20Hz2000Hz矢量水听器校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范2012-03-20发布2012-06-20实施国家质量监督检验检疫总局发布20Hz～2000Hz矢量水听器校准规范主要起草单位：中国船舶重工集团公司第七一五研究所参加起草单位：中国科学院声学研究所中国船舶重工集团公司海声科技有限公司本规范委托全国声学计量技术委员会负责解释赵涵(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)费腾(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)禹建(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)朱厚卿(中国科学院声学研究所)郭林发(中国船舶重工集团公司海声科技有限公司)I 1范围 2引用文件 3术语和计量单位 3.1矢量水听器 3.2矢量水听器的声压灵敏度级 3.3矢量水听器振速灵敏度级 3.4矢量水听器声压梯度灵敏度级 3.5轴向灵敏度不对称性 3.6横向抑制比 4概述 5计量特性 5.1声压灵敏度级 5.2振速灵敏度级 5.3声压梯度灵敏度级 5.4矢量-声压通道的相位差 5.5指向性 6校准条件 6.1环境条件 6.2测量标准及其他设备 7校准项目和校准方法 7.1校准项目 7.2校准方法 8校准结果表达 (8)8.1校准数据处理 (8)8.2校准证书 8.3校准结果的测量不确定度 (8)9复校时间间隔 (8)附录A校准证书的内容 附录B驻波管设计要求 附录C声压灵敏度级测量不确定度的评定示例 Ⅱ本规范依据JJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》进行编制。本规范参考了GB/T4130—2000《声学水听器低频校准方法》中规定的水听器声压灵敏度二级校准方法。120Hz～2000Hz矢量水听器校准规范1范围本规范适用于常压下、20Hz～2000Hz频率范围内使用的矢量水听器的校准。2引用文件本规范引用下列文件：JJF1001—2011通用计量术语及定义JJF1034—2005声学计量名词术语及定义JJF1059—1999测量不确定度评定与表示GB3102.7—1993声学的量和单位GB/T3947—1996声学名词术语GB/T4130—2000声学水听器低频校准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JJF1001—2011、JJF1034—2005、GB3102.7—1993和GB/T3947—1996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矢量水听器vectorhydrophone输出电压与质点振速或声压梯度成比率的水听器，其指向性图具有与余弦函数相似形状的特性，并且该特性不随频率的改变而变化。矢量水听器声压灵敏度Mp平方与参考声压灵敏度Mpref平方之比的以10为底的对1单位为分贝(dB)。2Mpr=1V/μPa。矢量水听器振速灵敏度M。平方与参考振速灵敏度M平方之比的以10为底的对数乘以10。1单位为分贝(dB)。2Mx=1V/(m·s-¹)。23.4矢量水听器声压梯度灵敏度级(M)pressuregradientsensitivitylevelofvectorhydrophone矢量水听器声压梯度灵敏度M平方与参考声压梯度灵敏度Mg平方之比的以10为底的对数乘以10。1单位为分贝(dB)。2Ma=1V/(μPa·m-¹)。3.5轴向灵敏度不对称性differenceofaxialsensitivity矢量水听器矢量通道的接收灵敏度两极大值之差。1单位为分贝(dB)。2也称为指向性不对称性或最大值不均匀性。3.6横向抑制比lateralrejectionratio矢量水听器矢量通道极大值与极小值之差。1单位为分贝(dB)。2也称为凹点深度。4概述矢量水听器用于测量媒质质点振速或声压梯度。在声波作用下，矢量水听器产生与媒质中质点振速或声压梯度值成正比的开路电压值。