JJF1588-20161kHz～10kHz矢量水听器校准规范(自由场比较法)

中华人民共和国国家计量技术规范1kHz～10kHz矢量水听器校准规范(自由场比较法)CalibrationSpecificationforVectorH1kHz～10kHz矢量水听器校准规范(自由场比较法)CalibrationSpecificationforVectorHydr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船重工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本规范主要起草人：费腾(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)赵涵(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)参加起草人：莫喜平(中国科学院声学研究所)郭林发(中船重工海声科技有限公司)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轴向灵敏度不对称性 3.3横向抑制比 3.4矢量-声压通道的相位差 4概述 5计量特性 5.1自由场电压灵敏度级 5.2自由场振速灵敏度级 5.3自由场声压梯度灵敏度级 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 8.1校准数据处理 8.2校准证书 8.3校准结果的测量不确定度 9复校时间间隔 附录A校准证书的内容 附录B电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IEC60565《水声水听器0.01Hz～1MHz频率范围内的校准》(Underwateracoustics—Hydrophones—Calibrationinfrequencyrange0.01Hzto1MHz)和JJG185—1997《500Hz~1MHz测量水听器》中规定的水听器自由场电压灵敏度二级校准方法，测量不确定度按照JJF1059.1—2012进行评定。11kHz～10kHz矢量水听器校准规范(自由场比较法)本规范适用于常压下1kHz～10kHz频率范围内使用的矢量水听器的校准。本规范引用下列文件：JJG185—1997500Hz～1MHz测量水听器JJF1001—2011通用计量术语及定义JJF1034—2005声学计量名词术语及定义JJF1340—201220Hz～2000Hz矢量水听器校准规范GB3102.7—1993声学的量和单位GB/T3947—1996声学名词术语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GB3102.7—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。[JJF1340—2012,定义3.1]3.2轴向灵敏度不对称性axialdeviationofsensitivity矢量水听器矢量通道的自由场电压灵敏度级两极大值之差。[JJF1340—2012,定义3.5]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。3.3横向抑制比lateralrejectionratio矢量水听器矢量通道极大值与极小值之差。[JJF1340—2012,定义3.6]1.单位为分贝(dB)。2.也称为凹点深度。23.4矢量-声压通道的相位差phaseshiftbetweenvectorchannelandpressurechannel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。矢量水听器用于测量媒质质点振速或声压梯度，也称振速水听器或声压梯度水听器。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自由场电压灵敏度级在校准的频率范围内，被校矢量水听器的自由场电压灵敏度级(以下简称电压灵敏度级)一般在—240dB～-150dB之间(以1V/μPa为参考)。5.2自由场振速灵敏度级在校准的频率范围内，被校矢量水听器的自由场振速灵敏度级(以下简称振速灵敏度级)一般在一117dB～-27dB之间[以1V/(m·s-1)为参考]。5.3自由场声压梯度灵敏度级在校准的频率范围内，被校矢量水听器的自由场声压梯度灵敏度级(以下简称声压梯度灵敏度级)一般在-253dB～-183dB之间[以1V/(μPa·m-¹)为参考]。5.4矢量-声压通道的相位差对于振速水听器，矢量通道和声压通道之间的相位差一般在一10°~10°之间，对于声压梯度水听器，矢量通道和声压通道之间的相位差一般在80°~100°之间。5.5指向性在校准的频率范围内，被校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士3dB。注：以上指标不是用于合格性判别，仅供参考。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)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3电压灵敏度级不应小于一220.0dB,校准的不确定度不应大于0.7dB(k=2)。6.2.2消声水池消声水池为六面消声，长、宽、深尺寸不应小于(15×10×10)m。6.2.3坐标回转装置坐标回转装置能带动被校矢量水听器在校准声场内做水平回转，回转角度范围应大于360°,角度示值误差不应超过±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,对相位影响不应超过±2°;回转装置应能进行回转角度读取，分辨6.2.4信号源在校准频率范围内，能产生连续正弦信号或脉冲调制正弦信号。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±0.1%,频率示值误差不应超过±0.1%。