2024声学水听器校准 第1部分：自由场水听器校准步骤

声学水听器水听器校准1PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII目 次前言 III引言 IV范围 5规性用件 5术和义 64符号 10校的用序 12准通要求 12由要求 13场求 13态件求 14备求 14位对准 16率隔 18率制 18场涉查 19电量 19号型 19气地 19听输电的量 20射驱电的量 21射驱电的量 22换器准备 227.1泡 227.2湿 22长听电缆 23境件温和度） 23自场换器面互易准 23般理 23准敏模（包含位） 24准听灵度相位 28使标换器自场比法准 319.1理 31较校的型 31用准听进水听校准 31用准射进水听校准 33用准听进发射校准 35告果 3710.1灵敏度3710.2灵敏度级3710.3校准不确定度3710.4辅助数据3710.5重新校准周期38附录A（资料性）水听器或发射器的指向性响应39附录B（资料性）水听器和发射器电阻抗的测量43附录C（资料性）电负载修正的计算46附录D（资料性）水声校准中的声学远场判据48附录E（资料性）自由场校准中的脉冲技术50附录F（资料性）水听器和发射器校准的不确定度评估58附录G（资料性）三换能器球面波互易校准公式的推导61附录H（资料性）行波管校准方法65附录I（资料性）光学干涉法校准水听器67附录J（资料性）在混响水池中用连续波信号校准69参考献 71IVIV引 言/1MHz。PAGEPAGE11声学水听器水听器校准第1部分：自由场水听器校准步骤范围本文件规定了水听器以及可作为水听器（接收器）和/或发射器（换能器）200Hz1MHz200Hz5kHz1MHz。声压水听器在低频下的校准请参考IEC60565-2[1]。水听器在高于1MHz频率时的校准请参考IEC62127-2[2]。本文件描述了自由场校准对测试设施、仪器设备、信号处理的要求和频率限制、可实现的不确定度以及校准数据的呈现规则。资料性附录提供如下附加指南：（IEC60050-801国际电工词汇，第801章：声学和电声学（InternationalElectrotechnicalVocabulary–Chper801:Acouscsadeecoacusc（hp.eecopeda.og）.IEC60500:2017水声-水听器-1Hz~500kHz频率范围内的水听器特性（Underwateracoustics–HydophnePopeesofydoponenhequenyangeHzo00Hz下列术语和定义适用于本文件。IEC60050-801、IEC60500:2017所界定的和下列术语适用于本文件。ISO和IEC在下列地址提供标准术语数据库：IECElectropedia网址：/。ISO/obp。3.1声远场acousticfarfield注1：距离指从声源到接收器之间的直接路径。注2：声压与距离成反比并不意味着声源无指向性。[来源：IEC60050-801:1994,801-23-30，根据ISO18405:2017,进行修改，增加“在补偿了声吸。]3.2电转移阻抗electricaltransferimpedanceZPHℱ[UH(t)]ℱ[IP(t)]之比。式中：ΖΡΗ

=ℱ{𝑈𝐻(𝑡)} (1)ℱ{𝛪𝛲(𝑡)}注器电流之间的相位差（参见IEC600-5121,514545。注2：因为电转移阻抗与所处的声场条件、静水压力、水温和连接到换能器的电缆长度有关，所以应指出这些条件以及对应的频率参数。注d相角按p(jd)变化，其中j是-的平方根，是波数（见3.143.3水下电声换能器underwaterelectroacoustictransducer电声换能器electroacoustictransducer水声换能器underwatertransducer换能器transducer将电信号转换成声信号的装置，反之亦然。注1：用作水下声接收的电声换能器称为水听器。注2：用作水下声发射的电声换能器称为发射器。3.4自由场接收灵敏度free-fieldreceivesensitivityMf对于规定的频率和以规定方向入射到水听器的平面波，水听器开路输出电压的傅里叶变换ℱ[UH(t)]与引入水听器前该平面波在水听器参考中心处的自由声场声压的傅里叶变换ℱ[p(t)]之比。𝛭𝑓

=ℱ(𝑈𝐻(𝑡)) (2)ℱ(𝑝(𝑡))注注2：有时称“接收灵敏度”为“接收响应”。EC60002071和”]3.5自由场接收灵敏度级free-fieldreceivesensitivitylevelLM自由场接收灵敏度Mf的模与基准灵敏度Mref之比的以10为底的对数乘以20，以分贝表示。L𝑀

=20log

|𝑀𝑓|𝑑𝐵··································································(3)𝑀𝑟𝑒𝑓注：（d。基准灵敏度r为1VPa，或者采用缩放的S单位。水声中最常用的基准灵敏度为1-1。[来源：IEC60500:2017，3.16，经修改，为“自由场接收灵敏度”增加“模”的表述。]3.6全向性omnidirectionality换能器的响应在规定容差范围内不随方向改变的特性。注1：应规定容差。注2：虽然换能器可以在三维空间中所有穿过其参考中心的平面上都是全向的，但可以仅在二维空间中的一个平面上定义全向性。注3：当换能器尺寸远小于声波波长时，换能器的指向性响应接近全向性。3.7互易换能器reciprocaltransducer无论是电-机转换还是机-电转换，耦合系数都相同的线性、无源和可逆的电声换能器。[来源：IEC60050-801:1994,801-25-08，经修改，将“在任意方向”改为“无论……还是”。]3.8可逆换能器reversibletransducer既可以可作为发射器也可以作为水听器的换能器。3.9发射器projector水下声发射器underwatersoundprojector把电信号转换成在水中传播的声信号的电声换能器。[来源：IEC60565:2006，3.37，经修改，增加了“水下声发射器”。]3.10发送电流响应transmittingresponsetocurrentSI（ℱ[p(t)]dℱ[I(t)]之比。𝑆=ℱ(𝑝(𝑡)𝑑)𝑒𝑥𝑝[𝑗𝑘(𝑑−𝑑)] (4)𝐼 ℱ(𝐼(𝑡)) 0式中：𝑑0——基准距离，取𝑑0=1m。注-注2：有时称“发送电流响应”为“发送电流灵敏度”。注3：“发送电流响应”或“TCR”是“发射器对电流的发送响应”的简称。3.11发送电流响应级transmittingcurrentresponselevelLS,I发送电流响应SI的模与基准发送响应SI,ref之比的以10为底的对数乘以20，以分贝表示。L𝑆,𝐼

=20log

|𝑆𝐼|𝑑𝐵··································································(5)𝑆𝐼,𝑟𝑒𝑓注：（d。发送电流响应的基准值SI,f为1P··A-1。EC606520632增加模]3.12发送电压响应transmittingresponsetovoltageSV在均匀介质中、指定频率和指定方向上，发射器声远场中某点声压（补偿吸收损失以后）的傅里叶变换ℱ[p(t)]与该点到发射器参考中心距离d的乘积与发射器两端所施加电压的傅里叶变换ℱ[V(t)]之比。𝑆=ℱ(𝑝(𝑡))𝑑𝑒𝑥𝑝[𝑗𝑘(𝑑−𝑑)] (6)𝑉 ℱ(𝑉(𝑡)) 0𝑑0——基准距离，取𝑑0=1m。注注2：有时称“发送电压响应”为“发送电压灵敏度”。注3：“发送电压响应”或“TVR”是“发射噐对电压的发送响应”的简称。3.13发送电压响应级transmittingvoltageresponselevelLS,V发送电压响应SV的模与基准发送响应SV,ref之比的以10为底的对数乘以20，以分贝表示。L𝑆,𝑉

