水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准规范

JJF1877—20201水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准规范1范围本规范适用于2kHz~30kHz频率范围内使用的水声材料声学性能脉冲管测量系统的校准。2引用文件本规范引用了下列文件:JJG449—2014倍频程和分数倍频程滤波器JJF1001通用计量术语及定义JJF1034声学计量名词术语及定义JJF1059.1—2012测量不确定度评定与表示GB/T3102.7声学的量和单位GB/T3223—1994声学水声换能器自由场校准方法GB/T3947声学名词术语GB/T14369—2011声学水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位GB/T3223—1994、GB/T3947、GB/T14369—2011、JJF1001、JJF1034和JJG449—2014界定的及以下术语和定义适用于本规范。本规范采用GB/T3102.7—1993规定的量和单位。3.1水声材料underwateracousticmaterial在水声工程中使用的具有特定声学性能的无源材料及其构件。3.2脉冲管pulsetube在其中发射、传播和接收脉冲声波,用于测量材料或构件样品声学特性参数的充水刚性厚壁金属管。[GB/T14369—2011,定义3.1]注:脉冲管一般为厚壁圆管,垂直放置,壁厚不小于管的内半径。3.3声压透射系数soundpressuretransmissioncoefficientT给定频率和环境条件下,水媒质中平面声波入射到无限大板状样品表面,其透射波声压与入射波声压之比。2[GB/T14369—2011,定义3.4]注:实际测量时,在边缘效应可忽略的情况下,有限尺寸样品等效为无限大样品。3.4声压反射系数soundpressurereflectioncoefficientR给定频率和环境条件下,水媒质中平面声波入射到无限大板状样品表面,其反射波声压与入射波声压之比。[GB/T14369—2011,定义3.5]注:实际测量时,在边缘效应可忽略的情况下,有限尺寸样品等效为无限大样品。3.5插入损失insertionlossIL给定频率和环境条件下,水媒质中在平面声波传播方向上插入无限大板状样品,在声波透过样品后的某处,样品插入前与插入后声功率级之差。[GB/T14369—2011,定义3.6]注:1实际测量时,在边缘效应可忽略的情况下,有限尺寸样品等效为无限大样品。2单位为分贝(dB)。3.6回声降低echoreductionER给定频率和环境条件下,水媒质中在平面声波传播方向上插入无限大板状样品,在样品前表面某处,入射波声功率级和反射波声功率级之差。[GB/T14369—2011,定义3.7]注:1实际测量时,在边缘效应可忽略的情况下,有限尺寸样品等效为无限大样品。2单位为分贝(dB)。3.7吸声系数soundabsorptioncoefficientα给定频率和环境条件下,水媒质中在平面声波传播方向上插入无限大板状样品,被样品吸收的声功率与入射波的声功率之比。[GB/T14369—2011,定义3.8]注:实际测量时,在边缘效应可忽略的情况下,有限尺寸样品等效为无限大样品。4概述水声材料声学性能脉冲管测量系统的原理框图如图1所示,系统由脉冲管、收发合置换能器、标准反射体和电子仪器组成。有的系统还包括调节声管内部水温和水压的辅助系统,以及声管盖子开启密封的机电机构。脉冲管一般为厚壁不锈钢充水圆管,内径ϕ57mm或ϕ120mm,壁厚不小于管的内半径,高度5m~10m不等,垂直放置。位于脉冲管底部的换能器向脉冲管中发射正弦波脉冲,被位于脉冲管中的水声材料样品反射和透射。其中样品反射波再由同一换JJF1877—20203能器(或水听器)接收,样品的透射波在脉冲管末端被声学刚性(或声学柔性)标准反射体反射,第二次透过样品,被同一换能器(或水听器)接收。图1水声材料声学性能脉冲管测量系统原理框图电子仪器由信号发生器、功率放大器、电子开关(或收发转换器)、带通滤波器、信号采集器(或数字示波器)和计算机系统组成。计算机安装测量软件,通过总线控制数字仪器,完成信号采集与处理、测量结果保存和打印。采用人工读数测量时,信号采集器可用数字示波器替代,电子开关可用收发转换器替代。