声学水声换能器测量

声学水声换能器测量

国家标准作 GB/T79652002 声学水声换能器测量 AcousticsMeasurementofunderwatersoundtransducers 2002-03-26发布 2002-12-01实施 发布 情家熊a盛益型点胃国家标准
GB/T7965-2002 目 次 前言 范围 引用标准 定义 基本电声参数 坐标系和数据表示法 测量方法的选择,测量条件及准备 自由场灵敏度和发送电流响应的互易法测量 自由场灵敏度的比较法测量 声压灵敏度的测量 10发送响应级的比较法测量 11水听器加速度灵敏度测量 12水听器相位一致性测量 13换能器阻抗和导纳的测量 指向性图案、波束宽度和最大旁瓣级的测定 12 14 15 指向性因数和指向性指数的确定 13 输人电功率的测量 16 15 17 辐射声功率的测量 17 18 电声效率的测量 19 19换能器带宽和机械品质因数的测量 20 附录A(标准的附录)常用换能器的声场邻近区判据 m 附录B(提示的附录)有关噪声场法测量的问题 附录c(标准的附录柱面波自由场互易常数中无的数值表 2r 附录D(标准的附录指向性因数、指向性指数的计算图表及公式 附录E(提示的附录参考文献 26
GB/T7965-2002 前 言 GB/T7965一1987《声学水声换能器测量》分为两个方面:基本电声参数;测量方法 本标准根据我国水声计量测试发展的现状,对GB/T7965一1987《声学水声换能器测量》进行了 修订,技术内容有所增加 本版与GB/T7965一1987版相比主要不同之处如下 对换能器阻抗和导纳的测量、输人电功率测量、机械谐振频率测量,换能器带宽测量、机械品质 因数测量和指向性图的测量计算进行了修改 -增加了声强法测量声功率的方法 增加了相位一致性测量方法和加速度灵敏度测量的标题 本标准自实施之日起,代替GB/T7965一1987 本标准由科学院提出 本标雅由全国声学标准化技术委员会归口 本标雅负责起草单位;船舶工业集团公司国营第七- 、科学院声学所、船舶重工 二 集团公司国营第六一 船舶重工集团公司第七研究院第七一五所,哈尔滨工程大学水声所 本标准主要起草人,郑进鸿、宋受、张丽英、郑士杰、田忠仁、薛耀泉、朱厚卿
国家标准 GB/T7965-2002 声学水声换能器测量 代替GB/T7965一1987 Acoustics一Measurementofunderwatersoundtransducers 范围 本标准规定一般水声换能器的主要电声参数的测量、计算和表示方法 本标准适用的频率范围为1Hz~1MHz 本标准所规定的测量方法也适用于一般基阵 大功率下的某些参数应按GB/T7967一2002的规定进行测量 引用标准 下列标准所包含的条文,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文 本标准出版时,所示版本均 为有效 所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性 GB/T3223一1994声学水声换能器自由场校准方法 GB/T37691983绘制频率特性图和极坐标图的标度和尺寸(neqIEC263:1975) GB/T3947一1996声学名词术语 GB/T4128一1995 声学 标准水听器(neq500:1974) GB/T41302000 声学水听器低频校准方法 GB/T79672002 声学水声发射器的大功率特性和测量 GB/T16165一1996声学水听器相位一致性测量方法 GB/T172511998声学水听器加速度灵敏度校准方法 定义 本标准采用GB/T3947中的定义 基本电声参数 基本电声参数的名称,符号,单位,测量和计算方法,适用的频率范围以及测量的不确定度见表1 表1基本电声参数 测量不 数 单 位 频率范围 符号 测量及计算方法 确定度 V/Pa 100Hz1MH 1.0dB 自由场汇电压]灵敏度 球面波自由场互易法 M 自由场[电压]灵敏度[级 柱面波自由场互易法 laB(基准值,1V/pn) 200Hz10kHzl.0dB 球面波自由场比较法 100Hz~1MH2 1.5dB 柱面波自由场比较法 200Hz~10kHz 1.5dB 噪声均匀场比较法 100Hz4kHz 2.0dB M 10Hz~2kHHn 1.0dB 声压灵敏度 V/Pa 振动液柱法 声压灵敏度[级] M ldB(基准值;1V/aPa 密闭腔比较法 Hz4kHz 1.0dB 国家质量监督检验检疫总局2002-03-26批准 2002-12-01实施
GB/79652002 表1(完 测量不 符号 测量及计算方法 数 单 位 频率范围 确定度 参考水听器比较法 200Hz20kHz 水听器相位一致性 ()或rad 连续波 脉冲波 水听器加速度灵敏度 M s/m 标准加速度计法 10Hz一2000Hz0.6dB 水听器加速度灵敏度[级 M. ldB(基准值;1s/m 激光测振仪法 发送电流响应 S7 Pa”m/A 比较法 100Hz1MHn 1.0dB 发送电流响应[级] Sy ldB(基准值:lpPam/A 发送电压响应 Pa m/八 1.5dB Sr 发送电压响应[级 Sn IdB(基准值:lPam/V比较法 100Hz~1MHz 1.5dB 发送功率响应 S Pa'm/w 1.5dB 发送功率响应[级] S B(基准值:lAPa'm/w 1.5dB 换能器阻抗 阻抗分析法 100Hz1MHz 5% 换能器导纳 三电压法 100Hz~100kHn 5% 指向性函数 D(0,9 波束宽度 20 直接法 500Hz500kHz5%10% ldB 最大旁瓣级 R 根据指向性图计算 指向性因数 D dB 10% 指向性指数 根据波束宽度计算或查表500Hz一500kH 根据等效尺寸计算 指向性图案 W 输人电功率 W 电压电流相位法 10% 500Hz~500kHz 2% 阻抗法 相位补偿法 8% 500Hz一500kHn 辐射声功率 W 声压法 30% 声强法 100Hz6000Hz 电声效率 直接法 500Hz~500kHz 32% 7 电导(电阻)法 在谐振频率上 15% 机械谐振频率 Hz 电导(电阻)法 100Hz1MHz 5% n 机械品质因数 10 2 发射响应带宽 f Hz 直接法 100Hz1MH2 10必% 接收响应带宽 坐标系和数据表示法 5.1换能器取向的坐标系 换能器的取向采用左旋极坐标系(见图1),坐标的原点放在换能器的有效声中心上,以该点为测量 距离的起点 测量指向性图时,换能器绕通过该点的某一轴旋转 一般换能器在此坐标系中的取向应符合如下规定: a对换能器的工作位置来讲,正Z轴(0=0)是向上的方向; b正X轴(=90",p -0)是达向传播方向或水平声轴方向,自由场灵敏度或发送响应 -般都在X 轴方向上测量; c)正Y轴是/=90",p=90"的方向;