=20log

|𝑆𝑉|𝑑𝐵··································································(7)𝑆𝑟𝑒𝑓注1：发送电压响应级的单位为分贝（d。发送电压响应的基准值S,f为1P··-1。EC6065206.3.0增加模]3.14波数wavenumberk声波波长的倒数乘以2π。注1：波数以每米（m-1）为单位表示。

k=2π/λ (8)注2：物理学不同领域可以取波数为2π/λ或1/λ，但在声学领域首选为2π/λ。在IEC60050-103:2009,10310-12中称波数为“角波数”。[来源：IEC60050-726:1982,726-05-02，经修改，将“波导波长的或平面波波长的倒数”改为“声]3.15水听器hydrophone对其在水中所受到的压力作出响应并产生电压的电声换能器。注1：水听器通常设计为对水中声压作出响应。注2：（例如存在高速湍流边界层的压力起伏。注3：水听器包括标准水听器和测量水听器。标准水听器主要用于校准（例如在比较法校准中用于与被测水听器作比较，测量水听器用于常规声场测量。注4：水听器主要用于接收信号，但是在互易法校准中，水听器作为互易换能器，不仅作为接收水听器，也作为声源发射器。注5：集成有数字采集系统的水听器有时被称作数字水听器，但是最好将这种组合视为一个测量采集系统而不是单一的水听器。注6：如果水听器连接到电荷放大器，水听器的灵敏度有时用电荷灵敏度来表述，通过水听器的电容建立电荷灵敏度与电压灵敏度之间的关系。[来源：IEC60500:2017,3.17，经修改，将“信号”改为“电压”。]3.16信号signal随时间变化的物理量。例如，电流、电压、声压、声质点速度或者其他量。[来源：ISO18405:2017,。]3.17指向性响应directionalresponse指向性 directivity指向性图案directivitypattern电声换能器的接收灵敏度和发射响应随角度变化的归一化表述。注1：用于归一化的灵敏度值为某一规定基准方向上的灵敏度，最常用的是换能器主轴方向上的灵敏度（IEC60500:2017的定义。注2：互易换能器的发射和接收归一化指向性响应相同。注3：归一化指向性响应有时用响应级以分贝来表示。注4：可以在二维空间的一个平面内定义指向性响应。习惯上在IEC60500:2017所定义的换能器坐标系的三个平面（XY，XZ，YZ）中定义二维指向性响应。在三维空间中，可以在穿过换能器参考中心的所有平面上定义换能器的指向性响应。3.18角偏向损失angulardeviationloss换能器主轴方向上的灵敏度级与规定方向上的灵敏度级的差值。注1：[来源：IEC60050-801:1994,801-25-69。]3.19品质因数Q-factorQ换能器谐振峰尖锐度的度量，等于一个周期内最大存储能量与耗散能量的2π倍。注：通常通过谐振时相对带宽的倒数来测量品质因数。EC605801194,8012412]符号符号含义C电容c水中声速D换能器的最大线性尺度𝑑发射器与水听器之间的距离𝐷i指向性指数dS球面上的微分面积ƒ声波频率𝑓R（换能器的）谐振频率H换能器三元组中的水听器I电流𝐼P通过发射器的电流𝐼T通过换能器的电流j-1的平方根𝐾f远场修正因子l水池宽度LM自由场接收灵敏度级LS,I发送电流响应级LS,V发送电压响应级�f自由场接收灵敏度�H水听器的自由场接收灵敏度�P发射器（用作水听器时）的自由场接收灵敏度�R标准水听器的自由场接收灵敏度�T换能器的自由场接收灵敏度P换能器三元组中的发射器𝑝声压𝑝𝑎指向性测量中用于确定𝑅𝜃的基准方向的声压Q换能器（或测量系统）的品质因数R电阻r声场中某点到声源的距离𝑅𝜃指向性因数𝑆I发送电流响应𝑆I,H水听器（用做发射器时）发送电流响应𝑆I,P发射器发送电流响应𝑆I,𝑇互易换能器发送电流响应𝑆V发射器发送电压响应T换能器三元组中的互易换能器U电压𝑈H水听器开路电压𝑈PH发射器作为声源时的水听器开路电压𝑈PT发射器作为声源时的换能器开路电压𝑈R标准水听器开路电压𝑈TH互易换能器作为声源时的水听器开路电压𝑉P发射器的驱动电压𝑉T换能器的驱动电压W带宽Z电阻抗ZPH发射器和水听器的电转移阻抗ZPT发射器和互易换能器的电转移阻抗ZTH互易换能器和水听器的电转移阻抗θ垂直角（俯仰角）λ水中声波波长ρ水的密度τ脉冲持续时间φ方位角（水平面）ω角频率本文件涵盖了两种通用校准类型：为有效校准，应满足以下通用要求[3]-[5]：）见5b）见5）见53%。注1：对给定的测量装置，满足上述要求的最小距离取决于换能器的指向性、边界表面的反射系数和信号频率（高因素分别进行评估。水面经常是最近的边界。例如，对于间距5m的两个全向换能器，要使反射幅度满足上述16m（。注2：为连续信号实现声学自由场条件的另一种方法是在测试水池内表面敷设吸声材料。吸声材料的性能（反射损失作为角度的函数反射边界，除了池壁和底部以外，全消声水池还需在水面下悬浮敷设吸声材料[4]。注3：有些校准方法使用混响水池和连续信号（或至少比水池的无回波时间长得多的信号）。这些方法利用信号处理技术补偿边界反射的影响，实现伪自由场条件，参见附录J给出的一些示例。当使用时间窗信号时，例如脉冲或者单频猝发信号，选择换能器到每个边界（水面、底部和侧壁）的最小距离，令反射信号相对直达信号的延迟时间大于直达信号的持续时间，就可以消除反射的影响。注：通过限制信号持续时间并使用适当的时间窗，在有限尺度的水池中可以使用猝发或脉冲信号消除反射的影响。该方法令反射信号比直达信号来得足够晚，从而可以获得足够不受反射波干扰的信号来进行所需的分析。该方说明参见附录E[4]6]。d如果两个换能器敏感区域的最大尺度分别为D1和D2，应根据如下关系式选择最小距离：𝐷2 𝐷2𝑑>𝐾𝑓{1+2}·······································································(9)𝜆 𝜆且同时满足：