根据敏感元件材料的不同，矢量水听器可以分为压电式、压阻式、光纤式等；根据拾振原理的不同，又可分为同振式和压差式等。通常的矢量水听器内部还包含声压通道。矢量水听器由灵敏元件、水密包覆层、支撑结构、前置放大器和电缆等组成。5计量特性5.1声压灵敏度级在校准的频率范围内，矢量水听器的声压灵敏度级一般在一240dB～-150dB5.2振速灵敏度级在校准的频率范围内，矢量水听器的振速灵敏度级一般在一117dB～—27dB之间。5.3声压梯度灵敏度级在校准的频率范围内，矢量水听器的声压梯度灵敏度级一般在一219dB～-169dB5.4矢量-声压通道的相位差带有声压通道的矢量水听器，在矢量通道的极大值正方向上，矢量通道和声压通道之间的相位差φo-v(v;分别表示矢量X、Y、Z通道)。35.5指向性在校准的频率范围内，矢量水听器的横向抑制比一般不低于20dB,轴向灵敏度不对称性一般不超过1dB。注：本规范中提出的计量特性的技术指标不是用于合格判别，仅是提供参考。6校准条件6.1环境条件环境条件及其要求如下：a)环境温度：10℃~30℃;b)相对湿度：30%～90%;c)腔内液体媒质温度：5℃~30℃。6.2测量标准及其他设备6.2.1标准水听器最大直径不应大于40mm,声压灵敏度级不应小于一200.0dB,校准结果的测量不确定度不应大于0.7dB(k=2)。6.2.2驻波管在校准频率范围内，发射换能器在驻波管中辐射声波形成的驻波声场信噪比不应小于20dB,驻波管内声场声压在校准期间内变化不应超过0.1dB,径向声场分布不均匀性不大于0.7dB,具体设计要求见附录B。6.2.3垂直回转装置垂直回转装置能绕水平轴做垂直回转，回转角度应大于360°,回转角度示值误差不应超过士1°。回转装置浸没在测量媒质中的部分对声场的幅度影响应小于0.5dB,相位影响应小于2°;回转装置应能进行回转角度读取，分辨力不小于0.5°。6.2.4信号源在校准频率范围内，最大输出幅度不应小于1V有效值，在校准期间内输出幅度变化不应超过士0.1%,频率示值误差不应超过±0.1%。6.2.5交流数字电压表在校准频率范围内，交流电压测量最大允许误差不应超过士1%。6.2.6相位计在校准频率范围内，相位测量的最大允许误差不应超过±0.2°6.2.7前置放大器在校准频率范围内，输入阻抗不应小于100MQ,动态范围不应小于60dB,增益6.2.8滤波器在校准频率范围内，频带宽度任意可调，衰减斜度不应小于48dB/oct。在校准频率范围内，通道隔离度不应小于80dB。46.2.10功率放大器在校准频率范围内，最大输出功率不应小于50W,输出波形失真系数不大于2%。量程不应小于300mm,最小分度为1mm。7校准项目和校准方法7.1校准项目矢量水听器的校准项目见表1。编号项目名称技术要求的条款号校准方法的条款号1声压灵敏度级2振速灵敏度级3声压梯度灵敏度级4矢量-声压通道的相位差5指向性7.2.1外观矢量水听器的外观应完好，无影响正常工作的机械损伤等，矢量水听器应有明显的信号线、地线和供电线的标记，并说明供电电压值。7.2.2校准前准备a)用除气水或其他测量媒质充满驻波管，并排除腔内气泡b)用无腐蚀作用的洗涤剂擦洗矢量水听器和标准水听器的表面，在媒质中浸泡至少1h后，按照矢量水听器的安装要求，固定于回转支架上，并用直尺测量矢量水听器的测量深度d和标准水听器的测量深度do;c)按照图1所示连接各仪器设备、驻波管及矢量水听器；d)开启所有校准用仪器设备，并预热15min以上：e)在实际工作状态下，通过对发射换能器的激励和停止，测量标准水听器和矢量水听器开路输出电压的信噪比，其值应不小于20dB;f)将功率放大器的增益调至校准工作频率范围内，矢量水听器的开路电压不应发生饱和失真。7.2.3声压灵敏度级、振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级校准原理校准装置的框图如图1所示。驻波管是一个不锈钢制成的开口腔体，底部安装有发射换能器，腔体内充有测量媒质，可以是清洁的水，也可以是其他测量媒质。标准水听器和矢量水听器分别置于距媒质表面d₀和d处。