资料介绍
中华人民共和国国家计量检定规程
JJG 1017—2007
1 kHz~1 MHz标准水听器
2007-02-28发布 2007-05-28实施
国家 质量 监督 检验 检疫 总局 发布
检定 规程
췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍췍
本规 程经 国家 质量 监督 检验 检疫 总局 2007年 2 月 28 日批 准 , 并自2007年 5月 28 日起施行。
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 : 中国科学院声学研究所中国测试技术研究院
本规程委托全国声学计量技术委员会负责解释
主要起草人 :
王月兵 (中国船舶重工集团公司第七一五研究所)陈毅 (中国船舶重工集团公司第七一五研究所)
袁文俊 (中国船舶重工集团公司第七一五研究所)参加起草人 :
朱厚卿 (中国科学院声学研究所)
商国华 (中国测试技术研究院)
目录
1 kHz~1 MHz标准水听器检定规程
本规程参考采用国际电工委员会 IEC 60565Ed.2: 2006 《水声水听器 0.01 Hz~ 1 MHz频率范围的校准》 中的自由场互易法校准。
1 范围
本规程适用于频率在 1 kHz~1 MHz范围内标准水听器的首次检定、后续检定和使用中检验。该频率范围内标准发射器发送电流响应级的校准也可参照执行。
2 引用文献
本规程引用下列文献 :
GB/T 3102.7—1993 《声学的量和单位》
GB/T 3223—1994 《声学水声换能器自由场校准方法》
GB/T 3947—1996 《声学名词术语》
GB/T 4128—1995 《声学标准水听器》
GJB 1727—1993 《中频一级标准水听器检定规程》
JJF 1001—1998 《通用计量术语及定义》
JJF 1034—2005 《声学计量名词术语及定义》
JJF 1059—1999 《测量不确定度评定和表示》
IEC 60565Ed.2: 2006, Underwateracoustics-hydrophones-calibration in thefrequency range0.01 Hz to 1 MHz
使用本规程时 , 应注意使用上述引用文献的现行有效版本。
3 术语和计量单位
本规程采用 GB/T 3947—1996、JJF1001—1998、JJF1034—2005中有关的术语和定义。本规程采用 GB/T 3102.7—1993中规定的量和单位。
在本规程中 , 若不加以说明 , 则所有的电压、 电流、声压均指有效值。
3.1 互易换能器的电端 (electrical terminalsofa reciprocal transducer)
用作水听器时测量其开路电压的电端和用作发射器时测量其发射电流的电端。
注 : 如果换能器浸在水中 , 则与水之间阻抗最低的电端被称为 “低端”, 另一端被称为 “高端”。
3.2 换能器对的电转移阻抗 (electrical transferimpedance of a transducer pair)
当发射器和水听器置于自由声场中 , 其主轴成一直线并互相对准时 , 水听器两端的开路瞬时电压与通过发射器的瞬时电流的复数比。
单位 : 欧姆 , Ω。
注 :
1. 电转移阻抗是复数。
2. 由于电转移阻抗与声场条件、发射器和水听器的电负载有关 , 因此 , 相关条件连同电压和电流的测量端都应该指出。
3.3 电转移阻抗模 (electrical transferimpedance magnitude)
换能器对的电转移阻抗幅值。
3.4 水听器的开路电压 (open-circuitvoltage athydrophone)
当水听器输出端没有电流通过时 , 在该端呈现的电压。
单位 : 伏 [特] , V。
3.5 参考中心 (reference centre)
换能器的声接收灵敏度所定义的在换能器上或附近的某个点。建议选择换能器工作面的中心或附近的某点作为参考中心。它通常是换能器的几何中心 , 例如球形压电陶瓷换能器的球心。
4 概述
标准水听器用于检定测量水听器和测量水中声压 , 它由压电或其他灵敏元件及相应结构组成 , 在声波作用下能产生与作用声压成正比的开路电压值。