5计量特性5.1标准样品的声压反射系数1)校准频率:测量频率范围内不少于5个1/3倍频程中心频率;)).偏(于测量不确定度。5.2标准样品的声压透射系数1)校准频率:测量频率范围内不少于5个1/3倍频程中心频率;2)测量不确定度均不大于0.1(k=2);3)测量值与标称值的实验标准偏差不大于测量不确定度。具体被校测量系统(脉冲管法)的频率范围由生产厂商给出。注:以上技术要求不用于合格判定,仅供参考。6校准条件6.1环境条件1)室温:10℃~30℃;2)相对湿度:30%~90%;3)水温:5℃~30℃;JJF1877—202044)水压:0.1MPa~3.0MPa。6.2测量标准及其他设备6.2.1标准样品1)标准样品材质为有机玻璃,化学名称:甲基丙烯酸甲酯(PMMA);2)对于内径ϕ57mm的脉冲声管,标准样品直径为ϕ56.5mm;3)对于内径ϕ120mm的脉冲声管,标准样品直径为ϕ118mm;4)标准样品厚度为30mm;5)圆柱度均应不大于0.2mm;6)平面度应不大于0.2mm;7)尺寸满足K级公差等级。6.2.2标准反射体a)声学柔性标准反射体,采用水-空气(或氮气)界面;b)声学钢性标准反射体,采用不锈钢圆柱:1)与脉冲管内壁的间隙应不大于0.2mm;2)适用的频率范围为f0±f0;3)厚度应为频率为f0的声波在不锈钢圆柱中波长的四分之一。注:f0为测量中心频率。7校准项目和校准方法7.1校准项目水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准项目见表1。表1水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准项目一览表序号校准项目技术要求的章条号校准方法的章条号1标准样品的声压反射系数5.17.2.22标准样品的声压透射系数5.27.2.27.2校准方法7.2.1校准前准备7.2.1.1声管的准备1)脉冲管内应充满蒸馏水,首次注水或换水后应稳定至少48h,使脉冲管管壁与水媒质充分浸润,达到温度平衡;2)应清除脉冲管水介质内的气泡;3)如需要,启动温控装置调节管中水温,记录管中水媒质的温度t。7.2.1.2样品的准备1)标准样品及标准反射体表面应清洗擦拭干净,并放入水中浸泡至少24h,使样品表面充分浸润;2)样品及标准反射体放入脉冲管内时,应避免带入气泡,至少等待5min,使样JJF1877—20205品与水介质之间达到温度平衡。7.2.2校准数据处理校准数据处理过程如下:1)位于脉冲管底部的换能器向管中发射单频正弦脉冲声波,收发合置换能器先后接收到样品的反射声波和经声管端部标准反射体反射后的透过样品的声波;2)脉冲管中未放入样品(前),用信号采集器记录与标准反射体反射声脉冲相对应的电信号,经离散傅里叶变换(DFT)处理后得到信号电压幅值Ai;也可用数字示波器读出与标准反射体反射声脉冲相对应的信号电压幅值Ai;3)保持测量状态不变,将样品放入脉冲管中,用与2)同样的信号处理方法测出与样品反射声脉冲相对应的信号电压幅值Ar和与样品透射脉冲相对应的信号电压幅值At;也可用数字示波器读出Ar和At;4)当需要在规定水压下进行校准时,应先启动压控装置精确控制管内水压到校准压力点,然后再按过程2)和3)进行数据处理;5)按公式(1)、公式(2)分别计算样品的声压反射系数R和声压透射系数T,如有需要可按公式(3)、公式(4)计算样品的回声降低ER和插入损失IL,按公式(5)计算吸声系数α;6)将上一步得到的样品性能参数测量值和表C.1标准样品性能参数标称值进行比较,完成对水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)的校准。R=Ar/Ai(1)T=(At/Ai(2)ER=20lg(3)IL=20lg(4)α=1-R2-T2(5)式中:Ai———与入射波声压对应的电信号幅值,V;Ar———与反射波声压对应的电信号幅值,V;At———与二次透射波声压对应的电信号幅值,V;R———声压反射系数幅值,无量纲;T———声压透射系数幅值,无量纲;ER—回声降低,dB;IL—插入损失,dB;α—吸声系数,无量纲。注:1脉冲管法测量的声压透射系数为正向声压透射系数和反向声压透射系数的几何平均值。2在样品被放置在脉冲管管口情况下进行吸声系数测量时,公式(5)中T≈0。JJF1877—202068校准结果的表达8.1校准数据处理所有的数据应先计算,后修约。