声学水声发射器的大功率特性和测量

声学水声发射器的大功率特性和测量

国家标准作 GB/T79672002 声学水声发射器的大功率特性和测量 Acoustics characteristicsofunderwater Hligh-power soundprojeetorsandtheirmeasurements 2002-03-26发布 2002-12-01实施 中华 民共，和国 发布 国家质量监督检验检疫总局国家标准
GB/T79672002 目 次 前言 范围 引用标准 基本电声参数表 测量原理 测量条件 测量方法 测量不确定度 附录A(提示的附录水声发射器在大功率状态下的非线性与过载 12 附录B(提示的附录)水声发射器在大功率状态下的空化现象 12 附录c(标准的附录水声发射器发送声压波形畸变系数的测量 13
GB/T79672002 言 前 本标准是对国家标准GB/T7967一1987《声学水声发射器的大功率特性和测量》的修订 GB/T -1987自187年发布实随以来.在规范和统一我国发射声纳换能器及其它水声发射器的特性和 7967一 测量方法,进而提高它们的研制和生产质量方面起了重要作用 为了使本标准在形式和内容上更好地满 足目前及今后的使用和技术发展的需要,决定对GB/T7967一1987作修订 对原标准的主要修改方面如下 通过对文本内容结构重新归并和调整,把原标准中的十五个章节修改成七个章节,使标准更加 简洁明了、易于使用,也更符合关于国家标准编写的当前规定 根据当前的实际使用情况,更改了测量系统的组成框图和部分测量仪器 删去了目前已基本不用的测量发射器阻抗(导纳)的三电压法和测量输人电功率的相位补偿法 本标准的附录A和附录B是提示的附录,附录C是标准的附录 本标准从实施之日起代替GB/T7967一1987 本标准由科学院提出 本标准由全国声学标准化技术委员会归口 本标准起草单位:船舶重工集团公司第715研究所、科学院声学研究所、船舶工业集 团公司721厂,哈尔滨工程大学水声所、船舶重工集团公司612厂 本标准主要起草人;袁文俊,朱厚卿,薛耀泉
国家标准 GB/T79672002 声学水声发射器的大功率特性和测量 代替GB/T7967一1987 characteristicsofunderwater AcostiesHigh-power soundprojeetorsandtheirmeasurements 范围 本标准规定了表征水声发射器在实际工作状态下大功率发送性能的基本电声参数及其测量方法 本标准适用于压电型,磁致伸缩型等水声发射器,也适用于由这类发射器所构成的水声发射器阵 本标准中的测量方法适用于在大功率下测量水声发射器,也适用于测量或试验非大功率激励下的水声 发射器 注;处于大功率激励下的水声发射器可能产生非线性效应,这时,水声发射器的某些电声参数已失去标准含义 为 了实际使用的方便,本标准中引伸使用线性状态下的定义,但所定义的参数只对应于基波信号频率及指定的电激励级 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/T3947一1996声学名词术语 GB/T3223-1994声学水声换能器自由场校准方法 GB/T7965一2002声学水声换能器测量 基本电声参数表 水声发射器基本电声参数见表1 表1 参数 符号 单位 定 Z下=ur/ir |Zrle的 Z Q 等效电阻抗 发射器输人信号基波瞬时电压,N V; 式中;u 发射器输人信号基波瞬时电流,A; 等效电阻抗幅值,n 1zl 等效电阻抗幅角("y. 92" 等效电导纳 Y" Y=1/Z=|Yrle e所y 式中:|Y 等效电导纳幅值,S; 等效电导纳幅角(c). 9Ym 发送电压响应 S Pa m/ 见GB/T3223 发送电压响应[级] S dB(基准值:laAPa”m/八V见GB/T3223 国家质量监督检验检疫总局2002-03-26批准 2002-12-01实施