GB/79652002 d球形换能器或球形阵的取向,正Z轴应与电缆引线重合,正X轴应与换能器上的指向标志一致 见图2); e)线列换能器或圆柱阵的取向,正乙轴应与直线或圆柱轴重合,正X轴应与换能器上的指向标志 -致(见图3); f平面形换能器或平面阵的取向,正乙轴一般在辐射面的法线方向,正X轴与换能器上的指向标 志一致(见图4) Z轴基准 电缆头 X轴基准 指向标志 图1左旋极坐标系 图2球形换能器 Z轴基准 电缆头 X饷基准 指向标志 X轴基准 指向标志 图3线列换能器 图4平面形换能器 取向需特殊规定时,应另加说明 5.2数据表示法 报告中给出的测量参数及导出参数的数据,可以列成数值表格表示,当与频率或方位角有关时,一 般制成图表,在直角坐标或极坐标纸上用曲线表示 绘制曲线时,应按GB/T3769的规定,所选用的标 度应与数据的不确定度相适应 对指向性图和导纳圆图(或电导曲线)等的要求,参见GB/T3769的规定 测量方法的选择、测量条件及准备 6.1测量方法的选择 6.1.1自由场[电压]灵敏度和发送响应的测量 测量方法分为互易法和比较法 可根据对测量的不确定度要求大小来选用 互易法测量要求测量 三次以上并对数据取平均,以碱小偶然误差 6.1.1.1互易法 a球面波自由场互易法,适用于大多数换能器,可在表1给出的频率范围内进行测量;
GB/79652002 b)柱面波自由场互易法,对于长柱形或线列换能器,往往由于它们的长度较长,致使球面波场邻近 区很远,而难以获得符合测量要求的球面波自由场;或因距离太远,难以保证足够的信噪比在此情况 下,可选用在近场等效柱面波区内进行测量 测量的频率范围见表1 6.1.1.2比较法 比较法是将待测换能器与标准水听器或标准声源在同一声场中进行比较,标准水听器或标准声源 应按规定定期校准 6.1.2其他参数的测量 其他参数的测量可根据表1对测量不确定度的要求和实际测量条件确定 6.2测量条件 当测量表1中的换能器参数时,应注意温度、静水压电接地、频率、,声负载等条件保持恒定 对测量 有影响的条件,应加以说明 所测量的各种参数都应在稳定情况下进行,特殊情况应另加说明 当使用脉冲法时,脉冲宽度和脉 冲波形的选择都应使稳态条件和自由场条件得到满足,见GB/T3223一1994中附录A(标准的附录) 测量距离应满足不同换能器所要求的远场条件见本标准附录A(标准的附录) 互易法测量时,测量处的声场与理想自由场声压的偏差应不大于0.5dB;比较法测量时,其声压偏 差应不大于1.0dB 6.3测量前的准备 测量前应将换能器表面擦洗干净,浸人水中放到所需的测量深度,浸泡30min以上,使换能器表面 得到充分浸润,不应附有气泡,以保证测量稳定可靠 换能器的安装支架应避免振动、声反射和散射等的影响,旋转时,换能器不抖动 换能器的声轴在水 平方向上,并且水声发射器和水听器应处在同一深度上 水听器应满足测量所需的动态范围 在测量之前应对声场进行检查 检查球面波自由场的方法是检查声场中声压与距离成反比的球面 波扩展规律是否成立. 如果符合此规律,则说明在这些距离内满足远场条件,声中心选择是正确的,测量 系统和媒质是稳定的,接收系统是线性的,换能器安装的方向和深度是正确的,并且没有边界干扰和电 串漏等 柱面波法的等效柱面波场、噪声场法中对噪声场的要求及其检查方法分别见相应的条款 测量区域内应保持信噪比始终大于20dB 6.4动态范围的测量 动态范围为声接收用的换能器的过载声压级与等效噪声声压级之差 换能器等效噪声声压的测量,按GB/T128-1995中附录B规定的方法进行 接收换能器的过载声压级用平行于换能器声轴传播的平面正弦行波的声压级表示 测量接收换能 器的过载声压级时,应保持除接收换能器外的整个测量系统处在线性范围,当接收换能器的输出电压随 声压级增加而变化的曲线偏离线性关系某一给定值(例如;ldlB)时,这时测得的声压级就是过载声 压级 自由场灵敏度和发送电流响应的互易法测量 7.1球面波自由场互易法 按GB/T3223一1994中4的方法结果应符合表1的要求 在低频范围,当用单频连续正弦信号或用脉冲声技术都不能获得满意的自由场时,可采用窄带噪声 信号,使互易法在低频范围内得到延伸 采用窄带噪声信号测量,只能在远低于换能器谐振频率的频段 内进行,并要求噪声信号声场对球面波自由场的偏差不大于士1.0dB,对噪声信号类型,仪器和水声发 射器的选择参见本标准的附录B(提示的附录)
GB/79652002 如果标准衰减器的精确度优于0.2dB,或电压测量的不确定度不大于2%,距离测量的不确定度不 大于1%,取样电阻的准确度优于1%,则球面波自由场互易法测量的不确定度不大于1.0dB用噪声信 号时,测量的扩展不确定度不大于1.5dB(扩展因素等于2) 7.2柱面波自由场互易达 7.2.1原理 7.211自由场灵敏度[级] 线形(或长柱形)水声发射器发送时在离它较近的距离(大约入/2一'/A),其中入为水中声波长，L 为换能器的有效长度)范围内存在一个等效的柱面波区域 当一个线形水听器在这个区域内接收时,它 的接收面感受到的声压平均值,符合柱面波扩展规律,即距离每增加一倍,声压平均值衰减3dB 线形 水听器的柱面波自由场灵敏度等于它的球面波自由场灵敏度值 a线形水听器的柱面波自由场灵敏度按公式(1)计算 Me=U/ 式中;MMe 柱面波自由场灵敏度,V/Pa; 水听器的输出开路电压,v; U -作用于水听器上的声压平均值,Pa e b自由场灵敏度[级]按公式(2)计算: M =20lg(.Me/M, 式中:Me 自由场灵敏度[级],dB M 自由场灵敏度[级]的基准值(MM,=1V/APa). 7.2.1.2发送电流响应[级] a柱面波声场中发送电流响应是线形水声发射器在某指定方向上离其声中心某参考距离d处产 生的柱面波声场中的平均声压和该参考距离平方根的乘积与输人该水声发射器的电流的比值,按公式 (3)计算 S一不×Vd1 3 式中:Se 柱面波发送电流响应,Pam'3/A; 参考距离,m; dlec -输人水声发射器的电流,A A -线形水声发射器在参考距离处产生的平均声压,Pa b柱面波发送电流响应[级]按公式(4)计算 S=2olg(S/S, 式中:Se -柱面波发送电流响应[级],dB; -柱面波发送电流响应[级]的基准值(S,=1Pam'e/A. e)柱面波发送电流响应与球面波发送电流响应的换算按公式(5).: S/Sn=L/、入 式中;S, 球面波发送电流响应,Pa”m/A; -线形水声发射器的有效长度， ,m: 水中声波波长,m d线形互易换能器在柱面波区中应满足公式(6) Je =Me/Sn 式中;/=2lA/c) -柱面波互易常数,w/(m'ePa'); -线形互易换能器的有效长度,m