由于管中为驻波声场，根据驻波声场声压分布理论，矢量水听器的声压灵敏度级、振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级分别由公式(1)、公式(2)和公式(3)给出。校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。JJF1340—20125M₀=M₉+20lgM₀=M₉+20lg(g)Mgg=M,-20lg(k)M₂—矢量水听器的声压灵敏度级，dB;M₀——矢量水听器的振速灵敏度级，dB;Mg——矢量水听器的声压梯度灵敏度级，dB;M₀——标准水听器的声压灵敏度，dB;Ug——矢量水听器的开路电压，V;d₀——标准水听器的入水深度，m;p——媒质的密度，kg/m³;垂直回转装置垂直回转装置驻波管标准水听器发射换能器计算机及外设相位计信号源电子开关前置放大器滤波器数字电压表功率放大器图1校准装置组成原理框图校准步骤a)按照7.2.2进行校准前的准备，校准流程如图2所示；b)通过回转装置调节矢量水听器的角度，使被测矢量通道的输出值为最大，并确定入水深度等测量参数；c)调节信号源，产生所需频率的信号；d)将电子开关切换至矢量水听器信号输出通道J;(J;分别表示矢量X、Y、Z通道),通过电压表读取矢量水听器该通道的开路电压U;6e)将电子开关切换至标准水听器输出通道J。,通过电压表读取标准水听器的开路电压U₀;f)记录相关测量数据；g)重复步骤c)～f)直至完成所有频率点校准；h)按照公式(1)～公式(3)处理测量数据，得到矢量水听器的声压灵敏度级、振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级。仪器初始化仪器初始化读取标准水听器的开路电压值测量参数设置N所有测量完成?产生信号y处理测量数据读取矢量水听器的开路电压值结束图2矢量水听器声压灵敏度校准流程图7.2.4矢量-声压通道的相位差校准原理如图1所示，矢量水听器的被测通道J:(J;分别表示矢量X、Y、Z通道)置于驻波场中接收声压，测量每次J;相对于信号源输出信号的相位差qi;同理获得矢量水听器声压通道相对于信号源输出信号的相位差φp。则矢量水听器矢量-声压通道的相位差按公式(4)计算。校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。Pp-v,=Pp—Pi式中qe-m-—矢量水听器矢量-声压通道的相位差，();9g——矢量水听器的声压通道相对于信号源输出信号的相位差，(°);q:——矢量水听器矢量通道相对于信号源输出信号的相位差，i指X、Y、Z通校准步骤a)按照7.2.2进行校准前的准备，校准流程如图3所示；b)通过回转装置调节矢量水听器的角度，使被测矢量通道的输出值为最大，并确定入水深度等测量参数；c)调节信号源，产生所需频率的信号；d)将电子开关切换至矢量水听器信号输出通道J;(J;表示矢量X、Y、Z通道),测量J;相对于信号源输出信号的相位差qi;7e)将电子开关切换至矢量水听器的声压输出通道，测量声压通道相对于信号源输出信号的相位差φp;f)记录相关测量数据；g)重复步骤c)～f)直至完成所有频率点校准；h)按照公式(4)处理测量数据，得到矢量水听器的矢量-声压通道的相位差。仪器初始化仪器初始化读取矢量水听器声压通道的相位测量参数设置N所有测量完成?产生信号Y处理测量数据读取矢量水听器矢量通道的相位结束图3矢量水听器矢量-声压通道的相位差校准流程图7.2.5指向性校准原理如图1所示，指向性是换能器的灵敏度随入射声波方向变化而改变的特性，通常用指向性图表示。通过回转装置带动矢量水听器在驻波管中沿水平轴垂直回转，同时测量矢量水听器各方向上的电压输出，最后进行归一化处理，得到矢量水听器的指向性图。指向性图通常用极坐标图的形式表示，径向坐标表示响应。径向坐标可以是线性坐标，也可以是对数坐标，在指向性图的明显位置上有清晰的表述。校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。