GB/79672002 表1(完 参数 符号 单位 定 发送电流响应 S Pa”m/A 见GB/T3223 发送电流响应[级了 s a(基难值lPam/见GB/T328 Sw=id/W 发送功率响应 Sw Pa'm'/W 指定方向上远场中某一测量点离发射器 式中; d 声中心的距离,m:; 距离d处的声压,Pa: W 发射器输人电功率,w 发送功率响应汇级] Sw dB(基准值: Sw=1olg(Sw/Sw 式中 S 发送功率响应,Pa'm'/w; 1APa'm'/w 基准值,通常为1APa'm'/w 输人电功率 发射器由功率源吸收的有功功率 输人电功率[级] Lm dB(基准值:1W Lw =1olg(W./W 式中;w 输人电功率,w W -基准功率,通常为1W 指向性图案 指向性因数 见GB/T3947 R 指向性指数 D dB w 辐射声功率 W 发射器在单位时间内发射出的总声能量 辐射声功率[级 dB(基准基lpw 1olg(w./w. L lw 式中:W 牺射声功率,W; W 基谁声功率,通常为1pw 电声效率 见GB/T7965 孙 dB(基准值:lPam 发射器声源级 Is 在指定方向上,离发射器声中心1m处的表观声压级 Ls,=L十2olgd 式中:d 在指定方向上远场中某一测量点离发射 器声中心的距离,m; 距离4处的声压级,dB(基准值:l1APa). 最大响应频率 Hz fM 在恒压或恒流发送响应曲线中对应于最大响应的频 率在恒压或恒流发送响应曲线中对应于比最大响应 响应带宽 / Hz 低3dB的上下两个频率f与f之差,即f=f 过载声压级 发射器声源级与电激励级(电压级、电流级或电功率 lN dB 级)之间的关系偏离线性关系不大于某一规定值时所 基准值;1APam) 产生的最大声源级 W 功率容量 发射器声源级与输人电功率级之间的关系偏离线性 关系或其它物理性能的变化不大于某一规定值时容 许的最大输人电功率
GB/79672002 测量原理 等效电阻抗与等效电导纳 根据定义,发射器的等效电阻抗Z可直接由瞬时激励电压u与瞬时激励电流用式(1)求得 = e9 " Z，一 “ 用电压瞬时取样电压l与电流瞬时取样电压代替(1)式中的u与后,得 UC Ce" Z= " C C 3 器是 1Zl= 式中:U 发射器激励电压的取样电压,V U 发射器激励电流的取样电压,V u相对于u的相位差,即发射器等效电阻抗幅角,("); 9" C 电压取样系数; 电流取样系数,V/A 根据发射器等效电导纳的定义,同样有: Y,-己 是是 5 |Yl= u相对于u的相位差,即发射器等效电导纳幅角.(") 式中: 注 在本标准中,当不加说明时电压与电流均为有效值,用大写英文字母表示 对于电压与电流的瞬时值则用瞬时电 压、瞬时电流说明,用小写英文字母表示 发射器等效电阻抗与其所处声场及其环境(静压,温度等)和电负载(连接电缆的长度)等条件有关,故在给出发 射器等效电阻抗时应同时指明这些条件 4.2输人电功率 发射器输人电功率可直接由式(6)计算: UU W =U'lcosg -cos9 CC 式中:U 发射器激励电压,V; 发射器激励电流,A; l下 发射器瞬时激励电压与瞬时激励电流间相位差,() 输人电功率也可通过等效电阻抗或电导纳的预先测量由式(7)或式(8)计算 W G W " R 8 等效电导纳的实数部分.S; 式中:Gm 等效电阻抗的实数部分,Q. Rrs 4.3发送响应 4.3.1发送电压响应[级 发射器发送电压响应的测量方法同于GB/T3223一1994中的5.3条 发送电压响应与发送电压响 应级分别由式(9)与(10)计算