GB/79652002 水的密度,kg/m'; 水中声速,m/s 7.2.2测量 柱面波自由场互易法的测量装置和测量方法与球面波自由场互易相同,只是声场检查和计算公式 有区别 测量时,换能器指定方向的选定、换能器输出端的选定、换能器线性范围的验证、互易换能器互易性 的验证,分别按GB/T3223一199！中4.3.5~4.3.8规定的方法进行 水听器开路电压的测量、输人水 声发射器电流的测量、转移电阻抗的测量,分别按GB/T3223一1994中4.4.2一4.4.4规定的方法 进行 测量距离的选择,要经过实际声场检查确定,声场与理想柱面波自由场的偏差应不大于士0.5dB 实际的柱面波区域比理论估计的范围(/2l/A入)要宽 7.2.2.1电压表测量法 按一般互易法的三步测量,保持三步测量中的距离不变,用同一个电压表分别测出激励水声发射器 F)和互易换能器(H)的电流通过测量串联的标准电阻上的电压降或用电流互感器得到)及互易换能 器和水听器J)的输出开路电压,由公式(7)~(10)计算出水听器和互易换能器的自由场灵敏度及水声 发射器和互易换能器的发送电流响应 M=[(U/I)×(,/几m)×(Cm/I,)×Vd× M=[('/I,×('p/儿月×(Um/In×Vd×.]" S;=[(cm/I,)×(.几m)×(c/r')×Vad./,] S=[(Um/I))×(r'/几U×(Cm/I,)×Vde/a] 式中;Um 水声发射器F发送、水听器」接收时的输出开路电压,V 水声发射器F发送、互易换能器H接收时的输出开路电压,V:; UrH 互易换能器H发送,水听器」接收时的输出开路电压,V; U 水声发射器F发送,水听器」接收时,输人水声发射器的电流,A I'p 水声发射器F发送,互易换能器H接收时,输人水声发射器的电流.A I 互易换能器H发送、水听器」接收时,输人互易换能器的电流,A dl 发射器和互易换能器或水听器的声中心之间的距离,m. 互易法测量时,最好用长度相同或接近的三个换能器 如果它们的长度不同,则互易常数()中的 换能器长度(L)应是互易换能器的有效长度,线形换能器有效长度按153中的方法确定 7.2.2.2衰减器测量转移电阻抗法 在互易法的三步测量中,均将标准电阻上的取样电压经标准衰减器衰减后,与接收用的换能器的输 出开路电压比较,当它们相等时,记下衰碱器的读数,由公式(11)~(14)计算它们的自由场灵敏度[级了 和发送电流响应[级]: M au十1olgd十2olgR十20lgL十 (11 apH ap a 1olgde十20lgR十2olgL十 M= (a的 12 QF1H Sm 20lg! 13 ae ar十10lgd十2olgR (a e Gft十10lgd十2olgR 2olgL S= (a ae 14 式中;ai 水声发射器发送、互易换能器接收时,测转移电阻抗(C'Hm/I)时衰减器的读数,dB
GB/79652002 水声发射器发送,水听器接收时,测转移电阻抗(C可/I')时哀减器的读数,dB aF -互易换能器发送,水听器接收时,测转移电阻抗(U'/I)时衰减器的读数,dB aH 标准取样电阻,Q; R -2olg[2×10-、/)],其数值可由附录c(标准的附录)中表C1查到 e 水听器和互易换能器的自由场灵敏度[级].dB(基准值lV/APa); M、M 水声发射器和互易换能器的发送电流响应[级],dB(基准值:lAPa”m'e/A. S、S 7.23频率限制 柱面波区域与波长及换能器长度有关,还与换能器直径/波长比有关,但只要检查声场符合柱面波 声场规律,则满足使用条件 柱面波自由场互易法的频率范围大致在200Hz~10kHz之间 7.2.4测量不确定度 如果标准衰减器的精确度优于0.2dB,或电压测量的不确定度不大于2%,距离测量的不确定度不 大于1%,取样电阻的精确度优于1%,那么柱面波自由场互易法测量的扩展不确定度(U)为1.0dB[包 含因子()等于2] 自由场灵敏度的比较法测量 8.1球面波自由场比较法 按GB/T3223一1994中5规定的方法进行,结果应符合表1的要求 8.2柱面波自由场比较法 柱面波自由场比较法要用一个线形的辅助水声发射器(F)和一个线形的标准水听器(),要求标准 水听器的长度与待测换能器(X)的长度相同,最好是同类换能器 比较测量时,可以用同一个电压表直接测量两个换能器」和x的输出开路电压,也可以用标准衰 减器分别测出它们的转移电阻抗 如果换能器」和X相继置于水声发射器F激发的柱面波场中同一位置进行比较,则待测换能器的 自由场灵敏度和自由场灵敏度[级]按公式(15).(16)计算 M=M×U、/几 15 (16 M=M + (ag一asx) 式中;M,M 分别为待测换能器X和标准水听器」的自由场灵敏度,V/Pa; U、U 分别为待测换能器X和标准水听器】的输出开路电压,V; 分别为被测换能器X和标淮水听器J的自由场灵敏度[级],dlB(基准值lV/Pa) 、M 发射器F发送、水听器」和待测换能器X分别接收时,转移电阻抗衰减器读数,dB ag、aFx 注:如果标准水听器和待测换能器的长度不同,只要都在柱面波区域内的相同位置上进行比较,则公式(15)和(16) 仍然适用 如果换能器」和X在水声发射器(F)激发的柱面波场中不同距离处进行比较,则待测换能器的自 由场灵敏度和自由场灵敏度[级]按公式(17).(18)计算 1/3 Mx=M×(U'x/U×dx/d" (17 18 M=M十e1一4x) 十1olgd一1olgd 式中:d,d 分别是水声发射器到待测换能器和标准水听器中心之间的距离,m 如果标准衰减器的精确度优于0.2dB,或电压测量的不确定度不大于2%,取样电阻的精确度优于 1%,距离测量的不确定度不大于1%,那么柱面波自由场比较法测量的扩展不确定度(U)为1.5dB[包 含因子()等于2] 8.3噪声场比较法 待测换能器的低频灵敏度可在噪声场中声压均匀区域(不均匀性不超过士1.0dB)内,与尺寸相同
GB/79652002 的标准水听器比较得到,此声压均匀区应大于待测换能器的尺寸 如果待测换能器的尺寸与标准水听器的尺寸不同,或者其尺寸不是远小于水中波长时,在噪声场中 比较测量，会因它们的衍射常数及指向性图案的不同,引起较大的测量误差 噪声场比较法的测量方法同8.2,对噪声信号类型、仪器及水声发射器选择的要求见附录B. 为减少读数误差,应取三次以上的测量数据的平均值 噪声场比较法适用的频率范围一般为100H一4kHL,测量的扩展不确定度(U)为2.0dB包含因 子()等于2] 声压灵敏度的测量 振动液柱法 按GB/T4130一2000中5规定的方法进行，结果应符合表1的要求 频率范围1oHz2kHz 9.2密闭腔比较法 按GB/T4130一2000中6规定的方法进行,结果应符合表1的要求 频率范围10Hz4kHHz. 10 发送响应[级]的比较法测量 10.1发送电流响应[级]的比较法 按GB/T32231994中5.3规定的方法进行,发送电流响应和发送电流响应[级]分别按公式(19) 和(20)计算,结果应符合表1的要求 19 S=(Uc/I×d/M S,=2olg(U.e/I十2olgd一 M 20 式中:Ua -测量水听器开路电压,V 通过被测换能器的电流,A; -测量水听器和被测换能器的距离,m; -测量水听器的灵敏度，1V/Pa: M M -测量水听器的灵敏度[级],dB(基准值;1V/APa) 10.2发送电压响应[级]的比较法 按GB/T3223一1994中5.2和5.3规定的方法进行,发送电压响应[级]分别按公式(21)和(22)计 算,结果应符合表1的要求 S=(U.e/几×(d/M 21 Sv=20lg(Ux/U'x十20lgd一M 22 式中:S 发送电压响应,Pam/V; U 施加在被测换能器两端的电压,V; 发送电压响应[级],dB(基准值:1aPam/V). S 10.3发送功率响应[级]的比较法 按GB/T7967有关规定的方法进行,发送功率响应[级]分别按公式23)和(24)计算,结果应符合 表1的要求 23 Sw=S/GT=S/RT=S×S/cos中 Sw=(Sv十S/2一10lgcos中 24 式中:Sw -发送功率响应,Pa m/w; 发送功率响应[级],dB(基准值:lPa' m'/w); Sw 输人换能器电压电流的相位差,(") 换能器等效串联电阻(换能器电阻),Q; RT