5 计量性能要求
5.1 自由场 [电压] 灵敏度 [级]
在 100kHz以下频率使用的标准水听器 , 自由场灵敏度级应不低于 -215dB (基准值 : 1 V/μPa) ; 在 100kHz~ 1 MHz频率范围内使用的标准水听器 , 自由场灵敏度级应不低于 -250dB。
1. 自由场灵敏度是指灵敏度频响曲线平坦部分的平均值。
2. 此处灵敏度均为开路电压灵敏度。
5.2 自由场灵敏度级频率响应
在 100 kHz 以下 频率 使用 的标 准水 听器 , 自由 场灵 敏度 级的 起伏 应不 超过±3.0 dB; 在 100kHz~1 MHz频率范围内使用的标准水听器 , 自由场灵敏度级的起伏应不超过 ±4.0 dB。
6 通用技术要求
6.1 外观结构
6.1.1 标准水听器的参考中心位置与校准方向应有明显标志。
6.1.2 标准水听器与水接触的表面应是光滑的、非多孔性的和能被水浸润的。
6.2 工作适应性
6.2.1 标准水听器的特性和构造应适合于在水温 (5~30)℃、水深 (0~ 10) m 的环境条件下进行测量。
6.2.2 标准水听器使用的材料和结构应具有长期稳定性 , 水听器暴露于水中的所有部件均应采用耐腐蚀的材料制作。
6.2.3 高阻抗的敏感元件应进行静电屏蔽 , 静电屏蔽和标准水听器暴露于水中的金属
外壳应与电缆的屏蔽线连接。
6.3 工作正常性
6.3.1 对不带前置放大器的标准水听器 , 频率低于 100 kHz时 , 在电端测得的绝缘电阻应大于 100 MΩ (测试电压 100V) ; 频率高于 100 kHz时 , 绝缘电阻应大于 100 kΩ (测试电压 100V)。 在电 端测 得的 电容 值与 使用 说明 书中 提供 的数 值相 差应 不超 过±20%。
6.3.2 对带前置放大器的标准水听器 , 当有振动信号作用到水听器敏感元件时 , 电端应有相应的电压输出。
6.3.3 测量时所用夹具对标准水听器的灵敏度有影响 , 则标准水听器检定用夹具应与实际使用时相一致。
6.4 标志和出厂校准资料
6.4.1 标准水听器应具有以下清晰而耐久的标志 :
(1) 制造商的名称 :
(2) 产品的型号 ;
(3) 产品的序列号。
6.4.2 每只标准水听器应附有相应的出厂校准资料。 出厂校准资料应包括标准水听器的声压灵敏度级频率响应数据或曲线、信号线、地线和屏蔽线的定义。带前置放大器的标准水听器还应有供电线的标记 , 并说明供电电压值 ; 不带前置放大器的标准水听器 ,使用时电缆长度应与检定时相一致。
6.4.3 不需要进行调节的部件 , 应采用密封或标记的方法加以保护 , 以免影响标准水听器的性能。
7 计量器具控制
计量器具控制包括首次检定、后续检定和使用中的检验。
7.1 检定条件
7.1.1 检定环境条件
室温 : 10℃ ~30℃ ;
湿度 : 30%~90% ;
水温 : 5℃ ~30℃。
7.1.2 检定用设备
检定用设备包括检定水域、辅助换能器和电子仪器等。其中 , 电流取样器和波形采集仪为计量标准器 , 其他电子仪器、辅助换能器和检定水域等为配套用设备。
7.1.2.1 计量标准器
(1) 电流取样器 : 可以是电流变换器 , 也可以是小阻值的精密电阻 , 其准确度应优于 ±1%。
(2) 波形采集仪 : A/D变换位数不低于 8 bit, 采样频率至少比信号频率高 4倍。
7.1.2.2 配套用设备
(1) 检定水域和信号
1) 发射换能器和水听器之间的距离
发射换能器和水听器参考中心之间的距离应足够大 , 使水听器处于发射换能器的远场中 , 两者之间的距离应满足公式 (1) 的要求。
式中 : d— 发射换能器与水听器参考中心间距离 , m;
a1— 发射换能器敏感元件的最大尺寸 , m;
a2— 水听器敏感元件的最大尺寸 , m;
λ— 检定频率对应的水中声波波长 , m。
2) 检定用信号可以是连续正弦信号 , 也可以是脉冲调制正弦信号。
3) 当用连续正弦信号时 , 为了得到自由场 , 检定应在消声水池或开阔水域中进行 ,并应在检定之前检验换能器和水听器放置区域内声传播衰减 , 其值与理想自由场的偏差应不超过 ±0.5 dB。