GB/79672002 S 9 U， 十2olgCp十20lgdl一M (10 S，一2olg 式中:U 标准水听器的开路电压,V -发射器与标准水听器声中心间的距离,m; d M 标准水听器的自由场电压灵敏度,V/Pa; M -标准水听器的自由场电压灵敏度级,dB(基准值:lV/APa) 4.3.2发送电流响应[级] 发射器发送电流响应的测量方法同于GB/T3223一1994中的5.2条 发送电流响应与发送电流响 应级分别由式(11)和式(12)计算 G d S= U M s,一2olg十2olgC,十2lgdl 12 4.3.3发送功率响应[级] 发射器的发送功率响应及发送功率响应级,可根据定义通过电功率和指定方向上远场声压的测量 分别由式(13)和式(14)计算 U.l Sw= 13 W.M (14 Sw=20lgl' 十20lgd一M 1olgW 式中:w -发射器的输人电功率,w 发送功率响应与发送功率响应级也可通过发送电压或(和)电流响应及等效电阻抗或电导纳测量数 据由式(15)与式(16)导出 S% S% SS Sw 15) G Rrs cOSg =S S l6 10lg(Gm 1lgR S" Sv十S 1olgcos9 4.4指向性图案,指向性因数和指向性指数 工作在线性状态下的发射器指向性图案通常不随激励功率而变化,但当激励功率大到一定程度时 指向性图案可能要发生变化 因此,必须在实际的功率与信号状态下测量基波信号的指向性图 指向性 图案的测量,按GB/T7965实行 指向性因数与指向性指数由实测得的指向性图计算,计算方法见GB/T7965 如果在大功率状态 下测得的指向性图仍具有对称性,则也可用GB/T7965规定的方法计算 4.5发射器声源级 用标准水听器在远场指定方向上测量离发射器有效声中心d(m)处的声压/a(Pa),则由式(17)计 算发射器此时的声源级 (17 ，=2olg户十2olgd十120 ls =L，十2olgd 式中:L -d(m)处的声压级,dB(基准值:lPa) 4.6辐射声功率 用标准水听器在远场中指定方向上(通常为声轴方向)测量离发射器有效声中心d(m)处声压力 (Pa),则由式(18)和(19)分别计算发射器的辐射声功率和辐射声功率级
GB/79672002 x w 18 cR 50.7 Lw，=L一D十20lgd =I一D 50.7 (19 式中:R -发射器的指向性因数(以声压测量方向为参考方向; -发射器的指向性指数(以声压测量方向为参考方向),dB; 水的密度,kg/m; 水中声速,m/s 式19)中取20C时的p,e值,即p=988kg/m,(=1482m/s 在10C30C范围内的误差不超 过士0.1dB 4.7电声效率 发射器的电声效率可直接根据定义通过输人电功率w 和辐射声功率w 的测量由式(20)导出: " ×100% 20 叽. = 也可用相应的发送响应值分别由式(21,(22)和(23)导出 4还S ×100% . 21 灰GT IrS × 100% 22 刀 RR S 4x ×100% 23 = 衣 4.8非线性 当发射器的激励功率大到一定程度时,由于发射器介电性能、机电转换性能与动态力学性能等的非 线性以及由空化引起的声学性能的非线性,其电输人级与声输出级之间将偏离线性关系,详细描述见附 录A和附录B 测量发射器的非线性时,在确定的试验环境与信号参数下,从小到大增加激励电压级(或电流级)或 电功率级,同时测量其值及对应的声源级,然后,以声源级为纵坐标,激励电压级(或电流级)或电功率级 为横坐标,用线性刻度画关系曲线,如图1所示.在理想的线性工作状态下,这些曲线应是具有某一斜率 的直线,当出现非线性时,此曲线通常将偏离直线向下弯曲 图1(a)是以电压为电输人量,图1(b)是以 电功率为电输人量 通常,以电压(或电流)作为发射器电输人量时而得到的非线性关系不同于电功率为 电输人量时而得到的非线性关系 因此,在上述两种关系中应选取非线性效应更为明显的一个作为发射 器非线性的量度 但在特定情况下,也可根据实际需要选取两者之一作为非线性的量度 195 195 190 190 食 185 85 180 180 175 175 170 170 5 40 5 55 10 50 60 15 20 25 30 Lv/dB(基准值;IVD Lw/dB(基准值Iw b a 图1发射器的声输出量与电输人量间的关系图