GB/79652002 换能器等效并联电导(换能器电导),s 11水听器加速度灵敏度测量 按GB/T17251中规定的方法进行,结果应符合表1的要求 12 水听器相位一致性测量 按GB/T16165中规定的方法进行,结果应符合表1的要求 换能器阻抗和导纳的测量 13 换能器阻抗或导纳通常指在换能器的电端测得的等效电阻抗或电导纳,它是一个复数电量,它们的 关系是 Z=1/Y1 25 式中:Z 换能器阻抗,Q; 换能器导纳,S YT 常用串联电路形式表示换能器等效电阻抗: (26 Z，=R十X7 常用并联电路形式表示换能器等效电导纳 (27 Y下=GT十jB 式中:XT -换能器电抗,Q; B 换能器电纳,S. 其他的阻抗参数可以用上述参数计算得到 测量换能器的阻抗或导纳时,电端状态一般与测量自由场灵敏度、指向性图时电端的状态相同,温 度、静压等环境条件要达到稳定状态,声负载应是自由场声负载,测量时平衡和非平衡状态应与换能器 工作状态一致 13.1阻抗分析法测量 采用宽频带阻抗分析仪、阻抗(或导纳)电桥测量,或直接测量换能器电压电流复数比,得到不同频 率的复数阻抗(或导纳)值以及等效电路特征参数值,压电换能器等效电路用并联形式的电导和电纳表 示较为方便,磁致伸缩换能器等效电路用串联形式的电阻和电抗表示较为方便.同一种换能器等效电路 的两种表示方式可以互相转换 13.1.1测量不确定度 测量不确定度取决于阻抗分析仪精度及测量条件(自由声场条件、信号级及接地状态等,见6.2). Gr,B和|Y1l在2pS~100ms(或RT,X下和|z，在100一500kQ)范围内,频率1MIHz以下,阻 抗分析仪测量换能器阻抗(或导纳)的精确度不大于0.5% 由于换能器所在的声场等环境条件、信号级 及接地状态等条件影响,换能器阻抗(或导纳)测量的扩展不确定度(C)为5%[包含因子()等于2] 13.12数据表示 串联电路形式表示换能器阻抗见公式(26). 并联电路形式表示换能器导纳见公式(27). 阻抗模和幅角形式表示为公式(28) Z=|zle" 28)
GB/79652002 测量结果可用如下三种方式表示 a将频率、电阻和电抗或电导和电纳、阻抗模和幅角等项列成表格表示 b用直角坐标图,以频率为横坐标,电阻和电抗或电导和电纳为纵坐标分别画出电阻和电抗或电 导和电纳随频率变化的曲线见图5,图6; 10 0.6 0.4 电导 0.2 电我 电抗 阻挡电导 5 电纳 -0.2 电阻 -0.4 阻挡电纳 阻挡电阻 so0 35 40 45 50 55 60 65 70 30 35 40 45 655 55 60 50 /kHHz f/kHlz 图5电阻和电抗曲线图 图6电导和电纳曲线图 c)以频率为参变量,在直角坐标纸上,画阻抗圆图或导纳圆图见图7,图8. 0.2 5k业 54 5版.5 5 80 57.5 敬 城 5o 55.5 解 63 56 -0.2 -7o50 60 30 57.7 63 58 -0.4 57 30 6.5 58 0.2 0.4 0.6 0.8 电阻Rr/n 电导G/ms 图 17阻抗圆图 图8导纳圆图 坐标所用刻度应与测量不确定度相适应 测量条件(如阻抗形式、负载情况、接地状态、换能器电端接法和信号级等)应在测量数据中或曲线 图上说明 换能器阻抗在谐振频率附近也可以用图9表示等效电路的元件参数来表示阻抗特性,用阻抗分析 仪测量各等效参数 C一阻挡电容,F;ld一动生电感,H;C一动生电容,F;R一动生电阻,Q 图9压电换能器等效电路 13.2三电压法 13.2.1原理和方法 在被测换能器与一纯电阻的电阻器所组成的串联电路上加一电压,则在换能器两端和电阻器两端 10
GB/79652002 上产生电压,测出这三个电压值,由公式(29).(30)计算换能器阻抗的模和幅角 29 石-X" 中=arecos[(一U一U/2U'R×U 30 被测换能器两端的电压降,V 式中:U 串联电阻器两端的电压降,V; UR -串联电路上的总电压,V; U R 串联电阻器的电阻,Q;: 换能器阻抗的幅角,() 功率放大器把由信号源产生的连续正弦信号,或经脉冲调制器得到的脉冲正弦 测量框图见图10 信号放大后,加到被测换能器与电阻器构成的串联电路两猫 为了提高准确度,串联电阻器的电阻值 R)应尽可能地接近换能器的阻抗,并用同一电压表或示波器测量三个电压值Ua.UR.U 如果信号波 形畸变,则要用滤波器滤波后再进行测量,由公式(29)和(30)计算换能器阻抗的模和幅角 功 率 放 器 频率计 图1O用三电压测量换能器阻抗的框图 如果测量系统的接地状态影响电压测量,则在测量过程中需通过一个转换开关,使换能器与串联电 阻器交替处于接地状态 但是,当换能器和功率放大器都接地时,应在功率放大器输出端用一个隔离变 压器 测量外加偏磁致伸缩换能器阻抗时,外加偏磁测量框图见图11 要求隔直流电容器的电容(C)的取 值满足1/C远小于Z|,扼流圈电感L的取值要使ol大于换能器在谐振频率附近的阻抗的50倍 L扼流圈 U 功 号 直化 流设 极备 频率计 用三电压测量外加偏磁致伸缩换能器阻抗的框图 图11 13.2.2测量不确定度 若串联电阻器电阻的精确度优于1%,电压测量的不确定度不大于2%,则通常在100kHHz以下,测 量换能器阻抗模的测量扩展不确定度()为5%[包含因子(A)等于2] 幅角的测量不确定度随幅角增 大而减小,当U等于U并且幅角大于45"时,幅角测量的扩展不确定度(U)为5%[包含因子()等 11
GB/79652002 于2] 14 指向性图案、波束宽度和最大旁瓣级的测定 指向性是换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或人射声波方向变化的特性,它通常用指向性 图,指向性因数或指向性指数表示 14.1测量方法 将被测换能器装在旋转轴上,使其有效声中心位于旋转轴上 旋转换能器,在远场进行测量 指向 性测量的自由场远场条件比测量自由场灵敏度或发送响应时的要求更为严格 14.1.1声场条件 测量指向性时,对于指向换能器,在测量旁瓣或后辐射时,因这时信号级较低,若主瓣声信号由于边 界产生的反射波较强,则可能由于测量旁瓣或后辐射时的信号与干扰比下降而带来较大误差.这就要求 有更好的自由场条件.否则应采用脉冲声技术 在测量水声发射器的指向性时,远场点的确定应满足在所测的各方向上,声场对理想球面波自由场 的偏差均不超过士1.0dB 当被测换能器的尺寸较大时,按GB/T3223自由场校准方法中给出的远场条件往往是不够的,还 应要求被测换能器的近边缘和远边缘的振幅相差小于1.0dB 因此,测量全方向性时,测量距离应满足 公式(31): d>10D 31 ， 式中:d -被测换能器和测量换能器有效声中心之间的距离,m 被测换能器的最大尺寸,m 在波束宽度较窄的情况下,如果仅在主瓣附近测量,则按公式(32): dl5D (32 14.1.2测量实施 如果测量换能器指向性时,使用自动记录,则换能器的旋转速度不能太快(对于高指向性换能器,尤 其要注意),否则,记录器的滞后效应及换能器的抖动会引起附加误差 如果用手动旋转换能器,逐点测 量指向性图,则对高指向性换能器,在其波束宽度内或其他起伏急剧的方位上,测点应密一些;在其他方 位上,测点可稀一些 注，当需要时,也可采用嗓声信号测量,但测量的准确度要降低 14.2数据表示及计算 指向性图通常用极坐标图的形式表示(见图12),径向坐标表示响应 对于指向性换能器最好用直 角坐标图表示(见图13),横坐标表示方向角,纵坐标表示响应值 这样可以得到较清晰的表示数据 响 应值通常用分贝值表示,响应级的最大值取为0dB 也可用归一化的比值表示 -10u 一6d吧 第一旁瓣 3dB 了吧 - A的 第一旁瓣 -6 旁瓣级-20dE i0uB" 极坐标图 图12 12