𝑑>5𝐷1𝑎𝑛𝑑𝑑>5𝐷2································································(10)是可选的远场修其中Kf正因子，用来保证在规定容差内声场满足球面衰减的远场近似。0.2（9）Kf1.3。关于上述准则详见附录D。注：当测量换能器的指向性响应时，选择发射器与水听器之间的距离大于由（9）和（10）给出的距离，不小于由（9）或（10）所给出距离中较大者的两倍，见附录D和参考文献[3]-[9]。QQ该要求仅适用于时间有限信号。对于连续信号，视换能器已经达到稳态。注1：在测试水池中使用单频脉冲信号进行校准，常规方法是使用时间门控技术分离直达信号和来自边界和水面的34可能具有更高的品质因数，从而减少了可用信号的长度（特别是谐振频率较低时）[4]-[6],[10]。注2：如果水听器所产生的电压信号在可用的无回声时间内没有达到稳态条件，则不可直接测量稳态信号。这意味着对于给定的测试水池尺寸和换能器Q信号来进行校准。关于确保稳定条件的更多指导见附录E。注3：如果在信号处理中应用窄带滤波（存在宽带噪声时可增加信噪比），将改变单频脉冲信号开始时的瞬态建立析的信号持续时间。出于这个原因，在单频脉冲信号校准中很少使用带宽窄于一倍频程的滤波器。注4：也可以用更先进的信号处理技术来确定所需的信号参数，从而不需要观察完整的稳态周期就可以估计稳态信相位，此外还有利用正交-互补单频猝发信号的方法（详见附录E和附录J）。5.25.35.4校准设施应每次至少能容纳两个换能器、按5.6的定位和对准要求以确定间距，并具有可重复性。注（由于反射边界会产生混响（如单频猝发信号）与时间门控结合以消除反射。这种设施方便操作和精确定位设备（通过使用刚性支撑结构或定位系统）以及控制环境条件。然而，有限的尺寸限制了校准换能器的频率范围和类型。在较小的测试水池中测试大孔径高频发射器（高ka值换能器）会有困难，因为可能无法实现远场条件（见5.3）。小水池的无回波时间有限，可能无法观察高Q值换能器的稳态信号（见5.4）E和文献[3]-[6][10]。注2：如果测试水池内衬有吸声材料，则可以在较小的测试水池内实现5.2要求的自由场条件，具体取决于吸声材料的有效性能（见5.2.1）。然而，当水面覆盖有吸声材料时，在水池中布放换能器可能会有实际困难[4]。注但定位和对准的精度可能会降低。缺乏对环境条件的控制可能带来其他问题：（1）（节变化）引起换能器性能变化和引入温跃层；（2）风和波浪作用引起换能器的相对运动；（3）来自附近自然声源和其他人类活动的噪声[4]。概述（200Hz1MHz）[4],[6],[10]。注：典型信号源的最大输出仅有几伏，但可以提供多种信号类型，包括门控单频猝发信号。功率放大器为作为发射器的换能器提供足够的功率以在水听器位置处产生比测试设施中的环境噪声至少高6dB的声压。注100W注2：通常功率放大器为低输出阻抗（但有的功率放大器的输出阻抗可与换能器相匹配以最大化功率传输）。100。注1：前置放大器通常具有可选的电压增益和滤波特性（也可以用单独的滤波器，或者在后处理中采用数字滤波)。注2：集成前置放大器的水听器不再需要另设前置放大器。注：另一种方案可以用经过校准的电阻和电压表。测量发射器的驱动电压需要电压测量仪器，例如，测量换能器发送电压响应（TVR）时。注：通常用高阻电压探头或经校准的衰减器将驱动电压衰减40分贝以上以便进行数字转换测量。所用的数字转换器应为一个模数转换器（ADC）或数字示波器，在校准期间用于采集和记录数字。数字转换器的采样率至少应为最大测试频率的2.5倍，其分辨率足够高以保证准确记录信号而不受8（欲在期望的频率范围无模糊重建信号，要求ADC的采样率大于其输入信号的奈奎斯特频率。注8-16bit注2：可使用低通滤波器实现抗混叠功能，在数字化之前将信号的频率成分限制在采集系统的奈奎斯特频率以下。（。注1：通常用软件进行信号分析，包括时间加窗和信号振幅的计算，但其中一部分处理也可以用数字示波器的内置处理功能完成。注2：尽管上述一些测量工作可以手动完成（例如使用模拟示波器），但现在不鼓励这样做。（89。注：为了覆盖宽频率范围，有可能需要若干不同换能器（对于发射器尤其如此，因为发射器固有的谐振特性使其频率范围有限）。应采用IEC60500:2017所定义角坐标系。60500:2017。对于结构对称的全向水听器，基准方向应在与水听器本体轴线正交的平面内，并且应在水听器本体上进行标记[10]。注1：基准方向是自由场校准有效的方向。对于指向性换能器，一般取换能器的主轴方向为基准方向。注2：基准方向可以取在规定频率下进行测量所得到的指向性响应最大的方向（见附录A的说明）。每个换能器都应牢固固定在支撑安装结构上，使其能准确定位在水中的固定点上且具有可重复性。在满足上述换能器精确定位的前提下，水听器的支撑安装结构应使其对测量灵敏度的影响最小化。如果支撑安装结构或定位系统中包含转台，则安装结构件应能使换能器的参考中心位于旋转轴上。如果认为安装结构件会影响测量的灵敏度，则换能器应在与现场测量所用的相同安装条件下进行校准。如果认为被测换能器对支撑或安装类型敏感，则应在结果中给出安装布置的说明。[10]。还应注意尽量减少可能由支撑安装结构拾取并传导到换能器的结构噪声。（[4],[10]。注1：可以采用特殊的安装杆或索具进行力学对准，或者使用自动定位系统（例如包含步进电机和控制器的系统）注2：对于相对主轴表现出明显指向性的换能器，可以通过在特定频率处寻找最大接收信号来对换能器进行声学对方式选择基准方向，则所有频率都要选择相同的基准方向。注3：为了通过搜索特定频率下的最大接收信号来实现两个换能器之间的声学对准，每个换能器安装需要至少两个这需要在支撑结构或定位系统中加入转台来实现。支撑安装结构应能使发射器和水听器以确定的间距布放在水中，其不确定度优于2％。如果水听器本体尺寸相对于敏感元件较大，建议在设施所能实现的最大间距进行水听器校准（从而注1：间距可以通过多种方式进行力学测量。刚性支撑结构可以进行如下校准：换能器安装杆以预定间距悬挂在水（假设换能器垂直悬挂显示获取换能器间距。注意，考虑到安装换能器引入的少量偏移，有时需要进行适当调整。注2：可以根据触发信号和到达水听器的直达信号之间的声传播延迟来计算间距。这假定了声速可以使用科学文献中的公式根据水温、深度和盐度计算出来[11]-[14]。请注意，一旦声波作用到换能器的敏感元件上换能器就开始考中心为基准的间距（例如，必要时应考虑每个换能器的半径）。注3：如果水听器本体尺寸相对于敏感元件较大，被本体散射的声波会与到达敏感元件的直达波产生干涉,从而引起化导致声程差的微小变化[15],[16]。应选择足够数量的频率进行校准，以确保在所需频率范围内很好地表征换能器性能。倍频程。1MHz（E。注1：对于给定的换能器对，校准时为满足远场条件所需的最小距离随频率增加而增大（见5.3）。在足够高的频率着换能器更靠近水池边界，这将减少可用的无回声时间，从而使得测量更加困难。注1MHz（温度达到大约0.25dB/m，对于海（温度5mpH值8和盐度达到大约0.4dB/m的间隔距离上，水中吸收引起的声衰减相对较小。在淡水中频率低于500kHz或在海水中频率低于300kHz，间距几米量级的修正值小于0.05dB，可以忽略不计。声波在水中的吸收衰减及其随温度、深度、PH值和盐度等参数的关系可以参考科学文献（见附录E和参考文献[17]-[22]）。注3：高频限制由很多因素决定，详见附录E。