校准步骤a)按照7.2.2进行校准前的准备，并确定人水深度等测量参数，校准流程如图4b)通过垂直回转装置将矢量水听器按照一定角度间隔转动，一般情况下转动角度间隔不大于5°,在极大值和极小值附近，转动角度间隔不大于2°;c)记录当前的回转角度值；d)通过电压表测量当前矢量水听器的输出开路电压；e)重复步骤b)～d)直至回转完成；f)记录回转的角度及其对应的开路电压测量数据，并根据开路电压的最大值对测量数据进行归一化处理并绘制为极坐标图，极坐标图格式参考附录A;g)处理测量数据，得到横向抑制比、轴向灵敏度不对称性。8仪器初始化仪器初始化回转结束?测量环境设置Y归一化计算旋转一定角度读取当前角度读取被测电压值图4矢量水听器指向性测量流程图8校准结果表达8.1校准数据处理所有的数据应先计算，后修约。出具校准数据的有效位数按如下方法修约a)声压灵敏度级、振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级的测量结果，修约到0.1dB;b)矢量-声压通道相位差的测量结果，修约到0.1°;c)横向抑制比和轴向灵敏度不对称性的测量结果修约到0.1dB。8.2校准证书经校准的矢量水听器应出具校准证书。校准证书应包括的信息及推荐的校准证书的内页格式参见附录A。8.3校准结果的测量不确定度矢量水听器校准结果的测量不确定度按JJF1059—1999度评定的示例见附录C。的要求评定，测量不确定9复校时间间隔矢量水听器的复校时间间隔建议为1年。然而，复校时间间隔的长短取决于仪器的使用情况(使用部位的重要性、环境条件、使用频率)、使用人员、仪器本身质量等诸多因素，仪器使用者可根据实际使用情况并综合考虑测量质量的要求决定复校的时间9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(如果不在实验室内进行校准);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；1)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。矢量水听器校准证书的内页格式校准结果共页第页二、声压灵敏度级(参考值：1V/μPa):M₂/dBM₂/dB注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。三、振速灵敏度级(参考值：1V/(m·s-I)):M₄/dBM₄/dB注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。四、声压梯度灵敏度级(参考值：1V/(μPa·m-¹)):f/H₂M,/dBM/dB注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。注；校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。六、指向性：270°》-30*l1-10?》90°被测通道：校准条件：校准依据：JJF1340—201220Hz～2000Hz矢量水听器校准规范测量不确定度：使用校准装置名称：JJF1340—2012驻波管设计要求驻波管示意图见图B.1,为垂直开口向上的厚壁刚性腔体，腔体一般采用不锈钢加工，腔体内充满测量媒质，测量媒质可以是蒸馏水，也可以是轻萘油等其他液体，发射换能器安装在驻波管底部，垂直向上发射声波。发射换能器在驻波管中辐射声波形成的驻波声场信噪比不应小于20dB,校准频率低于400Hz时，推荐采用电动式换能器，校准频率高于400Hz时，推荐采用压电式换能器。为保证腔体内声场的均匀性，被校件的最大尺寸不应大于腔体半径，为保证腔体足够刚硬，2t/D不应小于0.4。管内的声场必须是均匀而且稳定的，径向声场起伏应不超过±0.7dB,驻波管的工作频率范围上限(fg)应满足公式(B.1)的要求：f₈<1.84c/(πD)(B.1)fg——工作频率上限，Hz;c——测量媒质中的声速，m/s;D—驻波管的等效直径，m。测量媒质中的声速可由公式(B.2)计算得到。式中：co——测量媒质中的自由场声速，m/s;E——驻波管用材料的杨氏模量，N/m²;E₀——测量媒质的体积弹性模量，N/m²;t—-驻波管管壁的厚度，m。