4) 当用脉冲调制正弦信号检定时 , 可在消声水池、非消声水池或其他有限空间的水域中进行 , 但脉冲宽度必须满足附录 A 中公式 (A.1)、 (A.2)、 (A.3)、 (A.4)、 (A.5)、 (A.6) 和 (A.7) 的要求。
5) 当用脉冲调制正弦信号检定时 , 为了减小混响声对直达声的影响 , 脉冲的重复周期应满足附录 A 中公式 (A.8) 的要求。
(2) 辅助换能器
对发射换能器和互易换能器应作非线性检查。 当频率小于 100 kHz时 , 非线性应不超过 ±0.2 dB; 当频率大于或等于 100kHz时 , 非线性应不超过 ±0.5 dB。
对互易换 能器 应作 互易 性检 查。 当频 率小 于 100 kHz 时 , 非互 易性 应不 超过±0.5 dB; 当频率大于或等于 100kHz时 , 非互易性应不超过 ±1.0 dB。
(3) 电子仪器
1) 信号源 : 频率稳定度应优于 ±0.02%/h, 频率示值误差不超过 ±0.02% ; 最大输出电压不低于 1 V峰值 , 电压示值误差不超过 ±1%。
2) 测量放 大器 : 输入 阻抗 应比 水听 器阻 抗至 少高 100 倍 , 增益 误差 不超 过±0.1 dB。
3) 电子开关 : 两通道间的串扰应小于 -80dB。
4) 功率放大器 : 输出阻抗与发 射换 能器 阻抗 相匹 配 , 输出 波形 失真 (THD+N)不大于 2%。
5) 滤波器 : 1/3或 1/1倍频程滤波器 , 或者频带宽度任意可调的带通滤波器 , 衰减斜度不低于 48dB/倍频程。
6) 兆欧表 : 测试电压 100V, 绝缘电阻测量最大允许误差 ±10%。
7) 电容表 : 电容值测量范围不小于 100μF, 电容测量最大允许误差 ±5%。
8) 计算机 : 带仪器控制接口。
7.2 检定项目
标准水听器的首次检定、后续检定和使用中检验项目见表 1。
表 1 标准水听器的首次检定、后续检定和使用中检验项目一览表
1. 标准水听器带前置放大器时 , 不检定水听器的绝缘电阻和电容。
2. “+ ” 表示需检项目 , “-” 表示不需检项目。
7.3 检定方法
7.3.1 外观检查
标准水听器应具有清晰的标志 , 包括制造商的名称、产品的型号、产品的序列号等。外观应完好 , 无影响正常工作的机械损伤等。
出厂校准资料应符合 6.4.2 的要求。
7.3.2 绝缘电阻
标准水听器不带前置放大器时 , 将标准水听器的敏感元件部分置于水中 , 标准水听器的电缆末端接到兆欧表两端 , 测得的绝缘电阻值应符合 6.3.1 的要求。
7.3.3 电容
标准水听器不带前置放大器时 , 标准水听器的电缆末端接到电容表两端 , 测得的电容值应符合 6.3.1 的要求。
7.3.4 自由场灵敏度 [级]
首次检定、后续检定 : 采用自由场互易法进行检定。
使用中检验 : 按 7.3.4.3 的 (4) 中的 4) 实施。
7.3.4.1 检定原理
应用自由场互易法检定时须应用三个换能器 : 发射换能器 F、互易换能器 H 和水听器 J。检定方法原理图见图 1。测量分三步进行 :
第一步如图 1 (a) 所示 : 在自由场条件下 F发射声波 , H 接收声波 , F 与 H 的参考中心相距 dFH , 测量 H 的开路电压 UFH 与 F 的发射电流 IF , F 与 H 的电转移阻抗模按公式 (2) 计算。
ZFH (2)
式中 : ZFH —F与 H 的电转移阻抗模 , Ω;
UFH —F发射时 H 的开路电压值 , V; IF—F 的发射电流值 , A。
第二步如图 1 (b) 所示 : 在自由场条件下 F发射声波 , J接收声波 , F 与 J 的参考中心相距 dFJ , 测量 J 的开路电压 UFJ与 F 的发射电流 IF , F 与 J 的电转移阻抗模按公
图 1 检定方法原理图
式 (3)计算。
ZFJ (3)
式中 : ZFJ —F与 J 的电转移阻抗模 , Ω;
UFJ—F发射时 J 的开路电压值 , V;
IF—F 的发射电流值 , A。
第三步如图 1 (c) 所示 : 在自由场条件下 H 发射声波 , J 接收声波 , H 与 J 的参考中心相距 dHJ , 测量 J 的开路电压 UHJ与 H 的发射电流 IH , F 与 J 的电转移阻抗模按公式 (4) 计算。