GB/79652002 波束宽度可从图12或图13中得到 即从主轴的最大响应下降3dB(或6dB,10dB)时的左右两个 方向间的角度,就是波束宽度2m(或20-H,2am 最大旁瓣级也从图12或图13中得到 即计算由最大旁瓣(通常是第一旁瓣)比主轴响应下降的分 贝数 0dB -3dB -6dB -1I0dB -12 1e -20" 30" -10" 10" 20" 图13直角坐标图 指向性图上要标明参考方向,同时还要标明测量的频率,定向平面和环境条件(温度、静压等) 对于无空间对称的换能器,应在较多的定向平面内测量指向性图,才能表明其空间指向性图,并且 便于计算指向性因数 14.3测量不确定度 影响指向性测量不确定度的因素,除在测量自由场灵敏度和发送响应一章中提到的儿种因索之外 还有严格的远场和自由场条件的不满足、有效声中心与旋转轴的偏离、记录器的分辨率和滞后效应等带 来的记录器转速和笔的速度的误差 测量换能器的自由场灵敏度或发送响应的系统误差对指向性的测 量不会带来影响 换能器在方向上的定位精度取决于回转设备的角分辨率,回转设备如有回差,则应单向旋转 对于 高指向性换能器.在主波束内测量,应测三次以上取平均值.以弥补由定位角分辨率引起的误差,角分辨 率误差可达到士O.5" 一般来说,在最大响应区域中,指向性函数值测量的不确定度不大于0.5dB,在角偏向损失达 30dB的范围内,每10dB可以有士1.0dB的误差 15 指向性因数和指向性指数的确定 根据定义指向性因数R，可用公式(33)计算: R，= 33 -口IJuw.p]amnainr 式中:R 指向性因数; 指向性图函数 D(0,p 指向性指数D可用公式(34)计算: D=10lgR 34) 式中:D -指向性指数,dB 15.1根据指向性图案计算 15.11无空间对称的情况 按14规定的方法进行,由测得的换能器指向性图,得到指向性函数D(0,p) 再根据公式(33)和 34)计算指向性因数和指向性指数 15.1.2指向性图案具有旋转对称的情况 选乙轴为对称轴,这时指向性因数应满足公式(35): 13
GB/79652002 R 35 一2[co(o]sinA" 指向性因数的值可通过对指向性图的离散测量值进行数值计算得到 对于手动测量记录,指向性函 数是在离散角上获得的;对自动记录的连续指向性图案,先离散采样得到指向性函数的采样值,积分值 化为求和计算 积分值精度与测量角采样密度有关 如果在主波束内,指向性图的测量不确定度不大于5%,则指向性因数的测量不确定度不大于 10% 根据实测波束宽度,查图表或用经验公式计算 15.2 完全均匀的圆形、椭圆形、矩形、方形活塞式换能器或均匀线列换能器,可通过实测其波束宽度 1忧w由附录D中图D1或图D2查得它们的指向性指数 也可以通过实测其波束宽度20 20. -没aB,由附录 D中的公式(D1)和(D2)计算指向性因数 15.3根据等效尺寸计算 活塞式换能器或线列换能器也可通过实测的半波束宽度来确定它们的等效面积或等效长度,由此 来计算它们的指向性因数. 按14规定的方法,测出换能器的半波束宽度日-3B、9-6dw-10dB 5.3.1圆形活塞式换能器 圆形活塞式换能器,用公式(36)~(38)算出三个相应的直径与波长的比值 D/入=0.7(sin0-8aB/0.73 36 37 D/入=0.7(sin/-a 38 D./A=0.7(sin-10aB/1.23 式中:D、D、D 分别是该频率时,半波束宽度0-B、0-、0-1w所对应的圆形活塞式换能器的直 径,ms 水中声波波长,m. 由D、D、D的平均值作为圆形活塞式换能器的等效直径,以计算其等效面积 153.2矩形和方形活塞式换能器(在平行于其一边的定向平面中)或线列换能器 矩形和方形活塞式换能器(在平行于其一边的定向平面中)或线列换能器,用公式(39)(41)算出 三个相应的边长或长度与波长的比值 39 L/A=0.6(sin0-/0.73 Le/A=0.6(sin/-m 40 L./A=0.6(sin/-w/1.23) 4l 式中:l、l..、I. 分别是该频率时,半波束宽度0-,l、0-l,0-m所对应的矩形和方形活塞式换能 器的边长或线列换能器的长度,m 由L、l、L 的平均值作为线列换能器的等效长度,或矩形、方形活塞式换能器的等效边长,以计算 它们的等效面积 当算出活塞式换能器的等效面积或线列换能器的等效长度后,指向性因数按公式(42),(43)计算 a活塞式换能器: R,=4灭A/R 42 式中:A 活塞式换能器的等效面积,m b线列换能器 R,=2L/R 43 线列换能器的等效长度,m 式中:I 高频时,活塞式换能器和线列换能器的实际指向性图案与理论的指向性图案一般是比较吻合的,而 且主瓣所占能量很大,所以本方法是可靠的 即使是束控换能器或其他形状较复杂的换能器,当尺寸大 14
GB/79652002 于波长时公式(42)和(43)仍然适用 本方法的误差来源同14.3规定一样,测量不确定度不大于10% 对于某些理想化的换能器,已经 推导出它们的指向性因数的精确关系式或近似关系式 例如: 1有无限刚硬障板的平面圆形活塞式换能器的指向性因数按公式(44)计算 (44 R，=(kr)[1一(2kr)/kr 式中:" 圆形活塞的半径， m; 圆波数,m (2kr) -阶贝塞尔函数 当活塞半径大于半波长时,可用近似公式(42),其误差小于5% 对于无障板情况,矩形及一些近似 于圆形或矩形的其他形状的活塞式换能器,也是适用的 2)均匀连续线列换能器的指向性因数按公式(45)计算 R=kl/[开一2/kl一2sin(kl/kl十4cos(kl)/(kl)们 45 当线列换能器的长度大于波长时,可用近似公式(43),其误差小于5% 常用的活塞式换能器或线列换能器,常常是由许多基元组成的基阵,其有效边缘或有效端点不易确 定,由此引进的误差,对线列换能器的有效长度来说约为5%,对活塞式换能器的有效面积来说约为 10% 本标准附录D(标准的附录)中D3列出几种典型换能器的指向性函数,它们的指向性因数都可用 公式(33)或(35)数值计算得到 16输入电功率的测量 161电压电流相位法 发射器由功率源吸收的有功功率应满足公式(46): 46 w =U×Ircosf 式中:W -输人电功率,w; -加于发射器上激励电压,V U'r T 流人发射器的电流,A; -电压和电流间的相位差,() 测量实施见图14,用电压表或示波器测量换能器并联分压器上电压,同时用电流变换器测量换能 器串联回路中电流,用相位计测量电压和电流的相位差 代人公式(46)中计算 偏 功 号 岸 发 放 相位计 电压表 生 大 电流变换器 器 器 频率计 图14电压电流相位测量框图 要求测量电压、电流的不确定度不大于3%;相位计不确定度3",计算功率扩展不确定度(U)为 10%[包含因子()等于2] 注:脉冲工作时可以采用信号采集分析仪的方法进行,相位测量也可以用李萨如图,误差在10°左右 16.2阻抗法 15