所出具的声压反射系数和声压透射系数校准数据修约至两位小数。8.2校准证书经校准后,应出具水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准证书。校准证书应包括的信息及推荐的校准证书的内页格式见附录A。8.3校准结果的不确定度评定水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准结果的测量不确定度按JJF1059.1—2012的要求评定,测量不确定度评定的示例见附录B。9复校时间间隔水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)的复校时间间隔建议为1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此被校测量系统的单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。JJF1877—20207附录A校准证书的内容A.1校准证书至少应包括以下信息:a)标题,如“校准证书”;b)校准实验室的名称和地址;c)进行校准的地点;d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)环境条件的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经校准实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。A.2推荐的水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准证书的内页格式见表A.1。JJF1877—20208表A.1水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准证书的内页格式校准结果共页第页标准样品的校准结果:序号f/kHz声压反射系数声压透射系数标称值R0测量值R偏差ΔR标称值T0测量值T偏差ΔT校准条件:室温:℃相对湿度:%水温:℃水压:MPa校准依据:JJF1877—2020《水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)校准规范》测量不确定度:使用校准装置名称:注:校准频率按1/3倍频程,或根据客户指定的频率。JJF1877—20209附录B测量不确定度的评定示例B.1声压反射系数测量不确定度分析B.1.1声压反射系数测量模型测量标准样品的声压反射系数时,先在无样品时采集一个参考信号,经DFT处理得到其幅值Ai,即为末端是全反射体的声信号对应的输出电压幅值,然后将样品放入管中,采集样品的反射信号,经DFT处理得到其幅值Ar,根据公式(B.1)计算出样品的声压反射系数。R=Ar/Ai(B.1)上述数学模型中,输入量为参考信号电压幅值Ai、反射信号电压幅值Ar,它们是相互独立测量得到的。B.1.2声压反射系数不确定度传递公式声压反射系数R为间接测量量,其合成标准不确定度为:(B.2)其中,灵敏系数分别为:B.1.3参考信号电压幅值测量不确定度评定参考信号电压幅值测量不确定度的主要来源有:1)由测量重复性引入的测量不确定度20℃水温和常压环境条件下,在典型测量频率点12kHz下,每一次校准都重新安装试样,在每次试样安装前对参考信号电压幅值进行测量,重复测量6次,得到的结果如表B.1所示。测量重复性所引起的不确定度分量为:u1(Ai)=0.058V表B.1参考信号电压幅值的测量数据次数参考幅值Ai/V11.10021.24631.24641.244JJF1877—202010表B.1(续)次数参考幅值Ai/V51.23961.238均值1.219sn0.0582)数字示波器的量化误差引入的测量不确定度测量示波器接收最大信号为10V,模/数转换器为8bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(-1/2,1/2)。所以,半区间=0.040V。Ai测试时会引入该分量,取k=3,则数字示波器量化误差引入的测量不确定度为:u2(Ai)=a/3=0.024V3)功率放大器稳定性引入的测量不确定度对功率放大器的稳定性要求是:在2h内信号幅值波动不超过±0.1dB(±1.15%)。