JJF 2144-2024 水声材料声学性能参数(驻波管法)校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范4水声材料声学性能参数驻波管法校准规范scsge)8发布 8实施国家市场监督管理总局 发布4水声材料声学性能参数驻波管法校准规范ccsge)

4归 口 单 位:全国声学计量技术委员会主要起草单位:中国船舶重工集团公司第七一五研究所参加起草单位:中国船舶重工集团公司第七○二研究所中国船舶工业系统工程研究院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:中国船舶重工集团公司第七一五研究所)中国船舶重工集团公司第七一五研究所)中国船舶重工集团公司第七一五研究所)参加起草人:吕世金中国船舶重工集团公司第七○二研究所)闫孝伟中国船舶工业系统工程研究院)目 录引言………………………

Ⅱ)1范围……………………2引用文件………………3术语和计量单位………………………1水声材料……………2驻波管………………3传递函数……………4声压反射系数………………………4概述……………………5计量特性………………1声源稳定性…………2声压反射系数测量偏差……………6校准条件………………1环境条件……………2测量标准及其他设备………………7校准项目和校准方法…………………1校准项目……………2校准方法……………8校准结果的表达………………………1校准数据处理………………………2校准证书……………3校准结果的不确定度评定…………9复校时间间隔…………

1)1)1)1)1)2)2)2)3)3)3)3)3)3)4)4)4)5)5)6)6)6)附录A 校准证书的内容………………

7)附录B 测量不确定度的评定示例附录C 参考样品性能参数标称

…………………………

9))Ⅰ引 言本规范依据0国家计量校准规范编写规则》编写。本规范为首次发布。Ⅱ水声材料声学性能参数驻波管法)校准规范范围本规范适用于测量频率范围为0z的水声材料样品声压反射系数的驻波管法校准。引用文件本规范引用了下列文件:4倍频程和分数倍频程滤波器检定规程1通用计量术语及定义0声学计量术语及定义2测量不确定度评定与表示4阻抗管校准规范传递函数法)3声学的量和单位6声学 名词术语1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6声学 水声材料样品声压反射系数、声压透射系数和吸声数的测量 行波管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。术语和计量单位GTT、B3界定的及以下术语和定义适用于本规范。本规范采用7规定的量和单位。 水声材料 cl在水声工程中,具有特定声学性能的材料。]驻波管ge在其中产生和传播驻波,用于测量水声材料和构件样品声学性能,或校准水听器灵敏度的充液波导管。注:驻波管管体一般采用壁厚不小于管内半径的不锈钢圆管,底部装有一只发射换能器,驻波管管壁上可装水听器组。1管中驻波由波导管内同频声波相互干涉而形成,驻波幅值和相位沿轴向固定分布,由于声管长度限制,并不一定形成严格意义上的波峰和波谷。传递函数nH给定频率和环境条件下,驻波管中两只水听器处的声波复声压之比。声压反射系数tR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。: , , : , , 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概述( 水声材料声学性能参数驻波管法的测量原理框图如图1所示系统由驻波管装有发射换能器和水听器组)和测量分析系统组成。测量分析系统包括信号发生器、功率放大器、前置放大器、滤波器、信号采集器或数字示波器和计算机等。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。驻波管配置有辅助装置,调节驻波管内的水温和静水压。驻波管管体一般为垂直放置,位于管体底部的发射换能器向管中发射连续正弦波,被位于驻波管端部的被测对象界面反射,和入射波叠加形成稳定的平面波声场。位于驻波管内部轴向的水听器组采集声压信号,然后计算传递函数,最后计算得到被测对象的声压反射系数和吸声系数。图1水声材料声学性能参数驻波管)测量原理框图2计量特性声源稳定性工作频率范围内,

校准工作期间管中声源稳定性一般优于。声压反射系数测量偏差校准频率:测量频率范围内含上下限频率)不少于5个3倍频程中心频率;声压反射系数测量值与标称值的偏差不大于测量不确定度。具体被校测量系统驻波管法的工作频率范围、水温和静水压调节范围由用户给出。注:以上技术要求不用于合格判定,仅供参考。校准条件环境条件环境条件要求如下:)室温范围0℃0℃;)相对湿度范围00;)水温范围5℃5℃;)静水压范围:常压0。测量标准及其他设备测量标准采用0m厚不锈钢样品