6.2.5测量放大器在校准频率范围内，测量放大器的输入阻抗比水听器的阻抗至少高100倍，动态范围不应小于60dB,增益误差不超过±0.2dB。6.2.6数字示波器具备与计算机通讯的接口，采样频率应高于1MHz,幅度测量最大允许误差不应超过±1%。6.2.7滤波器满足2级要求的1/3或1/1倍频程滤波器。在校准频率范围内，通道隔离度应优于60dB。6.2.9电压电流取样器在校准频率范围内，电压取样系数为0.01或者0.1,电流取样系数为0.1或者1,取样误差不超过±2%。6.2.10功率放大器在校准频率范围内，输出阻抗与发射换能器阻抗相匹配，最大输出功率不应小于50W,输出波形总失真(THD+N)不应大于2%。6.2.11发射换能器在校准频率范围内，发射换能器各频带发射源级应大于背景噪声15dB。6.2.12绝缘电阻测量仪工作电压100V,绝缘电阻测量最大允许误差应优于±10%。6.2.13电容测试仪电容值测量范围1nF～100μF,电容测量最大允许误差应优于±5%。6.2.14卷尺量程不应小于3m,最小分度1mm,优于2级。47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。表1矢量水听器校准项目一览表编号项目名称计量特性的条款号校准方法的条款号1电压灵敏度级7.2.22振速灵敏度级7.2.23声压梯度灵敏度级7.2.24矢量-声压通道的相位差7.2.35指向性7.2.47.2校准方法7.2.1校准前准备校准前准备步骤如下：a)矢量水听器的外观应完好，并有明显的通道工作方向标识，无影响正常工作的机械损伤等，被校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b)用无腐蚀作用的洗涤剂擦洗被校矢量水听器和标准水听器的表面，在媒质中浸泡至少1h;c)对于不带前置放大器的矢量水听器，用电容测试仪测量输出端的电容值，用绝缘电阻测量仪测量输出端的绝缘电阻，并记录；d)按照矢量水听器的安装要求，固定于坐标回转装置上，将发射换能器、标准水听器和被测矢量水听器放置在水下同一深度，并用卷尺测量发射换能器和被校矢量水听器之间的距离drx,以及发射换能器和标准水听器之间的距离drp;e)按照图1所示连接各仪器设备、发射换能器、标准水听器及被校矢量水听器；f)开启所有校准用仪器设备，并预热15min以上；g)在实际工作状态下，通过对发射换能器的激励和停止，测量标准水听器和被校矢量水听器开路输出电压的信噪比，其值不应小于15dB;h)调整信号源的输出电压幅度或者功率放大器的增益，使在校准工作频率范围内被校矢量水听器的开路电压不发生饱和失真；i)通过坐标回转装置调节被校矢量水听器的方向，使被校矢量通道的输出值为最大。7.2.2电压灵敏度级、振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级7.2.2.1校准方法校准装置的框图如图1所示。5坐标回转坐标回转控制仪信号源数字示波器滤波器测量放大器功率放大器电子开关J₀J;坐标回转装置消声水池电压电流取样器发射换能器F矢量水听器x标准水听器P计算机及外设将发射换能器F、标准水听器P及被校矢量水听器X按图2所示的排列放入校准声场中，当发射换能器的水平指向性起伏小于2dB时，可以采用图2(a)的声场排列方式，一般推荐采用图2(b)的声场排列方式，以减小由于水听器的指向性造成的测试误差。测量换能器对F-P时发射换能器的发射电流和标准水听器的开路电压，按照公式(1)计算转移阻抗模|Zrp|:I'r——发射换能器F的激励电流，A。Up标准水听器P的开路电压，V;测量换能器对F-X时发射换能器的发射电流和被校矢量水听器的开路电压，按照公式(2)计算转移阻抗模|Zrx|:6图2灵敏度测量的声场布置图被校矢量水听器的电压灵敏度Mp为drx——发射换能器F与被校矢量水听器X声中心之间的距离，m;若测量时使Ip=I),则公式(3)变为M₀=M₀+20lgUrx-201gUrp+20lgdrx-20lgdgp(5)被校矢量水听器的振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级由公式(6)和公式(7)给出。校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。M.=M₀+20lg(pc)Mpg=M₀-20lg(2πf/c)(7)p——媒质的密度，kg/m³;c——媒质中声速，m/s。校准频率为1/3倍频程中心频率，或根据客户的指定。7.2.2.2校准步骤a)按照7.2.1进行校准前的准备7c)将电子开关切换至标准水听器输出通道Jo,使用数字示波器测量发射换能器F的激励电流与标准水听器P的开路电压，按照公式(1)计算转移阻抗模|Zp|;d)将电子开关切换至被校矢量水听器信号输出通道J,使用数字示波器测量发射换能器F的激励电流与被校矢量水听器X的开路电压，按照公式(2)计算转移阻抗模e)记录相关测量数据；f)重复步骤b)～e),直至完成所有频率点校准；g)保持两次测试的发射电流相等，按照公式(5)～公式(7)分别计算被校矢量水听器的电压灵敏度级、振速灵敏度级和声压梯度灵敏度级。7.2.3矢量-声压通道的相位差7.2.3.1校准方法如图1所示，矢量水听器置于校准声场中接收声压，使用数字示波器测量矢量通道v,和信号源的输出信号，通过FFT计算两者的相位差φv;同理测量矢量水听器声压通道相对于信号源输出信号的相位差qp。矢量水听器矢量-声压通道的相位差按公式(8)计算。校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。9p-v——矢量水听器矢量-声压通道的相位差，(");qp——矢量水听器的声压通道相对于信号源输出信号的相位差，();φw——矢量水听器矢量通道相对于信号源输出信号的相位差，()。校准频率为1/3倍频程中心频率，或根据客户的指定。