注4：频率高于500kHz，可以采用IEC62127-2[2]和附录I给出的替代原级校准方法。制应适当考虑校准方法在低频下的局限性，其影响应反映在总体不确定度的评估中。注1：（最终还是依赖于水池尺度和换能器的间距率。对于大多数最小尺度在5m以上的水池，水听器校准的实用下限频率在1kHz量级，具体取决于声源换能器的Q值，它决定发送响应谐振峰的尖锐程度和斜率。决定校准下限频率的各种因素详见附录E。注注3：对于消声水池使用连续信号的情况下，消声性能随频率降低而下降，这将导致自由场条件的低频限制。注4：混响水池自由场校准的下限频率可以通过使用更复杂的信号处理技术来扩展。这些技术不需要完整信号周期进行幅度和相位估计，详见附件E和附件J。来自反射的干扰信号幅度应至少比测量信号幅度低30dB。注1：关于反射影响详见附录E。注2：如果观察到电转移阻抗（或灵敏度）随频率变化的图案中出现光滑的周期性波纹，表明可能存在声反射带来∆𝑓c信号之间的路径差∆𝑑可以通过下式计算[1]：∆𝑑=𝑐/∆𝑓。注3：由路径差为∆d的反射声信号引起的振荡，可以以频率间隔∆f对随频率变化的复转移阻抗进行滑动平均来消除。利用宽带信号在混响场中实现自由场校准的方法就是基于该原理，详见附录J。（。5.2、5.35.4见5。注：也可使用其他信号类型，例如宽带短脉冲或线性调频信号。这些信号需要利用频谱分析得到幅频和相频函数。如果通过傅里叶变换进行信号分析，频率分辨率（在5.7中定义）取决于信号长度。电压的测量见EC605020173.。（。。（多指导参见附录E。（100倍。测量水听器输出电压的相位时，测量仪器的理想输入阻抗应大于水听器电阻抗的1000倍。C注：如果在特定水听器的整个校准过程中使用相同的电负载，则可以对灵敏度进行修正而不必对每个测量电压分别进行修正。C。注1：如果电缆和水听器在电气上表现为纯电容（对于电缆而言通常是这样，对于远低于谐振频率的水听器也是如此），可以根据水听器和电缆的电容进行修正，详见附录C[23]。注2：当水听器的电阻抗不是纯电容时，例如在接近谐振频率的时候，应使用水听器和延长电缆的复阻抗来计算负载修正，详见附录C[23]。注3：如果在特定水听器的整个校准过程中使用同一根延长电缆，则可以对灵敏度进行修正而不必对每个测量电压分别进行修正。6见EC60500017。使用带通滤波器可以降低宽带干扰噪声，但是带宽必须足够宽以实现信号不失真的通过。注1：电噪声可能会降低电测量的精度[3],[4]。当发射器的工作频率远低于其谐振频率时，信噪比可能会降低。注2：存在电噪声的情况下，可以通过重复测量进行相干平均来改善信噪比。对于随机噪声，N个信号的平均将使信噪比提高√�（N的平方根）倍。（）在连续波信号的情况下，电串扰电平应至少比信号电平低40dB。注：（。注：如果水听器集成了前置放大器，则不需要对延长电缆或测量仪器进行负载修正[23]。通过发射器的电流应由校准过的电流互感器（产生与驱动电流成比例的电压）测量。如果放大器，衰减器或滤波器与电压表或数字转换器一起组成绝对测量通道，则应校准这些单元，除非该同一测量通道仅用于测量电压比。注：虽然电流互感器是首选仪器，但也可以采用测量与发射器串联的经校准的小阻值电阻（仅几欧姆值）的电压降的方法。（见6.3。测量发射器的驱动电压应使用经校准的高阻抗示波器探头或经校准的衰减器将驱动电压降低约40dB以便由数字转换器测量。如果放大器，衰减器或滤波器与电压表或数字转换器一起组成绝对测量通道，则应校准这些单元，除非该同一测量通道仅用于测量电压比。（见6.3。浸泡（0润湿（[24]。注1：润湿换能器的目的是减轻气泡或残留空气附着在其表面上的影响。残留的空气和气泡会引起明显的声散射，并且会产生强烈共振，从而导致校准结果出现不可预测的误差。施加洗涤剂作为润湿剂降低水的表面张力并阻碍气泡与表面的粘附。注2：残留空气有时可以表现为空气膜，在换能器表面呈现出银色光泽。换能器外壳上的任何凹槽（例如与垫圈或螺钉配件相邻的凹槽）都可以附着气泡。在明显附着空气或气泡的情况下，可多次施加清洁剂。注3：将温暖的换能器浸入冷水中时，气泡附着在换能器表面的现象更加明显，因为较温暖的换能器对与换能器表面接触的较冷的水有轻微的加热效应，导致溶解的气体从溶液中释出（温水的空气溶解度比冷水更低）。6.34注：附录C[23]中给出了如何考虑延长电缆影响的说明。）如果需要得到换能器在特定水温和深度条件下的灵敏度，则应该：注1：一些电声换能器的灵敏度可能随环境温度和浸没深度而变化（后者由于静水压力增加引起）[25],[26]。在可控的温度和深度范围内进行校准需要专门的设施，这样的设施相对较少[25],[26]。注2：在室内设施中复现海洋中存在的环境条件（例如，水温或水深）不大可能。校准结果仅对当时的条件严格有（分量以反映修正中的不确定度）[25],[26]。注3：在开放水域进行校准的条件一般来说与预期最终应用的环境条件（水温或深度）不同。如果需要对最终应用（的不确定度）[27]。换能器应标记为P（）和T。这些设备应分别在三个测量设置中配对，如图1所示。如果发射器P也是一个互易换能器，那么还应采用图1所示的第四个设置。d（8.2.1、8.2.2）。（5.2）（5.3）（5.4）（8.2.4）。应用至少前三个换能器对的设置，就可以根据测量的纯电学量（转移阻抗）、换能器间距、水的密度和声波频率，在每一校准频点计算出三个设备中任意一个的自由场接收灵敏度和发送电流响应（8.2.5、8.2.6）。图1 三能互校准的量设置如果发射器P也是一个互易换能器，那么第四个电转移阻抗的测量（见图1）可用于确定互易假设的有效性（8.2.8）。所有互易校准公式的推导详见附录G。注1：基于声学互易性进行校准的设置形式有很多[28]-[32]，此处仅给出了三换能器球面波互易校准方法。互易校准方法可应用于不同几何形状声场的其他设置，如平面波或柱面波，并且可用于在密闭耦合腔内进行声压校准,[3],[33]36][2],[37[39]转移阻抗不同导致用于计算灵敏度的公式不同。注2：该方法是原级校准方法，不依赖于使用其他声学标准换能器。声学校准可追溯到电测量、长度测量和频率测量的原级标准。注1所示的（见图（通常为等边三角形）。如果所有设备都同时浸入水中，换能器必须能转动以便在测量每个转移阻抗之前将它们的基准方向对准。注意如果同时浸入三个设备，则在使用两个设备进行测量时，另一个设备可能会产生散射（）（离发射器和水听器之间的距离应根据5.6.5的要求确定和测量。5.2）5.3）（8.2.7）注：为简单起见，图1中所示测量的每个阶段的设备间距可以相同，但并不必要。在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次测量电转移阻抗，应满足换能器安装（5.6.3）和换能器对准（5.6.4）的要求。信号类型应根据6.1选择。16.36.4（。注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字转换器）。这时因为只需要相对比值，测量通道中使用的仪器不需要绝对校准。注2：如果需要，可以使用经校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的非线性引起的误差。注3：如果使用非常高的频率，水的吸收衰减不可以忽略，应该对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.1和附录E.在每个频率下，水听器自由场接收灵敏度MH的模应根据以下公式计算：2𝑑1𝑑3|𝑍𝑃𝐻||𝑍𝑇𝐻||�𝐻|=√

