42.7 42.2 41.7 41.2 40.7 40.3 39.8 152 37.6 36.7 36.3 -20839.8 39.4 38.9 38.5 38.0 37.2 35.9 35.5 151 19
GB/T3223一94 续表E2 0.4 0.7 0.9 M,dB 0.0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.8 34.3 33.9 33.5 33.1l 32.7 32.4 32.0 31.6 150 一20935.5 35.l1 34.7 3 31. 30.9 30.6 30.2 29.9 29.5 29.2 28.8 28.5 28.2 149 -21o31.6 26.3 26.0 25.7 25.4 25.1 28. 27.9 27.6 26.9 26.6 148 -211 27.2 .2 24.8 24.5 24.3 24.0 23.7 23.4 23.2 22.9 22.6 22.4 14？ -21225.1 22.1 21.9 21.6 21.4 21.1 20.9 20.7 20.4 20.2 20.0 146 -21322.4 21420.0 19.7 19.5 19.3 19.1 18.8 18.6 18.4 18.2 18.0 17.8 145 -21517.8 17.6 17.4 17.2 17.0 16.8 16.6 16.4 16.2 16.0 15.9 144 143 .5 -216 15.9 15.7 15.5 15.3 15.1 14.9 14.8 14.6 14 14.3 14.1 13.? 3.5 13.3 13.2 13.o 12.9 12.7 12.6 142 --217 13.8 14.1 14.0 1.7 1.5 2.0 1. 9 1l. .6 1.4 1.2 1 -21812.6 12.5 12.3 12.2 10.1 10.5 10.4 10.2 0.7 10.0 140 一21911.2 11.1 11.0 10.8 10.6 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 S,dB 0.9 0.8 注;灵敏度(或响应)c级]的基准值分别M,=1v/Pa;S;=1Pa”m/ AS=1APa”m/v. 附加说明 本标准由全国声学标准化技术委员会提出 本标准由科学院声学研究所、船舶工业总公司715所,721厂负责起草 本标准主要起草人徐唯义、薛耀泉、聂龙寿 本标准1982年10月12日首次发布,1994年12月27日修订 20