ZHJ (4)
式中 : ZHJ —F与 J 的电转移阻抗模 , Ω;
UHJ— H 发射时 J 的开路电压值 , V;
IH —F 的发射电流值 , A。
H 和 J 的自由场灵敏度级分别按公式 (5) 与 (6) 计算 :
式中 : MH — H 的自由场灵敏度级 , dB (基准值 : 1 V/μPa) ;
MJ —J 的自由场灵敏度级 , dB (基准值 : 1 V/μPa) ;
JS— 球面波互易常数 , W/ (m ·Pa2)。按公式 (7) 计算。
JS (7)
式中 : ρ— 水的密度 , kg/m3 ;
f— 信号频率 , Hz。
H 与 F 的发送电流响应级分别按公式 (8) 与 (9) 计算。
式中 : SIH — H 的发送电流响应级 , dB (基准值 : 1 μPa · m/A) ;
SIF—F 的发送电流响应级 , dB (基准值 : 1 μPa · m/A)。
若检定时取 dFH=dFJ=dHJ=d, 则公式 (5)、 (6) 与公式 (8)、 (9) 分别可简化
MH = 10[lg ZFH +lg ZHJ -lg ZFJ +lgd+lgJS] - 120 (10)
MJ = 10[lg ZFJ +lg ZHJ -lg ZFH +lgd+lgJS] - 120 (11)
SIH = 10[lg ZFH +lg ZHJ -lg ZFJ +lgd-lgJS] + 120 (12)
SIF = 10[lg ZFH +lg ZFJ -lg ZHJ +lgd-lgJS] + 120 (13)
7.3.4.2 检定装置
自由场互易法检定装置组成框图如图 2所示。其中发射器指的是发射换能器或互易换能器 , 接收器指的是水听器或互易换能器。
图 2 自由场互易法检定装置组成框图
7.3.4.3 检定步骤
(1) 信号和声场条件准备
按照 7.1.2.2 的 (1) 中的规定准备好检定水域和信号。对于不经常使用的水域或当水域条件发生变化时 , 在检定前必须进行声场检查。检查方法见附录 B。
(2) 换能器准备
1) 按照 7.1.2.2 的 (2) 中的要求准备好检定用的辅助换能器 ;
2) 为了使换能器表面充分湿润且不附有气泡 , 检定前应使用对橡胶和金属无腐蚀作用的洗涤剂擦 洗换 能器 表面 , 并涂 上浸 润剂 或在 水中 浸泡 至少 1 h, 使之 达到 温度平衡 ;
3) 根据预定方案 , 把辅助换能器和待检水听器分对组合 (见图 1) 按序以适当方式固定于检定水域的同一深度处 , 误差不超过 ±0.5 cm; 每对换能器参考中心之间距离d应精确测量 , 测量不确定度应不大于 1% , 两个换能器的校准方向应相互对准 , 允许偏差不超过 ±3°, 固定方式和支架结构应不影响检定结果 ;
4) 为了使换能器与水温和压力达到平衡 , 在开始测量之前 , 换能器应在检定水域的检定深度处至少放置 30 min;
5) 必要时需对换能器的线性和互易换能器的互易性进行检查。检查方法见附录 B。 (3) 干扰和信噪比检查
1) 在实际测量条件下检查信噪比 , 其值应不小于 30 dB, 为了进一步提高测量信号的信噪比 , 可对采集信号进行多次平均 ;
2) 应用脉冲信号时 , 检查电串漏脉冲的存在状态 , 并通过调节脉冲宽度使直达波与电串漏相分离 ;
3) 应用连续信号时 , 应检查并排除电串漏信号对声信号的影响 ;
4) 当使用辅助换能器发射时 , 在待检水听器校准方向 ±3°范围内 , 输出开路电压的变化应不超过 ±0.2 dB。
(4) 测量
1) 按图 2所示组成检定装置 , 开启所有仪器设备 , 预热 15 min;
2) 根据实际情况选用测量所需信号类型 , 通常采用脉冲调制正弦信号 ;
3) 把功率放大器的放大量调到适宜值 ;
4) 当待检水听器的频率范围为 1 kHz~200 kHz或 100 kHz~ 1 MHz时 , 将检定装置的工作频率设置到 50 kHz或 500 kHz, 被检水听器的输出波形应无明显畸变 ;
5) 操作计算机 , 从硬盘调出相应的测量程序 , 并输入所需测量的频率序列 ;
6) 按图 3所示的流程图进行控制和测量 , 当装置设置为面板控制状态时也可进行手动逐点测量 ;