𝜌𝑓𝑑2|𝑍𝑃𝑇|

·······························································(11)在每个频率下，互易换能器自由场接收灵敏度MT的模应根据以下公式计算：2𝑑2𝑑3|𝑍𝑃𝑇||𝑍𝑇𝐻||�𝑇|=√

𝜌𝑓𝑑1|𝑍𝑃𝐻|

································································(12)如果发射器是互易的，则其自由场灵敏度的模应根据式（12）给出的关系计算，但其中下标PT由TP代替，距离d2由d4代替。注：如果发射器不是互易的，则计算的接收灵敏度没有物理意义。应的计算在每个频率下，发射器P的发送电流响应SI,P的模应根据以下公式计算：𝜌𝑓𝑑1𝑑2|𝑍𝑃𝐻||𝑍𝑃𝑇||𝑆𝐼,𝑃|=√

2𝑑3|𝑍𝑇𝐻|

······························································(13)换能器T的发送电流响应SI,T的模应根据以下公式计算：|𝑆|=√ 2𝑑|𝑍|𝑆|=√ 2𝑑|𝑍𝐼,𝑇1𝑃𝐻

······························································(14)如果需要，发射器或换能器的发送电压响应（SV）应根据以下公式计算：𝑆𝑉

=𝑆𝐼·············································································(15)𝑍𝑃其中：ZP——测量得到的该设备的电阻抗（见附录B）。如果水听器H是互易的，则其发送电流响应的模|S|H应通过式（14）计算，但其中|Z|PH由|Z|PT代替，|Z|PT由|Z|PH代替，距离d2由d4代替。注：当换能器不能用作声源时，发送响应没有物理意义，例如带有集成前置放大器的水听器就不能用作发射器。应确定标准差并用于计算不确定度，见附录F。建议至少进行4次重复测量。注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时应考虑声波对水的吸收衰减，进而进行修正）。注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水听器的标准偏差在其工作范围内可低至1％。应该对至少一个换能器是互易的假设进行验证。（|Z|PT和|Z|TP，其中PT）[3],[4],[40]。如果|Z|PT和|Z|TP（0.7倍。（注1：离开换能器组合，无法确定单个换能器本身是否具有互易性。上述核查方法可以很好地检验一个换能器对的互易性。注2：对于在其工作频率范围内使用的性能良好的换能器，电转移阻抗的一致性可以优于3％。注3：差异大于10％表示至少有一个换能器可能不是互易的。在互易性验证中使用第三个互易换能器可以揭示哪个（如果适合能器T。注4：如果互易性验证检查中的换能器结构相同，它们可能具有相同程度的非线性但仍然表现出互易性。因此，理想情况下应使用不同型号、尺寸或结构的换能器进行互易性验证。注5：如果多个换能器是互易的，可以提高校准的统计学精度。如果发射器也可以用作水听器，则可以通过两种方（11）的分母上分别使用|ZTP|或|ZPT|注6：的不确定度。应考虑是否满足球面波声场的假设，任何偏离的影响应反映在总体不确定度的评估中。25（见5.81和附录E。注：球面波声场可以进行以下验证：改变发射器和水听器之间的距离，比较电转移阻抗大小。参阅附录E。如果水听器放置在发射器的远场，则转移阻抗与发射器和水听器参考中心之间的距离d成反比：|𝑍𝑃𝐻|𝑑=常数 (16)5注：信号失真可以表现为频谱中明显的高次谐波。理想情况下，任何谐波的幅度都应比基波低10dB以上。注：另一个换能器，可以为被测换能器结果的准确性提供额外验证（假设标准换能器具有良好的稳定性）。如果仔细按照上述程序进行校准，扩展不确定度（95％置信度）应在4％～10％的范围内。注：自由场互易校准方法的不确定度评估包含许多成分（详见附录F）[40]-[43]。2[44]-[46]P、THHPT测量应按如下步骤进行：按图2安装各换能器，其参考中心间距分别为d1、d2和d3，且d2=d1+d3。将P指向H和T，将它们的基准方向对准。通过P的输入电流和H的输出电压确定复电转移阻抗ZPH。将水听器连同吊架从框架上取下。通过P的输入电流和T的输出电压确定复电转移阻抗ZPT。THHTd3T的输入电流和HZTH。根据8.3.6的说明用测量的电转移阻抗计算水听器自由场灵敏度的模和相位[44]-[46]。注1：通过该方法确定MH相位的难度在于准确地确定声速和测量距离d1，d2和d3，例如，在100kHz频率下，任何仅为1.0mm的距离误差会带来大约12°相位误差[45]。注2：此时的校准灵敏度反映了水听器与测试安装架同时作用的结果。注3：校准中采用的安装形式最好与水听器用于现场测量时的安装形式相同。图2三个换能器共线的测量设置：发射器P、互易换能器T和被测水听器H在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。信号类型应符合6.1。发射器和水听器之间的距离应根据5.6.5的要求确定和测量。在选择间隔距离时，应满足声学自由场条件（见5.2）和声学远场条件（见5.3）的要求。16.36.4应依次测量并按下式计算各个复电转移阻抗（以ZPH为例，见3.2）：𝑍𝑃𝐻

=ℱ(𝑈𝐻(𝑡)) (17)ℱ(𝐼𝑃(𝑡))注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字转换器）。这时因为只需要相对比值，测量通道中使用的仪器不需要绝对校准。注2：如果需要，可以使用校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的非线性引起的误差。注3：如果使用非常高的频率，则应针对水的吸收衰减对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.1和附录E。在每个频率下，水听器自由场接收复灵敏度MH应根据以下公式计算：�= 2𝑑1𝑑3··································································(18)𝐻

𝑍𝑃𝑇|�|=2𝑑1𝑑3|𝑍𝑃𝐻|||�|=𝐻

·······························································(19)𝜌𝑓𝑑2 |𝑍𝑃𝑇|灵敏度相位角θH可以根据以下公式计算：𝜃𝐻=

12{Δ𝜃𝑃𝐻+Δ𝜃𝑇𝐻−Δ𝜃𝑃𝑇−

𝜋}······················································(20)2式中：θPH——ZPH的相角，其他各项以此类推[45]。注：由于距离和声速没有直接出现在式（18）中，所以所计算的MH的相位精度仅受电压和电流相位测量精度以及定位精度的限制。图2给出了一个可以最小化定位误差的特殊测量设置。应确定标准偏差并用于计算不确定度，见附录F。建议至少进行4次重复测量。注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时对水的吸收进行修正）。注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水听器的标准偏差在其工作范围内可低至1％。对于互易性的验证检查应按进行。球面波声场检查应按进行。换能器线性度检查应按进行。根据，如果可能，最好在换能器三元组中包括一个已知灵敏度的换能器。定度50kHz增10°，300kHz20°[44]-[46]。注1：不确定度评估涉及许多成分（见附录F）。注2：关于降低由于水听器和发射器声中心间距误差导致的相位测量不确定度，以及确定声中心与参考中心相对偏差的方法参见[46]。原理[3]-[6]。注：比较法通常比原级校准方法（例如自由场互易法）的不确定度更大，因为标准设备校准的不确定度将不可避免地引入额外的B类不确定度分量。关于不确定度评估的更多指导见附录F。求（见5.2见5.见5.辅助发射器与水听器之间的距离应根据5.6.5的要求确定和测量。5.2）5.3）注：或非常相似，或者二者的尺寸都小于波长[4]。在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次电转移阻抗测量，应满足换能器安装（见5.6.3）和换能器对准（见5.6.4）的要求。信号类型应根据6.1选择。6.3（。在测量过程中，为了检查源换能器的稳定性，应按照6.4测量发射器驱动电流。注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量两个水听器的电压（测量通道包括放大器、滤波器和数字转换器这时因为只需要相对比值，测量通道中使用的仪器不需要绝对校准。误差。被测水听器的自由场接收灵敏度的模|�𝐻|应根据被测水听器的开路电压𝑈𝐻与标准水听器的开路电压𝑈𝑅的比值和标准水听器的接收灵敏度的模|�𝑅|按下式进行计算：|�|=𝑈𝐻|�|······································································(21)𝐻 𝑅量应确定标准偏差并用于计算不确定度，见附录F。建议至少进行4次重复测量。如果使用两个不同的标准水听器，建议每个进行两次重复测量。注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时对水的吸收进行修正）。注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水听器的标准偏差在其工作范围内可低至1％。在校准期间应检查测量信号的失真。如果存在明显的失真，则应降低发射器的驱动电平。使用两个不同的标准水听器进行重复测量将减小自上次原级校准以来标准水听器灵敏度随时间变化的风险。。注意在实际校准期间信号电平应保持在线性范围内。注1：信号失真可以表现为频谱中明显的高次谐波。理想情况下，任何谐波的幅度都应比基波低10dB以上。注2：如果标准水听器在与原级校准期间明显不同的环境条件下使用，则可能会导致灵敏度发生变化并增加校准不确定度。相关的环境条件包括浸入深度和水温。（95）7％～15注：比较法通常比原级校准方法（例如自由场互易法）的不确定度更大，因为标准水听器校准的不确定度将不可避免地引入很大B类不确定成分[43]。关于不确定度评估的更多指导见附录F。（见5.2见5.见5.离发射器和水听器之间的距离应根据5.6.5的要求确定和测量。见5.见5.3。在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次电转移阻抗测量，应满足换能器安装（见5.6.3）和换能器对准（见5.6.4）的要求。信号类型应根据6.1选择。如果校准发射器使用的是特定类型的信号，则建议在发射器充当校准声源时使用相同类型的信号。6.36.4。注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字转换器）。这时因为只需要相对比值，测量通道中使用的仪器不需要绝对校准。注2：如果需要，可以使用校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的非线性引起的误差。注3：如果使用非常高的频率，则应针对水的吸收衰减对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.1和附录E。dUPHIPS器自由场接收灵敏度的模|MH|：