7.2.3.2校准步骤a)按照7.2.1进行校准前的准备；b)调节信号源产生所需频率的信号；c)将电子开关切换至被测矢量水听器信号输出通道，测量其相对于信号源输出信号的相位差φv;d)将电子开关切换至被测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;e)记录相关测量数据；f)重复步骤b)～e)直至完成所有频率点校准；g)按照公式(8)计算被校矢量水听器的矢量-声压通道的相位差。7.2.4.1校准方法指向性是换能器的灵敏度随人射声波方向变化而改变的特性，通常用指向性图表示。通过坐标回转装置带动被校矢量水听器在校准声场中水平回转，同步测量矢量水听器被测通道的开路电压以及当时的角度，开路电压值按照公式(9)进行归一化处理，得到矢量水听器的指向性图。8u;'各角度对应的矢量水听器被测通道的归一化值；u;——各角度对应的矢量水听器被测通道的开路电压，V;uia——矢量水听器矢量被测通道的开路电压最小值，V;uma——矢量水听器矢量被测通道的开路电压最大值，V。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。校准频率为1/3倍频程中心频率，或根据客户的指定。7.2.4.2校准步骤校准步骤如下：a)按照7.2.1进行校准前的准备；b)调节信号源产生所需频率的信号；c)将电子开关切换至被校矢量水听器信号输出通道；d)通过坐标回转装置将矢量水听器按照一定角度间隔转动，转动角度间隔不应大于2°,在指向性最大值和最小值附近，转动角度的间隔不应大于1°;e)记录当前的回转角度值；f)通过数字示波器测量当前矢量水听器的输出开路电压；g)重复步骤(c)～(f)直至回转完成；h)记录回转的角度及其对应的开路电压测量数据，按照公式(9)对测量数据进行归一化处理，绘制为极坐标图，极坐标图格式参考附录A;i)根据记录的测量数据计算横向抑制比、轴向灵敏度不对称性，并记录到记录表中，记录表格式参考附录A。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。出具校准数据按如下要求修约：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);9d)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。8.3校准结果的测量不确定度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复校时间间隔矢量水听器的复校时间间隔建议为一年。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附录A校准证书的内容校准结果校准结果一、电压灵敏度级(以1V/μPa为参考):注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。二、振速灵敏度级[以1V/(m·s-1)为参考]:注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。三、声压梯度灵敏度级[以1V/(μPa·m~¹)为参考]:Mpg/dBMpg/dB注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。四、矢量-声压通道的相位差注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户的指定。册册#(径向坐标线性刻度)校准条件：相对湿度：℃校准依据：JJF1588—20161kHz～10kHz矢量水听器校准规范(自由场比较法)电压灵敏度级校准测量不确定度：振速灵敏度级校准测量不确定度：声压梯度灵敏度级校准测量不确定度：相位校准测量不确定度：指向性校准测量不确定度：使用校准装置名称：电压灵敏度级测量不确定度的评定示例B.1测量模型电压灵敏度级计算公式见(B.1):M₀=M₀+20lgUrx-201gUpp+201gdrx-201gdgp(B.1)B.1.1灵敏系数由公式(B.1)可求得各输入量对电压灵敏度级的灵敏系数为：B.2不确定度的A类评定采用统计方法评定不确定度。采用自由场比较法在1kHz～10kHz频段对VHS56-1矢量水听器各进行了6次独立校准，电压灵敏度级重复测量的数据如表B.1所示，其中不确定度取实验标准偏差的最大值，即uʌ=0.33dB。表B.1电压灵敏度级的测量数据M₁/dBM₂/dBM₃/dBM₄/dBM₅/dBM₅/dBM/dB—191.3—191.2—191.0—191.2—191.0—191.1—191.1—189.2—189.1—189.3—189.1-188.8—188.9—189.1—187.2—187.0—187.4-187.0—187.2—187.3—187.2-185.3—185.2—185.2—185.0—185.1—185.0—185.1-183.8—183.7—183.6—183.6—183.9—184.0—181.6-181.4—181.4—181.7—181.4—181.5—181.5—179.1—179.1—179.1—179.4—179.3—179.3—179.2—176.7-176.5—176.4—176.2—177.0—176.7—176.6—174.8—174.3—174.0—174.8—174.2—174.4—174.4—172.9—172.7—172.5—173.2一172.9—172.3—172.8—170.3-170.8—170.4—170.3—170.2-170.8—170.5序号Urp/mVUrx/mV123456平均值B.3不确定度的B类评定B.3.1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偏差不应超过±0.70dB,k=2,则标准水听器校准的标准不确定度为：u(M₀)=0.70dB/2=0.35dB;因其灵敏系数c(M₀)=1,故其对应的不确定度分量为ug₁=c(M₀)u(M₀)=0.35dB。2)电压读数误差引入的不确定度分量数字示波器的示值误差不应超过士1.0%,以Urx为例，由表B.2可知，数字电压表示值算术平均值为253.1mV,则绝对误差为±2.53mV,以均匀分布考虑，取k=√3,则测量U