,背衬为空气

加压时为氮气

与水界面的声压反射系数理论上近似为,作为校准时的标称值,标称值的计算见附录。水听器组在工作频率范围内

,安装在驻波管内的水听器组接收灵敏度应不低于B参考值1,幅度一致性应优于,相位一致性应优于。信号发生器在工作频率范围内

,最大输出电压有效值不应小于1

线性度优于±2

频率示值误差不应超过1。前置放大器 , , ,。在工作频率范围内 输入阻抗不应小于0。误差不应超过B

动态范围不应小于B 增益滤波器 , — 。在工作频率范围内功率放大器

满足,

4对1级滤波器的要求, ,在工作频率范围内 阻抗匹配的条件下 最大输出功率不应小于0

输出幅度线性度优于,谐波失真度不大于2。/信号采集器/信号采集器的AD分辨率至少为6位

采样率应不小于驻波管最高工作频率的30倍;测量系统所含电子仪器、

驻波管和辅助设备应外观完整、

无损坏,

温度计

、压力表和电子仪器在校准周期内检验合格。校准项目和校准方法校准项目水声材料声学性能参数驻波管法校准项目见表。表1水声材料声学性能参数驻波管法)校准项目一览表序号校准项目计量特性的条款号校准方法的条款号1声源稳定性132声压反射系数测量偏差24校准方法校准前准备驻波管内应充满蒸馏水,首次注水或换水后应稳定至少,使管壁与水媒质充分浸润,达到温度平衡;应清除附着在管壁上的和水媒质内的气泡;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如需要,启动压控装置调节管中静水压,记录管中水媒质静水压p;检查被校测量系统的仪器和设备工作是否正常。声场信噪比如图1所示,选取全部水听器通道检测声场信噪比;检测的频率范围为工作频率范围内含上下限频率)不少于5个3倍频程中心频率;调节信号发生器和功率放大器输出到适当值,调节前置放大器增益,避免过载;测量系统开机至少5,工作稳定后,采集水听器通道输出电压;关闭声源,前置放大器和滤波器的状态不变,采集水听器通道输出电压n;由公式)计算驻波管的信噪比。声源稳定性

s

)如图1所示,选取全部水听器通道测量声源稳定性;检测的频率范围为工作频率范围内含上下限频率)不少于5个3倍频程中心频率;调节信号发生器和功率放大器输出到适当值,调节前置放大器增益,避免过载;每隔0n采集一次水听器通道输出电压,连续检测,计算实验标准偏差n)与平均值s之比为声源的稳定性,计算公式如下:4声压反射系数测量偏差

pn)

)位于驻波管底部的换能器向管中发射单频正弦连续声波,间距为l的1号水听器和2号水听器接收到驻波声场的声压和用信号采集器记录相对应的电信号)和,经离散傅里叶变换)处理后得到信号复频谱f)和2f;然后由公式)计算得到它们的传递函数H:(1H(1

)当需要在规定水温和水压下进行校准时,应先后启动温控和压控装置精确控制管内静水压和校准温度点,然后再进行第步;按公式)和公式)计算某校准频率f的复声压反射系数r和幅值R,即声压反射系数;HdddHd

)式中:

R=r )d1号水听器声中心到绝对声学软边界的距离;k水中波数;l1号水听器与2号水听器之间的距离;r复声压反射系数;R声压反射系数。将测量得到的声压反射系数幅值和标称值进行比较,由公式)计算出测量偏差,完成对水声材料声学性能参数驻波管法的校准。Rs0 )式中:δ声压反射系数测量偏差R声压反射系数测量值;s声压反射系数标称值。校准结果的表达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校准数据修约至两位小数。对驻波管声源稳定性的校准结果修约到;对声压反射系数测量偏差的校准结果修约到1。5校准证书经校准后,应出具水声材料声学性能参数驻波管法校准证书。校准证书应包括的信息及推荐的校准证书的内页格式参见附录。校准结果的不确定度评定水声材料声学性能参数驻波管法)校准结果的测量不确定度按2的要求评定,测量不确定度评定的示例参见附录。复校时间间隔水声材料声学性能参数驻波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。6附录A校准证书的内容校准证书至少应包括以下信息:标题,如校准证书;校准实验室的名称和地址;进行校准的地点如果不在实验室内进行校准;证书的唯一性标识如编号,每页及总页数的标识;客户的名称和地址;被校对象的描述和明确标识;进行校准的日期;如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;环境条件的描述;校准结果及其测量不确定度的说明;对校准规范的偏离的说明;校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;校准结果仅对被校对象有效的声明;未经校准实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。推荐的水声材料声学性能参数驻波管法)校准证书的内页格式见表。7表1水声材料声学性能参数驻波管法)校准证书的内页格式校准结果 共 页 第 页一、声源稳定性:z声源稳定性B二、声压反射系数测量偏差序号z参考样品的声压反射系数标称值Rs测量值R偏差δ校准条件:室 温: 相对湿度: 水 温: 水 压: a校准依据4水声材料声学性能参数驻波管法)校准规范》测量不确定度:使用校准装置名称:注:校准频率按3倍频程,或根据客户指定的频率。8附录B声压反射系数测量模型