假设其为均匀分布,取k=3,所以引入的测量不确定度为:u3(Ai)=2×0.0115×Ai/3=0.016V4)信噪比引入的测量不确定度本系统的信噪比一般不低于30dB。对于本测量系统,反射信号幅值小于直达信号幅值,只要求反射信号信噪比不低于30dB。信噪比为:计算得标准偏差为0.019V。所以,信噪比引入的测量不确定度为:u4(Ai)=0.019V5)水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度±0.1dB,最大变化量2.3%,假设满足正态分布,取k=2,水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度为:6)声场不均匀性引入的测量不确定度声管中声场近似严格意义上的平面波,测试使用支架声散射都会引起声场起伏,一般可假设声场不均匀性在0.5dB范围内,最大变化量5.8%,满足正态分布,取k=2。由此引入的测量不确定度为:7)标准反射体未达到100%全反射引入的测量不确定度标准反射体使用水-空气界面,标准反射体不能达到100%全反射。取最大偏差JJF1877—2020114.0%,按均匀分布计算,取k=3,所以引入的测量不确定度为:参考信号电压幅值的测量不确定度分量来源汇总见表B.2。表B.2参考信号电压幅值的测量不确定度分量来源汇总表序号标准不确定度B类分量来源符号数值1由测量重复性引入的测量不确定度u1(Ai)0.058V2数字示波器的量化误差引入的测量不确定度u2(Ai)0.024V3功率放大器稳定性引入的测量不确定度u3(Ai)0.016V4信噪比引入的测量不确定度u4(Ai)0.019V5水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度u5(Ai)0.014V6声场不均匀性引入的测量不确定度u6(Ai)0.035V7标准反射体未达到100%全反射引入的测量不确定度u7(Ai)0.028V由此可计算参考信号电压幅值的测量不确定度为:u(Ai)=u(Ai)+u(Ai)+u(Ai)+u(Ai)+u(Ai)+u(Ai)+u(Ai)=0.082VB.1.4反射信号电压幅值测量不确定度评定反射信号电压幅值测量不确定度的主要来源有:1)由测量重复性引入的测量不确定度20℃水温和常压环境条件下,在典型测量频率点12kHz下,每一次校准都重新安装试样,对反射信号电压幅值进行测量,重复测量6次,得到的结果如表B.3所示。测量重复性所引起的不确定度分量为:u1(Ar)=0.036V表B.3反射信号电压幅值的测量数据次数反射幅值Ar/V10.53220.62730.61140.58250.61260.624均值0.598sn0.036JJF1877—2020122)数字示波器的量化误差引入的测量不确定度测量示波器接收最大信号为10V,模/数转换器为8bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(-1/2,1/2)。所以,半区间=0.040V。Ar测试时会引入该分量,取k=3,则数字示波器量化误差引入的测量不确定度为:u2(Ar)=a/3=0.024V3)功率放大器稳定性引入的的测量不确定度对功率放大器的稳定性要求是:在2h内信号幅值波动不超过±0.1dB(±1.15%)。假设其为均匀分布,取k=3,所以引入的测量不确定度为:u3(Ar)=2×0.0115×Ar/3=0.008V4)信噪比引入的测量不确定度本系统的信噪比一般不低于30dB。信噪比为:计算得标准偏差为0.019V。所以,信噪比引入的测量不确定度为:u4(Ar)=0.019V5)水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度.定,变:化量2.3%,假设满足正态分布,取k=2,水听器灵敏度起伏引入的6)声场不均匀性引入的测量不确定度声管内声场近似严格意义上的平面波,测试使用支架声散射都会引起声场起伏,一.:5dB范围内,最大变化量5.8%,满足正态分布,取k=2。反射信号电压幅值的测量不确定度分量来源汇总见表B.4。