GB/79652002 根据13规定的方法测量换能器的并联电导值或串联电阻值,再用电压表或示波器测量换能器激励 电压(U)或激励电流(),当电压用分压器测量或电流用电流变换器测量,输人电功率按公式(47).(48 计算 W =(UU'v/k)2×G 47 W =(C/k,)'×R 48 式中:U,U -分别为换能器激励电压与电流的取样电压,V; 换能器激励电压分压器分压比; k 换能器激励电流电流变换器取样系数,V/A k G和R由换能器阻抗法测定,要求电压测量不确定度在连续正弦信号状态下不大于2%,在脉冲 信号状态下不大于3%,在满足测量条件下按公式(46)计算的电功率不确定度应不大于10%;按公式 (47)或(48)计算电功率扩展不确定度()为12%[包含因子()等于2] 16.3相位补偿法 对压电换能器根据需要并联或串联一个具有适当电感量的可变电感器,使功率放大器在指定输出 电压下其输出电压()和电流()之间相位差等于0",当电感无损耗时,发射换能器从功率放大器吸收 的输人电功率按公式(49)计算 W =U1 49 式中:W 发射换能器吸收电功率,W; U 发射器激励端电压,V; 输人发射器电流,A 测量实施见图15,图16 用李萨如图观察电压电流相位差 功 电压电流 率 取样器 源 换 相位指示器 电压测量系统 图15串联补偿电压电流测量框图 功 电压电流 率 取样器 源 搀 能 器 相位指示器 U U 电压测量系统 图16并联补偿电压电流测量装置 在串联补偿时,发射器的等效串联电阻与电感的串联损耗阻之比应不小于2%;在并联补偿时,电 16
GB/79652002 感的并联损耗阻与发射器的等效并联电阻之比应不小于2% 在满足测量条件及上述有关要求的情况 下,电功率测量扩展不确定度(U)为10%[包含因子()等于2] 16.3.1电压测量方法 6.3.1.1分压器法 将取样用的分压器与发射器的输人端并联,分压器输出电压即为取样电压 由取样电压除分压比 (kp)得换能器激励电压 要求分压器的输人阻抗比发射器阻抗高100倍,输出阻抗低于测量系统的输人阻抗的1/100,k，的 不确定度应不大于2%,分压器相位失真应不大于1 16.3.1.2电流变换器法 在发射功率源的输出端并联一个高值标准电阻.在电阻端串联一个电流变换器,对输出电流取 样,通过电流变换器取样系数(b)),求出发射器激励电压 要求高值标准电阻(R)至少比发射器阻抗大100倍,R的精确度不大于1%,k不确定度不大于 1.5%,电流变换器相位失真不大于1" 16.3.2电流测量方法 16.3.2.1电流变换器法 功率源输出端回路通过一个电流变换器,电流变换器的输出电压即可算出回路中的电流值 要求电流变换器不确定度不大于1.5%,其相位失真应不大于1",此方法不受发射器和功率源接地 状态的限制 16.3.2.2电阻取样法 将取样用的标准小电阻串接在发射器的低电位端(它跟发射换能器跟功率放大器的接地状态有 关) 测量取样电阻两端电压,除以标准电阻值,即得电流值 发射功率源与换能器都必须接地时,在功率源与换能器之间插人一变压器 要求取样标准小电阻为无感电阻,其阻值尽可能小.一般小于换能器阻抗的1/100,电阻不确定度 不大于2%,且有足够功率容量 17 辐射声功率的测量 17.1声压法 换能器的辐射声功率可以通过测量远场某距离d处声轴方向上的声压值,利用它的指向性因数， 由公式(50)计算 4Tdl' 50 W = R 式中:w -辐射声功率,w:; 水听器到水声发射器有效声中心之间的距离,m d 距离d处的声压,Pa; 水的密度,kg/m; 水中声速,m/s; 水声发射器的指向性因数 根据被测水声发射器的工作频率,选取标准水听器,将它置于水声发射器声轴方向上,离水声发射 器有效声中心的距离为d处(d满足自由场远场条件)测得水听器的输出开路电压,由公式(51)计算 声压: 51 户-t/M 式中:U 水听器的输出开路电压,V 水听器的自由场灵敏度,V/Pa M 17
GB/79652002 如果水听器的输出开路电压的测量不确定度不大于2%,水听器自由场灵敏度的测量不确定度不 大于0.7dB.则声压的测量不确定度应不大于15% 按14规定的方法测量水声发射器的指向性因数,按公式(50)计算牺射声功率 如果距离(d)的测量不确定度不大于1%,水的特性阻抗(c)的测量不确定度不大于2%,指向性因 数的测量扩展不确定度不大于10%,声压的测量不确定度不大于15%,则辐射声功率的测量扩展不确 定度(U)为30%[包含因子()等于2] 如果要测量声功率级,则可通过测量水声发射器在距离(d)的声压级和指向性指数,按公式(52 计算: -L,一D十2ulgd一50.7 52 lw= 式中:Lm -声功率级,dB(基准值:lpW); -声压级,dB(基准值;1APa) p D 指向性指数,dB 17.2声强法 17.2.1原理方法 用双水听器线列阵,在包围发射器的辐射声场中进行自动控制,逐行扫描,可以得到扫描面上的法 向声强(L,)分布 进而对测量面进行声强的数值积分便可以得到水声发射器的辐射声功率(Ww.). 水听器所在测点(r)的法向声强的频谐密度按公式(53)计算 53 .(r lIm[S(r,)] ,w 式中:lm[SA(r,o)] 取测点双水听探头处声压p和的互功率谱密度S(r,o)的虚部; 角频率,o=2x、频率,Hz; Ar" -双水听器A和B的声中心间距,指向发射器包面的外法线方向， ,m; -声场介质的密度,kg/m" 根据扫描面上测点声强分布,可以得到辐射声功率,计算按公式(54)或(55): W，=.(r)ds(r) (54 (55 "-之人,"s 式中:I -As元面上=1,2,k节点上的声强测量值,w/m=; N -AS面上节点的插值函数 包面s上的离散面总数 7.22测量方法 对于单频情况,根据发射器工作频率设定声强探头两水听器间距凸r,.r/A的范围应在1/门一110 线列阵声强探头之间间距Al应为(1/41/5)A 借助计算机控制声强探头线列阵在声场中作扫描,步距约1/5入 当线阵到达测点稳定后,进行声压 的测量;将放大之后输出电压U、U进行数字采集 整个测量面扫描、A/D变换数字采集数据,利用声强测量计算软件作互谱运算,根据公式(53)得到 测量面上测点法向声强值 最后利用公式(54)或(55)计算得到辐射声功率 17.2.3不确定度 利用六个声强探头,测量2kHz~6.35kHz范围内,当r/入为1/7条件下,水声声强扩张不确定度 )为1.48dB[包含因子()等于2] 18