GB/79672002 因非线性的出现与信号参数(频率、脉冲宽度与周期)及工作环境(温度、水深与水质)等有关,所以 在给出非线性试验结果时,需同时说明试验环境及所用的信号参数 注;通常,工作在非线性状态下的发射器发送声压波形要发生畸变,因此有时也可用声压波形的畸变系数的变化 来量度发射器的非线性 关于畸变系数的定义及测量方法见附录c 用此方法进行非线性量度时,需区别并排 除由于发射器激励信号波形的畸形、声压测量系统(包括水听器、测量放大器及滤波器等)的过载而引起的 畸变 4.9最大响应频率与响应宽度 测量发射器在恒定激励电压下的发送电压响应频率特性曲线,或在恒定激励电流下的发送电流响 应频率特性曲线 频率特性曲线中对应于最大响应值的频率即为最大响应频率fM 并求得比最大响应值低3dB的 响应所对应的上下两个频率，与i,则由式(24)求算响应带宽 A=f，一 24) 4.10过载声压级 用4.8条所规定的方法画出发射器声源级与激励电压级(或电流级)之间的关系曲线,及声源级与 激励电功率级之间的关系曲线 求定它们各自与理想的线性关系偏离某一规定值(通常取1dB)时的声 源级,取其中较小的一个声源级为发射器的过载声压级LM 在给出过载声压级时,必须说明此规定偏离值、工作环境及信号参数.如果引起过载的原因已明确 则也应说明之 注:在实际使用中,也可根据发射器的工作原理、用途及使用条件规定与理想的线性关系最大允许偏离值 4.11功率容量 根据定义,在一般情况下,与发射器过载声压级所对应的输人电功率即为发射器的功率容量 但在 某些情况下,也可以用最大可允许的发射器内部温度升高程度、磁饱和程度及绝缘性等作为确定功率容 量的判据 在给出功率容量时,必须说明用于确定功率容量的判据、工作环境及信号参数 测量条件 信号参数及环境条件 5.1 测量时所用的激励电压(电流或电功率),脉冲宽度与脉冲周期等信号参数,以及工作深度,水质与 水温等环境条件必须与被测发射器的实际工作状态或预定的试验状态相一致 不能无依据地把发射器 在小功率激励下的测量结果推至大功率下的特性.在一般大功率测量情况下,不能用脉冲信号状态下的 测量结果代替连续信号状态下的特性,或反之 在给出测量结果的同时,必须说明可能会影响测量结果的信号参数与环境条件 注:测量深水工作的发射器时可用高静水压消声水池或高压透声容器模拟深水工作条件 5.2声场条件 本标准中的所有测量都必须在自由场条件下进行 要求实际声场与理想的自由场间的偏离不超过 士1.0dB 当在脉冲信号状态下测量时,必须至少有两周稳态声信号 关于声场检验、有效声中心和测量距离的确定按照GB/T3223和GB/T7965有关条款所规定的 实行 5.3测量前换能器的准备 发射器和测量水听器的清洗、浸泡及正确的吊放、安装等准备工作按照GB/T7965和GB/T3223 中有关条款所规定的进行 5.4基本测量设备 5.4.1功率源 在进行本标准所规定的各项测量工作中,都必须使用具有相当功率容量的功率源 功率源可以是专 用的发射机,也可以是通用的信号源加功率放大器 它们的频率范围、输出信号形式、动态范围、输出阻