测量不确定度的评定示例位于驻波管底部的换能器向管中发射连续正弦波被位于驻波管端部的不锈钢参考,位于驻波管底部的换能器向管中发射连续正弦波被位于驻波管端部的不锈钢参考样品反射,和入射波叠加形成稳定的平面波声场。用位于管内部间隔一定距离的水听器组采集声压信号,由公式)计算出传递函数,最后根据公式)计算得到样品在某一频率f下的声压反射系数R。H22

)11cfc

2

)HdddHd

)式中:

R=r )c管中水媒质的声速,;f校准频率,;k水中波数;d1号水听器声中心到绝对声学软边界的距离,;l 1号水听器与2号水听器之间的距离,;r复声压反射系数;R声压反射系数;H双水听器传递函数;11号水听器通道输出的电压幅值;22号水听器通道输出的电压幅值;11号水听器通道输出的电压相位;22号水听器通道输出的电压相位;11号水听器的灵敏度幅值;22号水听器的灵敏度幅值;11号水听器的灵敏度相位;22号水听器的灵敏度相位。多次重复测量结果的标准不确定度评定, 、 、选取气背衬的不锈钢参考样品作为反射体

以典型测量频率点0

5z000z为例,测量声压反射系数的6次测试数据及实验标准偏差结果见表。9表1声压反射系数6次测量结果zR1R2R3R4R5R6R6R)099014288545888908000000000000000000000000000测量模型输入量的标准不确定度评定从公式、)可知,声压反射系数R虽然是间接测量量,但因为测量公式极为复杂,不可能通过计算不确定度传递公式来计算声压反射系数的合成标准不确定度。影响其测量不确定度的因素中,水听器之间、水听器到样品的距离取决于机械结构精度,可以忽略,标准不确定度主要来源于双水听器传递函数和水中声速的测量。可先对双水听器传递函数的标准不确定度进行B类评定,将双水听器传递函数的测量范围和水中声速的测量范围代入公式、,得到声压反射系数的测量值范围,从而获取声压反射系数标准不确定度。作为间接测量量的双水听器传递函数,采用不确定度传递公式计算其标准不确定。公式)中各直接测量量都互相独立,互不相关,其测量不确定度之间不相关,不++uH1+uH1++B

)22

)22

)22

)22+2+

)22()

2(

2()+++B1

H=1=H

)22 2H=-21=-H1 2 2 1∂H∂∂H=∂H2·1=H11 2 1H=2·1=-H2 1 2 21H10表结果。

6

为声压反射系数

H=6次测试过程中

1

2和H

6次测试2表21号水听器通道输出电压幅值2zVVVVVVV0754994151530237056466690967459509470939表32号水听器通道输出电压幅值6次测试结果zVVVVVVV0806316654520703025874250665452102214441表41号水听器通道输出电压相位6次测试结果zddddddd0138153758781487014340780857722507437835表52号水听器通道输出电压相位6次测试结果zddddddd05813751591431080596829104914206050311341H=HH=HV 0) H=-H=V 0) zH1H2H3H4H5H6H平均0×6×5×3×2×4×4×65×2×6×7×4×8×4×20×4×5×3×4×2×2×30×6×4×4×7×0×8×10×9×6×0×6×4×2×30z测试选用的水听器对##接收灵敏度均为为,灵敏度相位一致性好,水听器间的灵敏度相位相同。H=H=HV 0) H=HV 5) 22222222H=HH=HV 0) H=HV 0) H=-H=V 0) H=-H=V 5) H=-H=V 0) 1 11 11 11 11 1∂H=-H=V 0) H∂H=-H=V 0) ∂HH×d 5) ∂∂HH×d 0) ∂2∂HH×d 0) ∂∂HH×d 0) ∂∂H=H=×d 0) ∂∂H=H=×d 5) ∂∂H=H=×d 0) ∂∂H=H=×d 0) ∂H=H=×d 0) )1H H1=1=B 0) )H=-H=B 5) )1 1H=-H=B 0) )1 1H=-H=B 0) )1 1H=-H=B 0) )1 1H=HB 0) )22H=HB 5) )22H=HB 0) )22H=HB 0) )22H=HB 0) )1∂21HH×d 0) )1HH×d 5) 11HH×d 0) 11HH×d 0) 131HH×d 0) 12H=H=×d 0) 22H=H=×d 5) 22H=H=×d 0) 22H=H=×d 0) 2H=H=×d 0) )2双水听器传递函数H标准不确定度的分量主要来源于:8信号采集系统的量化误差引入的测量不确定度。根据信号采集器接收的最大信号U,数转换器为,量化误差均匀分布在最低有效位的。所以,半区间U。取=,则信号采集系统量化误差引入的测量不确定度为:8/0V 0) /0V 5) )/4V 0) )/7V 0) )/8V 0) )/1V 0) )/1V 5) )/2V 0) /0V 0) /2V功率放大器不稳定引入的测量不确定度