，按下式计算水听|�|=𝑑𝑈𝑃𝐻=𝑑|𝑍𝑃𝐻|································································(22)𝐻 |𝑆𝐼,𝑃|𝐼𝑃 |𝑆𝐼,𝑃|应确定标准偏差并用于计算不确定度，见附录F。次重复测量。

建议至少进行4注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时对水的吸收进行修正）。注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水听器的标准偏差在其工作范围内可低至1％。在校准期间应检查测量信号的失真。如果存在明显的失真，则应降低发射器的驱动电平。标准发射器应尽可能在与其之前进行原级校准时相同的方式和条件下使用。使用标准水听器核查发射器的性能将减小自上次原级校准以来发射器灵敏度随时间变化的风险。注1：注意在实际校准期间信号电平应保持在线性范围内。信号失真可以表现为频谱中明显的高次谐波。理想情况下，任何谐波的幅度都应比基波低10dB以上。注2：标准发射器最好在与原级校准时相同的条件下使用，包括类似的驱动电压、间隔距离和安装配置。注3：如果标准发射器在与原级校准期间明显不同的环境条件下使用，则可能会导致灵敏度发生变化并增加校准不确定度。相关的环境条件包括浸入深度和水温。注4：为了检查发射器灵敏度的稳定性（自上次原级校准以来），可以使用校准的水听器测量发射器产生的声场。（95）10％～20注：（例如自由场互易法度[39]F。（见5.2见5.见5.发射器和水听器之间的距离应根据5.6.5的要求确定和测量。5.2）5.3）的准备、安装和对准开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次电转移阻抗测量，应满足换能器安装（见5.6.3）和换能器对准（见5.6.4）的要求。信号类型应根据6.1选择。6.36.4。注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字转换器）。这时因为只需要相对比值，测量通道中使用的仪器不需要绝对校准。注2：如果需要，可以使用校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的非线性引起的误差注3：如果使用非常高的频率，应考虑水对声波的吸收衰减，进而对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.1和附录E。dUPHIP|SI,P|：|𝑆

|=𝑑𝑈𝑃𝐻=𝑑|𝑍𝑃𝐻|································································(23)𝐼,𝑃

|𝑀𝐻|若根据测量的驱动电压VP校准发射器，则按下式计算发送电压响应的模|SV,P|：|𝑆𝑉,𝑃

|=𝑑𝑈𝑃𝐻·······································································(24)|𝑀𝐻|𝑉𝑃校准期间应检查测量信号的失真情况。如果存在明显的失真，则应降低发射器的驱动电平。发射器应尽可能在其将要使用的相同方式和条件下进行校准。使用两个不同的标准水听器进行重复测量将减小自上次原级校准以来标准水听器灵敏度随时间变化的风险。注意在实际校准期间信号电平应保持在线性范围内。信号失真可以表现为频谱中明显的高次谐波。理想情况下，任何谐波的幅度都应比基波低10dB以上发射器最好在与预期现场使用的相同条件下进行校准，包括类似的驱动电压、间隔距离和安装配置。如果标准水听器在与原级校准期间明显不同的环境条件下使用，则可能会导致灵敏度发生变化并增加校准不确定度。相关的环境条件包括浸入深度、水温和安装配置。（。（95％置信度10％～20注：（例如自由场互易法影响更大。关于不确定度评估的更多指导见附录F。灵敏度应对于每个测量频率报告发射器或水听器灵敏度的结果。水听器的自由场接收灵敏度的结果应以伏特每帕斯卡（V·Pa-1）为单位。发射器的发送电流响应（TCR）的结果应以帕斯卡米每安培为单位，Pa·m·A-1。发射器的发送电压响应（TVR）的结果应以帕斯卡米每伏特为单位，Pa·m·V-1。S.I.系统中的量和单位可以缩放（例如，通常水声中的自由场接收灵敏度单位取为μV·Pa-1）。如果需要以灵敏度级来表示发射器或水听器的校准结果，则应针对每个测试频率进行报告。水听器自由场接收灵敏度级的结果应以分贝为单位，基准值等于1V·μPa-1。1μPa·m·A-1。1μPa·m·V-1。S.I.校准不确定度应与灵敏度一起报告，并应表示为覆盖因子k=2的扩展不确定度。应根据相关ISO/IEC指南[43]评估不确定度。有关水听器和发射器校准不确定度来源的指导，请参见附录F。注：校准不确定度最好表示为百分比形式的相对不确定度。任何校准仅在校准日期和当时的环境条件下有效。报告水听器的校准结果时，应说明与该校准有关的环境条件，包括可能影响灵敏度的所有条件[9],[47]-[51]。应报告的条件有：——校准日期；——水温；——浸入深度；——使用的安装或夹具类型；——浸泡时长和润湿过程；——换能器相对任意转轴或对准标记的方向；——。注：可能需要报告的其他条件包括：——水听器经受到的最大声压；——校准中使用的间隔距离；——驱动电压和/或电流；——水的类型（淡水或海水；——对被测设备的任何假设（例如，参考中心的位置。注1：对于纯粹用于校准目的的标准水听器，宜每年进行一次重新校准。如果水听器也用于现场测量并且使用强度较大，通常需要缩短校准间隔（参见IEC60500:2017）。注2：关于适当校准周期的确定取决于未能及时发现水听器或发射器灵敏度发生变化的风险大小。如果在全面原级（见.8和附录A（资料性）水听器或发射器的指向性响应参见IEC60500:20176节。指向性响应的测量需要在换能器支撑结构或定位系统加入转台，换能器的参考中心位于旋转轴上，被测换能器（水听器或发射器）在指定平面中绕轴旋转，同时测量接收信号随角度的变化[3]-[6]。实际中，为了提高效率和可靠性，采用计算机自动控制转台并进行信号采集。通常采用两种实用的旋转方法：（选择的角坐标系应为IEC60500:2017规定的坐标系。对于所有测量，应满足声学自由场条件（见5.2）和稳态条件（见5.4）的要求。关于测量换能器的指向性响应的远场要求，发射器和水听器之间的距离应大于在其主轴上进行校准9（10见5D和34、[7]-[9]。适用于5.6的要求。信号类型应根据6.1选择。6.3注1：水听器无需校准。注2：通常取零度为发射器主轴的基准方向。6.3测量水听器上的接收电压信号。注1：无需校准发射器。但是在整个测量过程中其输出的不稳定将增加测量的不确定度。注2：通常取零度为水听器的基准方向。（）LDθ可L𝐷𝜃