GB/79672002 抗、输出电压(或电流)和输出功率及输出信号波形失真等都应满足测试需求 电压信号采集与测量仪器 5.4.2 发射器在大功率下电声特性的测量最终都归结为对不同来源的电压信号采集和测量.因此,电压信 号的采集和测量仪器是最主要的测量设备,在进行本标准所规定的各项测量工作中其主要功能是测量 电压值或电压及其相位角 这类仪器可以是数字电压表、相位计或复频响分析仪等频域测量仪器,也可 以是数字采样示波器,波形采集器等时域测量仪器 无论用哪种仪器,其频率范围和测量动态范围都必 须满足测量要求,并且电压值测量不确定度应不大于2%,相位角测量不确定度应不大于1 5.4.3滤波器和放大器 在大功率激励状态下,尤其是在非线性范围内工作时,信号波形将发生畸变 为了正确测量对应于 基波信号的参数,在电压,电流及声压的测量系统中必须选用适合基波信号的滤波器 为了提高测量的 信噪比一般情况还需要使用测量放大器 滤波器和测量放大器的综合带宽及选择性应使通过的总谐波 信号至少比基波信号低40dB,但当测量脉冲信号时,其带宽应不小于脉冲宽度倒数的二倍 滤波器和 放大器系统增益的最大允许误差不超过士0.2dB 5.4.4水听器 测量用水听器的频率范围、自由场电压灵敏度值和动态范围应满足测量要求,尤其应注意保证其工 作在线性范围 水听器自由场电压灵敏度值的测量(扩展)不确定度应不大于0.7dB(包含因子k=2). 5.5其它条件 需注意整个测量系统的正确接地与屏蔽,以确保同频率干扰电压及其谐波干扰电压至少比被测信 号电压低30dB 测量方法 按照本标准第4章中规定的各电声参数的测量方法,需要直接测量的量是发射器激励电压Ur,激 励电流lr、它们之间的相位角9及指定方向上(通常为声轴方向)远场中距离d处的声压等四个量或 其中几个量 因此,正确选择这四个量的测量方法非常重要 6.1电压和电流取样 为了使在大功率激励下能用常规的测量仪器安全、准确地测量发射器激励电压和电流幅值与两者 间相位差,必须首先用下述方法对电压与电流信号进行取样 6.1.1电压取样 可供选择的电压取样方法有两种(首选分压器法): a分压器法;将取样用的分压器与发射器的输人端并联,如图2所示 分压器输出电压即为取样 电压 25 Ku=C,u 4y" 取样瞬时电压,V; 式中:uw" 发射器的瞬时激励电压,V:; 尺 分压器的分压比 电压取样系数c;一) C 要求分压器的输人阻抗至少比发射器阻抗高100倍,输出阻抗应低于电压测量系统的输人阻抗的 1/100 人值的不确定度应不大于2%,分压器的相位失真应不超过士1 b电流变换器法;如图3所示,在发射器的输人端并联一个高值标准电阻 用电流变换器对瞬时电 流iR取样,则其瞬时激励电压u的取样值u可由式(26)求得 26 -=Cvur ( u4y" 个 式中;n 电流变换器的灵敏度,V/A
GB/79672002 高值电阻值,Q; R 电压取样系数(Cy=n/R). 电压取样的分压器法原理图 电流变换州 uv 图3电压取样的电流变换器法原理图 要求R，值至少比发射器阻抗大100倍 R值的不确定度应不大于1%;值的不确定度应不大于 1.5%;电流变换器的相位偏移应不超过士1" 6.1.2电流取样 可供选择的电流取样方法有两种(首选电流变换器法) a电流变换器法;在功率源输出端的高端或低端的任何处接人一电流变换器,如图4所示,则由式 (27)可求得的取样电压u u=nir=Ci 27 流人发射器的瞬时电流,A 式中:i 电流变换器的灵敏度,V/A 电流取样系数(C=n) 电流变换器 功 发 率 鄙 电流取样的电流变换器法原理图 要求电流变换器灵敏度值的不确定度不大于1.5%,其相位偏移不超过士1 用此取样法,不受发射器及功率源接地状态的限制