GB/79652002 电声效率的测量 18 18.1直接法 按17规定的方法测量水声发射器的辐射声功率,按16规定的方法测量它的输人电功率,电声效率 按公式(56)计算 2 =W,/w (56 式中:刀 电声效率; W 辐射声功率,W; W” 输人电功率,w 如果输人电功率的测量不确定度不大于10%,辐射声功率的测量不确定度不大于30%,则直接法 测量电声效率的测量不确定度应不大于32% 18.2电导(电阻)法 18.2.1原理和方法 对于一个单谐换能器,可以在它的谐振频率附近等效为集总参数形式的单振荡回路,在谐振频率 上,动生导纳(或阻抗)的虚部为零 因此,可通过实测换能器在空气中和水中的电导曲线(或电阻曲线 来计算电声效率 18.2.1.1压电换能器用电导曲线法 按15规定的方法测量换能器等效并联电导G随频率变化的曲线见图17 测量的频率范围和测量 点必须保证曲线有明确的走向和可靠的内插点 4G1/mS M f/z 图17电导曲线图 图17曲线MAN和M,AN分别是换能器在水中和空气中时测得的电导曲线 MN和M,N,是介 电损耗线,过电导曲线最高点A和A作垂线AB和A,B,分别交MIN和MIN于C和c点 a换能器的机电效率按公式(57)计算; n.=AC/AB×100% (57 式中: -换能器的机电效率; AC 换能器在水中谐振频率处的动生电导,S; AB -换能器在水中谐振频率处的电导,S. b)换能器的机声效率按公式(58)计算: (58 刀=[(A,C一AC)/A,C]×100% 式中; 换能器的机声效率; AC 换能器在空气中谐振频率处的动生电导,s c)换能器的电声效率按公式(59)计算 ” =[(AC/AB)×A,C一AC)/A,C]×100% 59 19
GB/79652002 18.2.1.2磁致伸缩换能器用电阻曲线法 按1规定的方法测量换能器等效串联电阻R随频率变化的曲线见图18,仍按上述方法并由公式 S7).(58).(59)计算效率,不过这时各参数的意义如下 MN和MN 磁滞损耗和涡流损耗线 AC 换能器在水中谐振频率处的动生电阻,Q;: AB 换能器在水中谐振频率处的电阻,Q; AC 换能器在空气中谐振频率处的动生电阻,Q. R/Q -f/H 图18电阻曲线图 18.2.2适用范围 电导(电阻)法测量电声效率简便迅速,但它有一定的使用条件 对于单一模式振动的简单换能器 在谐振频率工作时,这种方法是可靠的,对于多谐(或多模)换能器,或表面有一定厚度覆盖层的换能器 以及在非谐振频率时或在换能器的线性工作范围以外,本方法不适用 18.2.3测量不确定度 如果换能器电导(或电阻)的测量不确定度不大于5%,则AC、AC、AB的测量不确定度不大于 7%,所以,电导(电阻)法测量电声效率的扩展不确定度(U)为15%[包含因子()等于2],本方法的实 际准确度还取决于换能器对这种方法适用范围的满足程度 19 换能器带宽和机械品质因数的测量 19.1换能器带宽和机械品质因数 对于单谐或单模换能器带宽和机械品质因数有公式(60) 60 Q =f./A/ 机械品质因数 式中:Qm fo -机械谐振频率,Hz; 公f=f一f换能器等效带宽,Hz 机械Q值为储存于该系统中等效抗性元件上的能量与耗散在等效阻性元件上的能量的比值 它还 用来描述单谐机械系统的瞬态特性 如果用一频率等于单谐系统谐振频率的脉冲正弦信号激励时,欲使 系统振速达到稳态值的96%或者信号停止时欲使系统振速降到原稳态值的4%时,则需要Q.个周期的 时间 换能器带宽和Q 值是表征瞬态特性的物理参数 19.2发射电压(或电流)响应带宽、接收电压灵敏度响应带宽和电导带宽 换能器在不同的工作状态,描述瞬态特性的物理过程不同,因此表征带宽的定义和数值不同 a对于发射换能器,发射电压响应带宽定义为在恒压发射响应曲线(通常对压电换能器)中比最大 响应低3dB的上下两个频率f与f之差; b发射电流响应带宽定义为在恒流发射响应曲线(通常对磁致伸缩换能器)中比最大响应低3dB 20
GB/79652002 的上下两个频率八与大之差 )对于接收换能器,接按收电压灵敏度带宽定义为接收电压灵敏度响应曲线中比最大响应低3dB 的上下两个频率八与大之差 小)电导带宽定义为换能器在电导频率响应曲线上最大电导低一半的上下两个频率与之差 各种响应带宽和 值是通过测量响应曲线后,确定相应频率点计算得到 带宽测量的不确定度与 带宽的宽窄有关,带宽和Q.值测量的扩展不确定度通常有5%10% 21
GB/79652002 附 A 录 (标准的附录) 常用换能器的声场邻近区判据 换能器辐射声波在传播一定距离以后才能形成球面波声场,这个由近场向球面波声场转变的区域 就是邻近区,它是水声发射器与水听器之间要隔开一个可容许的最小距离,这个最小距离的判据,即邻 近区判据 邻近区判据是工作频率及两个换能器的形状和尺寸的函数,同时与测量精度及所测参数有 关 邻近区没有截然的界限,常用换能器的声场邻近区判据如下 A1各种换能器与点状水听器组合测量时声场邻近判据 a均匀圆形活塞式换能器 Tr2/入 d A1) A2) 乡 式中;d两个换能器之间的距离,m; -水中声波波长,m; 圆形活塞半径,m. A1)和(A2)式作为圆形活塞式换能器邻近区判据,声场偏差小于0.5dB b其他形状的活塞式换能器,(A1)式可改写为 dS/入 (A3 式中:S -活塞面积,m' A3)式作为一般形状活塞式换能器邻近区判据,声场偏差小于0.5dB c)线列或柱形换能器 dI/入 (A4 d A5 式中:I 线或柱的长度,n m A4)和(A5)式作为线列或柱形换能器的邻近区判据,声场偏差小于0.5dB A2两个非点状换能器相互组合时的邻近区判据 a两个不同直径的圆形活塞式换能器 d之(r十/入 A6 dr A7 (A8 分别为两个圆形活塞的半径,m. 式中;r、' 以上三式作为两个不同直径的圆形活塞式换能器的邻近区判据,声场偏差小于0.2dB b》两个长度相同的平行线列换能器 (A9 d>1.5L/ d之1 A10 公式(A9)和(ao作为两个长度相同的平行战列换能器的邻近区判帮,声场偏差小于Q.5dB e)两个矩形平面换能器 d之k(1十)[(w/2)?十(L/2)/3 .(A11 圆波数,m; 式中:k 水听器宽度与水声发射器宽度的比值; 22