=20log10

( )𝑑𝐵 (A.1)𝑉𝜃(𝑉𝜃(𝜃)式中：𝑉𝜃(𝜃)——在所需角度范围内测量的各个确定角度对应的电压；𝑉𝑟𝑒𝑓——用于归一化的基准电压。注1：基准电压可以在水听器基准方向或发射器主轴方向上测量，但最常用的是取在所有角度上所测量的电压的最大值。如果基准电压的选取并不是显然的，应该在结果中予以说明。注2：对于发射器，通常在换能器主轴上或其附近获得最大信号。对于小型且相对全向的水听器，可以任意选择基准方向且不必是灵敏度最大的方向。0.5dB（95％）10dB～30dB1dB指向性响应通常以图形方式呈现，采用二维极坐标图或笛卡尔坐标形式，如图A.1所示。图A.1指向性响应级图形表示示例：极坐标图（左）和笛卡尔坐标图（右）（10.4IEC60500:2017注：指向性图案在XY平面中的角度为方位角φ；在YZ平面中的角度以θ表示，以Y轴为基准方向；类似地，在XZ平面中的角度以X轴为基准方向。如果响应在XY面中是全向的，则指向图案为一个圆。Rθ

4𝜋𝑑2𝑝2

2𝜋

𝜋𝑝(𝜃,𝜑)2 −1= 𝑎=4𝜋{∫ ∫

]sin𝜃𝑑𝜃𝑑}

·····································(A.2)式中：

∫

0 0 𝑝𝑎𝑝(𝜃,𝜑)——在某个固定距离d声压随方向变化的函数；——Rθ，d处基准方向上的声压；𝑑 ——（3.25）；𝑑𝑆 ——公式A.2适用于换能器发射的情形。当接收声波时，𝑝(𝜃,𝜑)和𝑝𝑎换为对应的水听器的开路电压，它们是入射波方向的函数。注1：引自IEC60050-801:1994,801-25-67。注[52],[5]。Di

=10log10𝑑𝐵 (A.3)注：参见IEC60050-801：1994，801-25-68。关于某些类型水听器Di的公式和图表参见[4]、[52]和[53]。附录B（资料性）水听器和发射器电阻抗的测量压电式电声换能器的电阻抗由如下成分组成[3],[4],[6]：纯电阻抗（通常指阻滞阻抗），它代表换能器辐射面静止时的纯电阻抗，包括电容（阻滞电容），但也可能包括来自介电损耗的漏电阻。动态阻抗，包括：——发射器辐射面振动时的力阻抗。压电效应通过机电耦合使主动元件的质量、刚度和阻尼表现为电阻抗。——周围介质对换能器影响所产生的声辐射阻抗。电阻抗随频率和发射器辐射面的声负载变化。例如，发射器在水中和空气中辐射时的电阻抗不同。在水中辐射时的电阻抗还与边界条件有关，水池壁反射可能会改变电阻抗。了解换能器电阻抗的意义：了解换能器的工作特性（例如谐振频率和品质因数）；通过匹配网络实现发射器与功率放大器的阻抗匹配（最大化功率传输）；计算发射器的电声效率；对发射器工作状态下的故障进行诊断（换能器异常经常表现出阻抗特性的变化）；对放大器或延长电缆的电负载进行修正。复阻抗由下式给出：𝑍=𝑍𝑒𝑥𝑝𝑗𝜃

==𝑒𝑥𝑝𝑗(𝜃−𝜃) (B.1)0阻抗的模和相位由下式给出：

𝑍𝐼0𝑒𝑥𝑝

𝑗𝜃𝐼

𝐼0

𝑉 𝐼𝑍0

=(B.2)𝐼0和=−(B.3)（5.2）振频率附近比较明显，表现为频率变化时阻抗的微小起伏和振荡。如果问题严重，应改用单频猝发信号结合时间门控技术来实现自由场条件（见5.2和附录E）。阻抗的实部和虚部分别以电阻R和电抗X表示，它们的之间的关系如下[3],[4],[6]：𝑅=𝑐𝑜𝑠(B.4)和Y

𝑋=𝑠𝑖𝑛(B.5)𝑌=1 (B.6)𝑍GB和

𝐺=cos(B.7)𝐵=sin(B.8)电导、电纳、电阻和电抗之间的关系如下：𝑅= 𝐺𝐺2+𝐵2

·········································································(B.9)和𝑋=−𝐵𝐺2+𝐵2

·······································································(B.10)可以将阻抗和导纳随频率的变化趋势以图形表示出来以便于观察[3],[4],[6]。在换能器的谐振区域，电导达到最大，而电纳曲线出现拐点。B.13nF换能器的品质因数通常也通过阻抗测量得到，其为谐振点相对带宽的倒数。若谐振点带宽为∆𝑓，它为电导相对谐振点处的最大值下降一半所对应两点的频率差，谐振频率为𝑓R，则Q值可以由下式计算：𝑄=(B.11)Δ𝑓说明：右下：导纳圆图。图B.1电容为3nF的小球形水听器的各种电阻抗图示例附录C（）ZHZLMLM0[2]：2 2 𝑒𝐿)+ 𝑒𝐿)+𝑚𝑍𝐿L 0 2 2[𝑅𝑒(𝑍)+𝑅𝑒(𝑍)]+[𝐼𝑚(𝑍)+𝐼𝑚(𝑍)]𝐿 𝐻 𝐿 𝐻其中Re（）和Im（）表示对应复阻抗的实部和虚部。经常可以假设负载为电阻RL和电容CL的并联，于是其实部和虚部分别为：Re(𝑍)= 𝑅𝐿 (C.2)L 1+𝜔2𝐶2𝑅2𝐿𝐿和Im(𝑍L)=

−𝜔𝐶𝐿𝑅21+𝜔2𝐶2𝑅2

·································································(C.3)𝐿𝐿𝐿𝐿式中：ω——角频率。对于没有集成前置放大器的水听器，在附加延长电缆末端测量复阻抗和灵敏度，可以用式（C.4）和（C.5）进行修正。只需要测量带有延长电缆的水听器的复阻抗以及单独延长电缆的复阻抗，就可以得到水听器在原配电缆末端的复阻抗和开路灵敏度[3],[23]。在低射频频率（几百千赫兹或更高），任何附加延长电缆都可以被视为一个双端网络[16]，通过开路和短路阻抗就可以完整描述其电特性。于是，水听器的复阻抗ZH由下式给出：𝑍𝑂𝐶(𝑍≀−𝑍𝑆𝐶)𝑍𝐻=

𝐻𝐻𝑍𝑂𝐶−𝑍≀𝐻

···································································(C.4)式中：ZH´——水听器连同延长电缆的复阻抗；ZOC——单独延长电缆在自由端开路时的复阻抗；ZSC——单独延长电缆在自由端短路时的复阻抗。水听器在原配电缆末端的开路灵敏度M0可以根据在延长电缆末端测量的开路灵敏度MC按下式得到[23]：|�0|=

√|𝑍𝑂𝐶(𝑍𝑂𝐶−𝑍𝑆𝐶)||𝑍𝑂𝐶−𝑍≀|

|�𝐶| (C.5)𝐻利用式（C.4）可以通过测量附带延长电缆的水听器的复阻抗和开路和短路状态下单独延长电缆的复阻抗得出水听器的复阻抗。类似地，利用式（C.5）可以通过相同的阻抗测量以及测量附带延长电缆的水听器的开路灵敏度得出单独水听器在其原配电缆末端的开路灵敏度。𝐻与水听器测试不同，使用延长电缆测量换能器的发送响应时通常不需进行修正。CHCL[2],[23]：�L=�0