GB/79672002 b)小电阻取样法;将一取样用的标准小值电阻串接在发射器的低端.与功率源的连接方式视功率 源与发射器的接地状态而定 功 项 功 发 发 发 率 率 射 射 射 率 源 舟 器 器 源 器 u 图5电流取样的小电阻法原理图 当发射器可不接地而功率源必须接地时,应如图5(a)所示那样连接,此时瞬时电流信号的取样电 压应由式(28)求得 28 =Ri=C l= 式中;R -精密标准小电阻,Q. 当发射器必须接地而功率源可不接地时,应如图5(b)所示那样连接,则此时的瞬时电流信号的取 样电压应由式(29)求得 29 R,r=C u=一 当发射器与功率源都必须接地时,则应如图5(e)所示那样,在发射器与功率源之间插人 -隔离变 压器,这时瞬时电流信号的取样电压同样由式(29)求得 要求电流取样用的标准小电阻应是纯阻性的,其阻值尽可能地小,通常应不大于发射器阻抗的 1/100,电阻值的不确定度应不大于2% 小电阻还应有足够高的功率容量,由于发热而引起阻值的变化 应不超过士2% 6.2比较测量 比较测量技术以模拟测量为基础,测量方框图见图6 双通道频率合成器的通道1输出的连续正弦 信号通过脉冲调制器调制成脉冲正弦信号并经功率放大后激励发射器发射声波 频率合成器的通道2 输出同频率的正弦信号,既作为激励电压与激励电流的参考信号又作为水听器开路电压的参考信号,先 后分别输人到差分放大器和接收指示系统(包括测量放大器、滤波器、,示波器).当测量激励电压时,电压 取样电压信号馈人差分放大器,并通过频率合成器调节参考信号(通道2输出信号)的幅值和相对于通 道1输出信号相位,直到在示波器上观察到脉冲稳态部分的波形消失为止(此时,参考信号电压与取样 电压幅度相等,相位相反) 在频率合成器上读取参考信号电压U'，和相对于通道1输出信号的相位9 参考信号电压也可用另外的数字电压表读取) 当测量激励电流时,电流取样电压信号馈人差分放大 器,同样用与参考信号相比较的办法读取电压U和相位9 则可求得发射器激励电压与电流间的相位 差一9v一分=9- 当测量发射器的声轴方向远场声压时,把测量水听器固定于发射器声轴方向远场中离其声中心d 距离处,d的测量不确定度应不大于2% 水听器在声压作用下产生开路电压信号 此信号与频率合成 器来的参考信号先后馈人同一测量放大器和滤波器,并用同一示波器显示波形 调节参考信号的幅度 使与水听器开路电压信号中直达脉冲稳态部分的幅度相等,读取参考信号电压值,即为U. 要求测量系统的幅度调节分辨力优于0.1dB,相位调节分辨力优于1"
GB/79672002 双通道频率合成器 数字电压表 示 放器 通道1 通道2 差分放大器 测量放大器和龙波器 脉冲调制器 功奉放大器 电压电流取样器 发射器 水听器 水域 6 图 比较测量法的方框图 计算机 通道 通道2 程控信号源 数字信号采焦器 测最放大器 脉冲调制器 滤 器 波 电压电流取样器 功率放大器 程控开关 发射岑 水听器 水域 图7直接测量法的方框图 6.3直接测量 直接测量方法以数字测量为基础,测量方框图见图7 程控信号源在计算机控制下输出所需频率的 连续正弦信号,由脉冲调制器调制成脉冲正弦信号并经功率放大后激励发射器 发射器发射声波,位于 其声轴方向远场中d距离处的水听器接收声波产生开路电压U'e.它与来自电压电流取样器的电压取样 10
GB/79672002 电压和电流取样电压4一起输人程控开关 在计算机控制下它们先后分别通过放大和滤波器后由 数字信号采集器采样 为了求得4与"间的相位,数字信号采集器的通道2在分别采集“与 的同 时通道1还同步采集程控信号源输出的连续正弦信号 数字信号采集器采得的各种波形数据通过通用 接口传送至计算机 由计算机进行单点DFPT计算,进而求定各测量频率点处的4M9和U. 