JJF1340—2012声压灵敏度级测量不确定度的评定示例C.1数学模型由声压灵敏度计算公式(C.1):lgsin(2πf·d₀/c)-20M₂=M₀+20lg(Ug)-20lg(U₀)+20lgsin(2πf·d₀/c)-20lgcos(2πf·d/c)C.2不确定度的A类评定不确定度的A类评定由统计的方法获得。在20Hz～2000Hz频段对G2-1矢量水听器进行了6次独立校准，声压灵敏度级重复测量数据如表C.1所示，其中不确定度的A类评定取实验标准偏差的最大值，即sn=0.36dB,因此测量重复性引入的不确定M₁/dBM₂/dBM₃/dBM₄/dBM₅/dBM₆/dBM₂yg/dB-203.8—203.5—203.5—204.0—203.8—204.0—203.8—203.1—202.8—202.8—203.4—202.8-203.3—203.0—202.2-201.9—202.0—201.7—202.1—201.4-201.9—200.7—200.4—200.5—200.0—200.4—200.8—200.5-196.3—196.1—196.0—196.2—196.1—196.2-196.2一194.7—194.2—193.9—193.9—194.1—194.2—194.2一192.6—192.4一192.4—192.4-192.5—192.2—192.4一190.8—190.6一190.6—190.5—190.6—190.4—190.6—188.6-188.3—188.4一188.4—188.3一188.3-188.4—186.8-186.5—186.5—186.7一186.5-186.5一186.6—185.1-185.0-184.3一184.3—184.4—184.5—184.6—182.5—182.3—182.3-182.4—182.3一182.1—182.3-180.6-180.5—180.5一180.3—180.3—180.5-180.5一178.9—178.6一178.6—178.8-178.2-178.6—178.6—176.8—176.6—176.6一176.5—176.4一176.4—176.6—174.9-174.6一174.6一174.5—174.6-174.7—174.7一173.0—172.6—172.7—172.8—172.5—172.7—172.7一171.5—171.5—171.5—171.5—171.5—171.7—171.5—169.5—169.5—169.2—169.5一169.5—169.5—169.5-164.8—164.8一164.8—164.8—164.8—164.8—164.8JJF1340—2012表C.2测量频率为250Hz时原始测量数据序号U/mVU₀/mV123456平均值C.3不确定度的B类评定C.3.1灵敏系数由式(C.2)可求得声压灵敏度级测量不确定度的灵敏系数为：C.3.2不确定度的B类评定主要来源1)标准水听器校准引入的不确定度分量标准水听器校准结果的测量不确定度不应超过0.70dB,以正态分布考虑，取k=1.96,则标准水听器校准的标准不确定度为：u(M₀)=0.70dB/1.96=0.36dB因其灵敏系数c(M₀)=1,故其对应的不确定度分量为：ugi=c(M₀)u(M₀)=0.36dB2)电压读数误差引入的不确定度分量数字电压表的示值误差不应超过士1.0%,以U为例，由表C.2可知，数字电压表示值算术平均值为48.574mV,则绝对误差为±0.486mV,以均匀分布考虑，取u(Ug)=0.486/√3mV因其灵敏系数故其对应的不确定度分量为：,JJF1340—2012同理可得测量U。时数字电压表示值误差引人的不确定度分量为：uB₃=—0.05dB3)信号发生器频率指示误差引人的不确定度认为可忽略不计。4)深度测量引入的不确定度分量对深度测量的示值误差不应超过士1.0%,以d₀为例，由表C.2可知，深度测量值的算术平均值为0.101m,则绝对误差为±0.00101m,以正态分布考虑，取k=1.96,则测量d₀时深度测量的示值误差的标准不确定度为：u(d₀)=0.00101m/1.96=0.000515