表B.4反射信号电压幅值的测量不确定度分量来源汇总表序号标准不确定度B类分量来源符号数值1由测量重复性引入的测量不确定度u1(Ar)0.036V2数字示波器的量化误差引入的测量不确定度u2(Ar)0.024V3功率放大器稳定性引入的测量不确定度u3(Ar)0.008V4信噪比引入的测量不确定度u4(Ar)0.019V5水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度u5(Ar)0.007V6声场不均匀性引入的测量不确定度u6(Ar)0.017VJJF1877—202013由此可计算反射信号电压幅值的测量不确定度为:u(Ar)=u(Ar)+u(Ar)+u(Ar)+u(Ar)+u(Ar)+u(Ar)=0.051VB.1.5声压反射系数合成标准不确定度计算得灵敏系数:声压反射系数合成标准不确定度为:B.1.6声压反射系数扩展不确定度B.2为:U=k·uc(R)=0.10(k=2)。B.2.1声压透射系数测量模型测量标准样品的声压透射系数时,先在无样品时采集一个参考信号,经DFT处理得到其幅值Ai,即为末端是全反射体的声信号对应的输出电压幅值,然后将样品放入管中,采集样品的透射信号,经DFT处理得到其幅值At,根据公式(B.3)计算出样品的声压透射系数。T=(At/Ai)2/3(B.3)上述数学模型中,输入量为参考信号电压幅值Ai、透射信号电压幅值At,它们是相互独立测量得到的。B.2.2声压透射系数不确定度传递公式声压透射系数T为间接测量量,其合成标准不确定度为:(B.4)其中,灵敏系数分别为:B.2.3参考信号电压幅值测量不确定度评定参考信号电压幅值测量不确定度:u(Ai)=0.082VB.2.4透射信号电压幅值测量不确定度评定透射信号电压幅值测量不确定度的主要来源有:1)由测量重复性引入的测量不确定度JJF1877—20201420℃水温和常压环境条件下,在典型测量频率点12kHz下,每一次校准都重新安装试样,对透射信号电压幅值进行测量,重复测量6次,得到的结果如表B.5所示。测量重复性所引起的不确定度分量为:u1(At)=0.061V表B.5透射信号电压幅值的测量数据次数透射幅值At/V10.77820.82230.85140.92850.91760.915均值0.869sn0.0612)数字示波器的量化误差引入的测量不确定度测量示波器接收最大信号为10V,模/数转换器为8bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(-1/2,1/2)。所以,半区间=0.040V。At测试时会引入该分量,取k=3,则数字示波器量化误差引入的测量不确定度为:u2(At)=a/3=0.024V3)功率放大器稳定性引入的测量不确定度对功率放大器的稳定性要求是:在2h内信号幅值波动不超过±0.1dB(±1.15%)。假设其为均匀分布,取k=3,所以引入的测量不确定度为:4)信噪比引入的测量不确定度本系统的信噪比一般不低于30dB。信噪比为:计算得标准偏差为0.027V。所以,信噪比引入的测量不确定度为:u4(At)=0.027V5)水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度±0.1dB,最大变化量2.3%,假设满足正态分布,取k=2,水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度为:JJF1877—2020156)声场不均匀性引入的测量不确定度声管内声场近似严格意义上的平面波,测试使用支架声散射都会引起声场起伏,一般可假设声场不均匀性在0.5dB范围内,最大变化量5.8%,满足正态分布,取k=2。由此引入的测量不确定度为:=0.025V透射信号电压幅值的测量不确定度分量来源汇总见表B.6。表B.6透射信号电压幅值的测量不确定度分量来源汇总表序号标准不确定度B类分量来源符号数值1由测量重复性引入的测量不确定度u1(At)0.061V2数字示波器的量化误差引入的测量不确定度u2(At)0.024V3功率放大器稳定性引入的测量不确定度u3(At)0.012V4信噪比引入的测量不确定度u4(At)0.027V5水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度u5(At)0.010V6声场不均匀性引入的测量不确定度u6(At)0.025V由此可计算透射信号电压幅值的测量不确定度为:u(At)=u(At)+u(At)+u(At)+u(At)+u(At)+u(At)=0.077VB.2.5声压透射系数合成标准不确定度计算得灵敏系数:1/2=0.486V-1声压透射系数合成标准不确定度为:B.2.6声压透射系数扩展不确定度B.3声射系数测量的扩展不确定度为:U=