要求数字信号采集器的A/D变换位数不小于8bit 建议采样频率不低于测量频率的20倍,DFT 运算窗宽度不小于信号周期的两倍并应尽可能宽 测量不确定度 在满足本标准中所规定的测量条件及各项要求的情况下,各电声参数的测量值可望有如下的扩展 不确定度(包含因子人=2,置信水平95%): a等效电阻抗与电导纳模值的测量不确定度为5%,幅角的测量不确定度为3" b 输人电功率值的测量不确定度为10% c 发送电压响应与发送电流响应的测量不确定度为1.3dB; 发送功率响应的测量不确定度为1.5dB; 声源级的测量不确定度为1.3dB; 辐射声功率的测量不确定度为23% 声效率的测量不确定度为25% 2 最大响应频率及响应带宽的不确定度除决定于测量频率误差和发送响应频率曲线的测量误差外 还与具体发射器的发送响应曲线的形状有关 过载声压和功率容量判断值的不确定度与发射器的声源级和输人电功率的测量不确定度有关,但 更重要的是决定于具体发射器的非线性状态和稳定性 11
GB/79672002 附录 A (提示的附录) 水声发射器在大功率状态下的非线性与过载 A1在强电场(或强磁场)的作用下,换能器振动元件的介电性能(或导磁性能)将会随激励电压(或电 流)而变化,即表现出电容量(或电感量)的变化及介电损耗(或磁滞损耗)的增大;在大振动幅度下,元件 的弹性参数(杨氏模量、机械损耗)有可能随应变而变化,即表现出谐振频率及机械品质因数的降低;在 高电压(或大电流)激励下,有可能出现应变与电场(或磁场)强度的非线性关系,即机电转换系数随电压 或电流)而变化;还有,组成换能器的其他无源元件的机械参数(弹性、损耗等)也可能会随振动幅度而 变化;另外,在大功率激励下.由各种损耗所产生的大量热能致使换能器元件温度升高.引起性能变化 尤其严重的是当换能器在大功率下工作时,由于辐射面上产生空化而引起换能器辐射阻抗的严重变化 与不稳定(关于空化的产生与判别见附录B) 因此,当激励功率大到一定程度时,换能器的输人量与输 出量间的线性关系将遭到破坏 A2为了有效地,正确地使用大功率水声发射器,必须预先通过测定其声输出量与电输人量间的关系 来检查非线性 并由此确定在一定工作环境与信号参数下的线性范围,也可定量给出在工作范围内的非 线性大小 通常,发射器的声输出量为声源级,电输人量为电压(电流)级或电功率级 因此由电压(电流)级 声源级及电功率级-声源级间的关系中都可得到发射器非线性大小的量度,但由于发射器阻抗随电激励 级而变化,用这两种关系得到的非线性程度往往是不一致的 所谓“线性”是有明确含义的;即在用直角坐标与线性刻度绘制的声输出量与电输人量的关系曲线 上,其直线部分是线性区,而其他部分即属非线性区 在非线性区内,发射器的发射声信号波形往往要产 主往要产生畸变,而且非线性越严重,畸变就越大 因此、 通过对换能器发送声压波形畸变系数的测量也可以检查非线性的大小,但由畸变系数确定的线性范围 没有像由声输出量与电输人量间的关系曲线所确定的线性范围那样明确 A3当大功率水声发射器的发送声压级超过某一量值时,就不符合正常使用要求,此声压级称为发射 器的过载声压级 一般来讲,造成过载的主要原因是发射器的非线性 因此,可由发射器电输人量与声 输出量间的关系曲线,以偏离线性关系某一规定值作为判据,来确定过载声压级 不同的使用要求,可有 不同的判据,例如,对于需严格工作在线性范围内的标准声源或互易换能器,应以开始出现非线性作为 判据;对于其他发送水中声信号用的发射器,则可以偏离线性关系1dB3dB作为判据 B 录 附 提示的附录 水声发射器在大功率状态下的空化现象 B1由于液体中溶解有空气,并且不同程度地存在空化核,当水声发射器的发射声功率大到一定程度 时,致使声波负半周的瞬时声压使液体中产生空泡或气泡,形成“声空化” 这时媒质的特性阻抗下降,引 起发射器辗射阻抗的明显变化 另外由于空化气泡作非线性振荡,并且在正半周瞬时声压作用下,有 些气泡被压破形成脉冲式冲击波产生噪声 因此,当发生空化时,发射器的发送声压波形发生畸变,发射 器电输人量与声输出量间的线性关系遭到破坏,辐射声功率下降 空化是限制大功率水声发射器发送功 率的重要因素,在一般情况下,它又是引起浅水工作的发射器非线性与过载的首要原因 通常,用空化阔定量表示空化的起始级 空化阂用峰值声压(Pa)表示,也可用平面波声强(w/nm) 来表示 12