[ ] (C.6)𝐶𝐻𝐶𝐻附录D（资料性）水声校准中的声学远场判据概述[7]-[9]。rλ（a）。图D.1给出了利用瑞利积分的数值模拟结果[54]，用于比较活塞换能器主轴上声压分布随距离（声源到接收器距离）变化的情况，其中参数𝑘𝑎＝10，𝑘为波数。横轴以𝑎2/𝜆为单位，纵轴以任意单位归一化。该图描绘了换能器轴线上的声压，相当于由一个理想点接收器测量的声压。注：图上还显示了通过同样尺寸的共轴活塞接收器测量的声压图D.1活塞声源（ka=10）和点声源声压随距离的变化图D.1上还同时显示了与声源相同尺寸（相当于“最不利”情况下）的活塞接收器测量得到的平均[54]）D.20.27dBD=2a为换能器直径。如果偏差相同，活塞接收器所需的远场距𝑟≈9𝑎2/𝜆。图D.2点接收器和活塞接收器测量的轴上声压与球面扩展的差异布放换能器时，应按下式确定充分满足球面扩展所需的间距r：𝐷2 𝐷2r>(1+2) (D.1)𝜆 𝜆D2D.2Kf=1.30.2dB以下。注：针对不同ka值的换能器计算D.2中的曲线，结果表明修正值与所选的ka值相对独立。测量换能器的指向性响应时，发射器和水听器的间距应大于式（D.1）所给出的距离，并且同时满足：𝑟>和𝑟>(D.2)最后所取间距应大于式（D.1）或（D.2）所给距离中较大者的两倍，参见[4]、[7]-[9]。附录E（资料性）自由场校准中的脉冲技术概述[4]。（[3],[4],[6],[10],[47]-[51]。E.1NTNc𝑇=𝑙−𝑑;𝑇

=2𝑑;

=√𝑏2+𝑑2−𝑑;

=√ℎ2+𝑑2−𝑑; (E.1)1 𝑐 2

𝑐

𝑐 4 𝑐说明：1——水面反射；2——后端反射；3——发射器；4——直达信号；5——接收器；6——远端反射；7——底部反射。图E.1 水中射和收主要射示图E.26m6m5mE.22m2.25ms。DA。说明：1——端壁反射；2——换能器之间的反射；3——侧壁反射；4——表面和底部反射；X——间隔距离，以米（m）为单位；Y——回声到达时间，以毫秒（ms）为单位。图E.2 6m×6m×5m水中回到达间E.3说明：X——时间，单位为毫秒（ms）；Y——电压，单位为伏特（V）。图E.3 一球水器信（发器谐振率18kHz，品数3.5；水听器谐振频率350kHz；信号频率2kHz（左）和18kHz（右））T。QQ96QQ>以上分析说明，任何给定尺寸的水池都将存在一个下限频率（取决于换能器Q值），低于该频率无法使用常规测量技术进行准确校准[3],[4],[6]。[4]。2202202dB2基于上论脉持时间τ满以条：a）τ≤TN 以使达号反信分离；b）τ≥Q/f 以使号到态；τ≤d/c τ≥2/W W[4]100Hz0.1ms到10ms，具体取决于信号频率和可用的无回波时间。为避免混响，低频时要求更低的脉冲重复率。寸根据E.11m2m[3],[4],[6]3m15mQ（见kaE.3）Q1kHz（。或者以恒压驱动发射器，水听器的接收电压将与间距成反比，于是电压与间距的乘积恒定不变[40]。上），[55],[56]。带有集成前置放大器E.4说明：来源[58]，经许可复制使用。图E.4用于信号分析的时间窗示例，信号频率1kHz（左）和750Hz（右）测量稳态成分幅度的各种方法如下：RMS（FFT）“”（DFT），至bc（和e）校准的上限频率受制于多个因素。MHz0.25dB/m0.4dB/m[17]-[22]E.5（包括各种因素的贡献）。如果在校准时使用水之外的其他介质，则需要获得其吸收特性[57]。说明：数据来源[20]和[22]。图E.5纯水和海水中传播损失（参见E.2）。0.5MHzIEC62127-2需要（I）。校准的下限频率受制于多个因素。Q（））。附录D中给出了低频情况下对于给定的换能器尺寸所需的最小间距。5m500Hz1kHzQQ值5m1kHz[58],[59]。通过更复杂的信号处理技术可以扩展混响水池中自由场校准的下限频率[60]。其中一些方法试图在（甚至完全没有）的稳态响应中估计出稳态幅度和相位[58],[59]Q[58]。先例[61],[62][6],[60]。通带之外，于是可以将直达信号与反射信号分离[2],[63],[64]。还有其他一些方法利用伪随机噪声信号在扩散场中进行校准[6],[60],[65],[66]。抗ETI这些方法在附录J附录F（资料性）水听器和发射器校准的不确定度评估概述校准的结果应同时给出不确定度才有实际意义[43]。通常，不确定度成分按其估计方法分类：ABAA类不确定度评定通过重复校准的统计分析获得。理想情况下，各次重复测量应真正独立，每次重复校准之前将水听器从水中取出再重新安装。据，但此种情况的评估应遵从BBBB属于B应从各个不确定度成分获得合成不确定度[43]。在合成之前，所有成分都应以标准不确定度表示。不确定度的合成需要建立一个模型将校准结果与测量的或涉及到的不确定度的所有量联系起来。不确定度报告应以扩展不确定度表述，此时，还应说明置信度和覆盖因子。例如百分比）而不是以分贝（dB）注1：用分贝表示不确定度可能带来不对称分布（例如，+1.5dB相当于+19％，但-1.5dB相当于-16％）。注2：若每个不确定度分量很小，即远小于1dB，可以使用分贝计算合成不确定度而不会产生明显误差。常见来源尽（ABB（，也会需要A自由场互易法校准特有的不确定度来源[40]-[43]：）；ZPTZTP（（）；（）（）；（）；（）；（。用标准发射器对水听器进行校准的比较法特有的不确定度来源：（）；（）；（）。所有上述方法共有的不确定度来源[4],[40]-[43]：（水池的无回波时间都将影响测量的不确定度）；）；（）；测量系统非线性带来的不确定度（度）；）；环境条件，例如水温和浸入深度（。附录G（资料性）三换能器球面波互易校准公式的推导概述PSI,PMHTMTSI,T互易法的基础如下：T的MT与SI,TMT与SI,TJ。以此为基础，根据三次测量获得的可用信息和换能器T的互易性，可以得到SI,P、MH、MT和SI,T。[33]-[35]PSI,PSI,Pdp为：𝑝=|𝑆𝐼,𝑃|𝐼𝑃 (G.1)𝑑MH的水听器HPd1，UPH为：𝑈𝑃𝐻

=

|𝑝=|�𝐻||𝑆𝐼,𝑃|𝐼𝑃 (G.2)𝑑1该换能器组合的电转移阻抗的模|ZPH|为：|𝑍

|==|�𝐻||𝑆𝐼,𝑃| (G.3)𝑃𝐻

𝐼𝑃

𝑑1THTPd2，|ZPT|：|𝑍

|==|�𝑇||𝑆𝐼,𝑃| (G.4)𝑃𝑇

𝐼𝑃

𝑑2第三步，令互易换能器T发射，水听器H接收，互易换能器T与水听器H的参考中心之间的距离为d3，得到该换能器组合的电转移阻抗的模|ZTH|：|𝑍

|==|�𝐻||𝑆𝐼,𝑇| (G.5)接下来很容易得到：

𝑇𝐻

𝐼𝑇

𝑑3|𝑍𝑃𝑇||𝑍𝑇𝐻|=|�𝑇||𝑆𝐼,𝑇|𝑑1 (G.6)|𝑍𝑃𝐻| 𝑑2𝑑3对于互易换能器，自由场灵敏度的模对发送电流响应的模的商等于参考距离为d0=1米时的球面波互易参数2d0/ρƒ：|�𝑇|=2 (G.7)|𝑆𝐼,𝑇|

𝜌𝑓式中：ρ——水的密度；ƒ——频率。式（G.6）（G.