0) )一般对功率放大器的稳定性要求是在h内信号幅值波动不超过1。假设其为均匀分布,取=,所以引入的测量不确定度为:/1V 0) )/4V5) /6V 0) /5V 0) /2V 0) /4V 0) )4c)比为:

/8V 5) /4V 0) /1V 0) /9V 0) )信噪比不足引入的测量不确定度。本系统的信噪比一般不低于5。信噪RB )σ各频率信噪比引入的测量不确定度为:σ4V 0) )3V 5) )9V 0) )3V 0) )2V 0) )9V 0) )5V 5) )2V 0) )1V 0) )5V声场均匀性误差引入的测量不确定度

0) )测试时管中声场与严格意义上的驻波场有差异,测量支架以及样品和管壁的间隙,水听器伸入管中都会对声场造成干扰,一般可假设声场均匀性误差在B范围内,最大变化量8,满足正态分布,取。由此引入的测量不确定度为: k18kkkkkkkk18181818282828kkkkkkk

2V 0) )1V 5) )3V 0) )0V 0) )4V 0) )0V 0) )1V 5) )7V 0) )5k28 9V 0) )kk28 6V 0) )k信号采集相位误差引入的测量不确定度。测量系统的采样率为,假设其为均匀分布,取=,则信号采集相位误差引入的测量不确定度为:00dk 3水听器灵敏度幅值测量引入的测量不确定度。根据水听器校准证书,

)接收灵敏度测量不确定度为UB,则由水听器灵敏度幅值测量引入的测量不确定度为:B )水听器灵敏度相位测量引入的测量不确定度。根据水听器校准证书,接收灵敏度测量不确定度为U°,则由水听器灵敏度相位测量引入的测量不确定度为:d )双水听器传递函数H的测量不确定度来源汇总见表。表7双水听器传递函数H测量不确定度来源汇总表序号数值频率z05000111/30V0V4V7V8V1231V1V2V0V2V221/31V4V6V5V2V22/34V8V4V1V9V331)4V3V9V3VV32)9V5V2V1VV44118 k2V1V3V0V4V4228k0V1V7V9VV55152)ddddd66162kBBBBB77172)ddddd由B类评定方法计算的各直接测量量值的标准不确定度分别为:6B=5V 0))B=4V 5))B=3V 0))B=5V 0))B=2V 0))B=2V 0))B=1V 5))B=2V 0))B=0V 0)))B=4V 0)5u5

(

)Bd )BB )BB )Bd )( ,

Bd

:)代入公式,

5

可得双水听器传递函数H测量不确定度的B类评定BH6 0) BH2 5) )BH3 0) BH1 0) BH3 0) )所以 参考样品测试时,考虑测量不确定度的B类评定,双水听器传递函数H的测量下限为:

Hn6 0) )Hn2 5) )7Hn3 0) )Hn1 0) )Hn3 0) )双水听器传递函数H的测量上限为:Hx6 0) )Hx2 5) )Hx3 0) )Hx1 0) )Hx3 0) )把双水听器传递函数H的测量值上下限和水中声速值上下限分别代入公式、,可得声压反射系数的测量不确定度的B类评定。0时,选用##水听器对d为8l为550、00z测试时,选用##水听器对d为8l为5。双水听器传递函数的测量引入的测量不确定度。水中声速取0℃时声速,为6;R

n=r1 0) )Rn=r3 5) )Rn=r4 0) )Rn=r2 0) )Rn=r9 0) )Rx=r0 0) )Rx=r1 5) )Rx=r6 0) )Rx=r2 0) )Rx=r7 0) )RRRn7 0)RRxR1 5))RRRn6 0)