GB/79672002 R2影响发射器空化的因素众多 不同性质的液体有不同的空化;同种液体的空化阔又与它的温度、 含气量、含杂质程度、静压等有关;即使在以上条件都相同的情况下,空化阔还随工作频率与信号形式 连续或脉冲,脉冲宽度及重复频率)而变化 另外,换能器或基阵工作面表面状态和振幅分布的均匀程 度也影响着空化阂 在同一种液体中,增加发射器的工作深度、减小脉冲宽度、提高工作频率都能有效地提高空化阔 B3判别空化的发生通常用如下三种方法 B3.1观察发射声信号波形的变化 当发射器的激励级逐渐增加,在观察到声信号波形开始发生畸变时,则马上增加发射器的工作深度 当用高压容器模拟时,可增加容器中静压) 如果波形畸变消失,而再回到原来深度上时,波形又复畸 变,则表明在此深度上空化已发生 B3.2根据声压与激励电压(或电流)间的非线性关系确定 在已知发射器本身的机电性能处于线性工作状态及测量水听器工作在线性范围的情况下,如测得 水听器的开路电压U.与发射器的激励电压U(或电流)间的关系偏离线性关系时(如图B1所示),表 示开始出现空化 但在拐点A之前为弱空化,之后为严重空化 B3.3通过测定声信号波形的谐波分量或畸变系数来确定 在已知发射器的机电性能及测量水听器处于线性工作状态并激励电信号无畸变的情况下,用频率 分析仪或窄带滤波器测量发射器发送声压波形的基波及各谐波分量,并计算畸变系数D(见附录C) 当 谐波分量显著增强,增多(畸变系数显著增大),并出现分谐波时,表示已开始空化 U(或 图B1空化时电输人与声输出量间关系曲线 附录 标准的附录 水声发射器发送声压波形畸变系数的测量 通常,工作在非线性状态下的水声发射器的发送声压波形要发生畸变,其畸变程度可用畸变系数定 量地描述 畸变系数定义为:总谐波声压与基波声压之比并取其百分数 因为造成水声发射器非线性的因素中包含了“声空化",故根据上述定义,声压波形畸变系数D,的 表达式为 SA+Y的- 习 ×100% (C1 D 13
GB/79672002 基波声压,Pa; 式中:户 i次分谐波声压(i=2,3,,l),Pa; P j次谐波声压(=2,3,,m),Pa 第个超谐波声压(k=1,2,,n),Pa 用宽带测量水听器在自由场条件下测量发射器的发送声压 测量中用窄带频率分析设备测量水听 器的基波及各谐波开路电压,然后代人式(C2)计算声压波形的畸变系数 上上 M ×100% C2 D，= 式中:U 基波开路电压,V U， 7次分谐波开路电压,V; 次谐波开路电压,V; UU 第个超谐波开路电压,V M 对应于基波频率的水听器灵敏度,V/Pa; 对应于i次分谐波频率的水听器灵敏度,V/Pa; M 对应于j次谐波频率的水听器灵敏度,V/Pa M 对应于第人个超谐波频奉的水听器灵敏度,V/M M 当在测量频率范围内水听器灵敏度的频率响应曲线的起伏小到可忽略时,(C2)式可简化成 J+>叫+" D ×100% C3 测量的最高分谐波分数1,谐波次数m及超谐波最高数n应这样确定:大于1次的任何分谐波声 压,大于"次的任何谐波声压及大于第n个超谐波声压至少比基波声压低40dB 注 有时畸变系数定义为总谐波声压与总声压之比,并取其百分数,即 心所+>的+>" ×100% SS十当 显然,与(C1)式定义的畸变系数有如下关系; D, 1+D3 当畸变很小时,D'~D 分谐波、谐波及超谐波频率与基波频率有如下关系 =w 式中:o 基波圆频率; 分谐波,谐被或超谐波圆频率 a 任意正整数 、q 当力=1q>1时,做为的分谐波频率 当>1q=1时,o,为o的谐波频率 除上述两种频率外对应于>l.9>1时的所有仙都称为，的超谐波频率 以上公式中的声压值都是在某一时间内的平均值 14