GB/79652002 分别为矩形水声发射器的宽度和长度,m W、 公式(Al1)作为两个矩形平面换能器的邻近区判据,声场偏差大约1dB 附录 B 提示的附录 有关噪声场法测量的问题 进行球面波自由场比较法测量时,在低频范围内,常因水池的消声效果碱弱,而不宜采用单频连续 正弦信号,或因低频时要求的脉冲宽度较宽使直达信号与反射信号不能分开,而不宜采用脉冲法,致使 自由场测量难以进行.这时可用窄带噪声信号,在所测量的区域内形成噪声均匀场,用噪声法进行测量 窄带噪声信号可用1/3倍频程带宽的或宽带的粉红噪声发送,用具有1/3倍频程带宽滤波器的接 收器接收滤波器应符合GB/T324的规定,其中心频率为(单位Hz);1.6、2.0,2.5、3.15、4.0,5.0、 6.3,8.0,10.0、12.5及它们的10倍数 粉红噪声(pinknoise)根据定义是用正比于频率的频带宽度测量时,频谱连续并且均匀的噪声,粉 红噪声的功率谱密度与频率成反比 即频率每增加一个倍频程,它的平均电压下降3dB 用噪声信号进行测量时,应使用具有合适时间常数的记录器或电压表记录和指示,以减小读数 误差 由于采用粉红噪声信号,所以,水声发射器宜采用平坦响应的发送器或压电换能器 采用窄带噪声信号测量时,只能在低于换能器谐振频率的频段内进行 带宽越窄,测量值越接近标 称频率的单频值,但读数稳定性差,所以,两者需进行权衡 由于读数起伏较大,故通常需取3次以上的测量数据的平均值,以减少读数误差 附录 C 标准的附录 柱面波自由场互易常数中 的数值表 柱面波自由场互易常数按公式(C1)计算 (C1 e=Me/S儿=2LA/ge 式中:e -柱面波自由场互易常数,w/(m'9 Pa') 当以分贝计量时,因M和Sr的基准值M和S,分别取1V/Pa和1pPa”m'"/A.故互易常数儿 的基准值e应取10-w/m'9 Pa'),则以分贝表示的互易常数 应为 =2olg(.e/.J.=2olg[2×10-1、入/(e刀 234十2olgl一20lgp一1olgc一1olg/ =2olgL十 C2 若取20C时的水密度和水中声速,即p=0.998×10kg/m. 482m/s,则有 .c1 j =一325.69一1olgf C3 式中频率的单位为Hz,为了便于使用,将此式制成计算表列于表C1中 频率每增加10倍,应减 少10dB 例如;当f=63时，i=一343.7dB;当=630Hz时、=一343.7一10.0=一353.7dB 23
GB/79652002 儿数值表 表C1 dB f/H么 o -335.7 336.1 -336.5 -336.8 -337.1 337.4 337.7 -338.o -338.2 338.5 20 -338.7 338.9 339.1 -339.3 -339.5 -339.7 339.8 -340.0 -340.2 340.3 30 -340.5 -340.6 -340.7 -340.9 -341.0 -341.1 -341.3 -341.4 -341.5 -341.6 40 -34l.7 34l.8 -34l.9 -342.0 -342.1 342.2 342.3 -342.4 -342.5 -342.6 50 342.8 342.8 -342.8 -342.9 -343.0 343.1 -343.2 -343.2 -343.3 343.4 60 -343.7 -343.9 -344. -343.6 -343.8 344.0 一343.5 -343.5 -343.7 -343.9 -344.3 70 -344.1 344.2 344.3 344，4 344，4 344.5 -344.6 -344.6 344 7 -344.7 -344.8 -344.8 -344.9 -344.9 -345.0 -345.0 -345l -345.1 -345.2 80 90 345,2 345.3 -345.3 -345.4 -345.4 345.5 345.5 -345.6 -345.6 -345.6 D 附 录 标准的附录 指向性因数、指向性指数的计算图表及公式 D1计算图表 矩形或椭圆形活塞式换能器的一10dB波束宽度(单位为度)与指向性指数的丽数关系可查图D1 最小波束宽度(g0-wm 10 2030 5070100 120 120 10 90 90 70 50 50 20 30 2D 0 25 10 10 30 35 40 指 著 菜 5070I00 20 30 最大波束宽度(2o-mm 图D1波束宽度与指向性指数的函数关系图 其中,最大波束宽度是在过声轴并与矩形的短边平行的平面或包含椭圆的短轴的平面中测量的 最 小波束宽度是在过声轴并与矩形长边平行的平面或包含椭圆长轴的平面中测量的 带障板的圆形活塞式换能器的一10dB波束宽度与指向性指数的丽数关系可查图D2 24
GB/79652002 35 30 25 20 10 60 80 100 120 140 160 180 波束宽度(20-oum 图D2波束宽度与指向性指数的函数关系图 D2指向性因数计算的经验公式 根据实测均匀线列换能器或活塞型换能器的一3dB波束宽度,由公式(D1).(D2)计算指向性 因数 a)均匀线列换能器 D1 R,=10.5/20-出" 式中:R -指向性因数; -3dB波束宽度,(") 20-3dB b活塞型换能器 R,=32400/[(20m)×(20-;m). D2 式中:20-3、(20-3B. -分别是过声轴的互相垂直的两个定向平面中的一3dB波束宽度,() -些常用换能器的指向性图函数 D3 -些常用的表面振幅均匀的活塞型换能器,其指向性图的数学表达式见(D3)~(D7). a带障板的平面圆形活塞型换能器 D(0=2(krsin0)/(krsin0 D3 式中:D(0 指向性图函数; -圆波数,m-l; 圆形活塞的半径,m (krsin0 -阶贝塞尔函数 乙轴选在活塞面的法线方向上 b)均匀连续线列换能器或带障板的矩形平面活塞式换能器(在平行于一个边的平面中). (D4 ())=simA.sim/)台l.sin/ 式中:L线列换能器长度或定向平面中矩形边长,m. 乙轴取线轴或矩形活塞定向平面一边3角见图1 带障板的方形平面活塞型换能器(对角线定向平面中) c D()=sin (D5 十La)i" 式中;！ 方形对角线长度,m 25
GB/79652002 乙轴选在活塞面的法线方向上 d等间隔的N基元线列阵 D(3)=sin Nksin3 (D6 Nk4Aim; 式中:d 直线上基元中心的间距， ,m; N -基元数 Z轴取在线轴上,8角见图1 e细圆柱弯成的圆环 D(0)=,.(krsin0) D7 式中 圆环的半径， ,m; J.(krsin -零阶贝塞尔函数 乙轴取在圆环所在平面的法向上 E 附 录 提示的附录 考 文 献 [1]IBobber.R.J《水下电声测量》郑士杰译 国防工业出版社,1977 r./.Acouus.Soc.Am33.1961 [2] Bobber.R.」andSabin.C.A.Cylidrical wavereciprocityparameter. p446 [3]ANSIS1.201988.AmericanNationalStandardProceduresforCalibrationofUnderwaterElec troacousticTransducers(ASA751988).(RevisionofANSIS1.201972 [4门 Kondig.P.M8.Mueser.R.EAsimplifiedmethodfordeterminingtransducerdirectivityindex J.Aeos/.Se.Am.19.1947.p691 [5]ADA038073《HandlookfArayDesignTechnoogy1976. [[6]何祚镐,何元安商德江 双水听器水声声强测量系统的误差分析和校准 声学学报,2000;25(5): 235-241 [7]郑士杰,袁文俊,缪荣兴,薛耀泉 水声计量测试技术 哈尔滨工程大学出版社.1995 26