7) 进行发送电流和接收电压的测量 ;
8) 按公式 (14) 计算电转移阻抗模值 :
CI (14)
式中 : CI— 电流取样器的灵敏度 , V/A;
Z — 发射器和接收器对的电转移阻抗模 , Ω;
U0— 经放大和滤波后的水听器开路输出电压 , V;
UI— 经放大和滤波后的电流取样器输出电压 , V。
在执行信号采样和离散傅立叶变换运算过程中 , 要求运算窗长度正好为被测信号周期的整数倍 , 即采样率需满足公式 (15) 的要求 :
式中 : NT— 傅立叶变换运算窗中的信号周波数 ;
NS— 傅立叶变换运算窗中的采样点数 ;
fT — 信号频率 , Hz;
fS— 采样频率 , Hz。
9) 按图 1所示进行三只换能器的组合 , 每次组合重复执行步骤 3) 到 8) , 测得选定频率下三组换能器对的电转移阻抗模值。
图 3 测量程序流程框图
10) 将测 得的 三组 电转 移阻 抗模 取以 10 为底 的对 数值 , 分别 代入 公式 (10)、 (11)、 (12)、 (13) , 计算MH、MJ、SIH、SIF ;
重复测量 6次 , 计算不同频率下的自由场灵敏度 [级] , 结果应符合 5.1 的要求。
注 : 当水听器需加长电缆进行检定时 , 由附加电缆所引起的水听器灵敏度的变化必须进行修正。修正方法见附录 C。
7.3.5 自由场灵敏度级频率响应
自由场灵敏度级频率响应由各检定频率点上的自 由场灵敏度级构成 , 结果应符合
5.2 的要求。
7.4 检定结果的处理
经检定符合本规程要求的标准水听器发给检定证书 ; 不符合要求的标准水听器发给检定结果通知书 , 并注明不合格的项目 , 检定证书和检定结果通知书的内页格式见附录D。
7.5 检定周期
标准水听器的检定周期为不超过 1年。
附录 A
脉冲声校准技术
A.1 换能器按图 A.1所示在水池中放置时 , 为了避免来自边界的反射声影响 , 则脉冲宽度 τ应满足下列条件 :
(A.1)
τ< ( d + B -d) (A.2)
(A.3)
式中 : c— 声波在水中传播的速度 , m/s;
d— 两换能器之间的距离 , m;
L、B、H— 为水池的长、宽、深 , m。
图 A.1 矩形水池中直达声和各界面的一次反射途径示意图
A.2 当换能器的最大尺寸大于或等于声波波长时 , 换能器之间的反射应引起注意 , 为了避免此反射对测试的影响 , 则脉冲宽度 τ应满足下列条件 :
τ< (A.4)
A.3 为了使脉冲声技术测试相当于连续信号测试 , 要求脉冲声波作用于接收换能器上
的时间足够长 , 以使换能器各部分之间完成相互作用 , 则脉冲宽度 τ应满足下列条件 :
2l′
τ> (A.5)
式中 : l′— 沿声波传播方向上接收换能器的尺寸 , m。
A.4 当换能器共振时 , 欲使脉冲声测试达到稳态值的 96%以上 , 即与连续信号测试相比 , 实测值不小于理论值的 0.4 dB, 则脉冲宽度 τ应满足下列条件 :
τ> (A.6)
f0式中 : Q— 换能器的品质因数 ;
f0— 换能器的共振频率 , Hz。
A.5 为了保证脉冲声信号在测试过程中不发生畸变 , 则脉冲宽度 τ应满足下列条件 :
τ> (A.7)
Δf
式中 : Δf— 前置放大器、滤波器和换能器等的带宽 , Hz。
A.6 为了使水池引起的混响不影响测试结果 , 在下一个直达声脉冲到达时 , 所有的反射声应小于直达声的 40 dB, 则脉冲的重复周期 T应满足下列条件 :
T > T60 (A.8)
3式中 : T60— 水池的混响时间 , s。
附录 B
互易法检定条件的验证
B.1 自由场球面波验证
在自由声场中 , 在一定距离之外声源产生的声压呈球面波发散 , 声压 pd 与离声源中心的距离 d 成反比 , 即满足下列条件 :
pd (B.1)
式中 : pd— 离声源声中心距离 d处的声压 , Pa;
A— 常数。
当公式 (B.1) 以对数形式表示时 , 有
lgpd +lgd= lgA=C (B.2)
若以 lgpd 为纵坐标 , lgd为横坐标 , 则公式 (B.2) 在直角坐标中的表示为一直线(见图 B.1)。任何使自由场条件不满足的因素 , 例如边界反射、声源的近场效应、换能器间的反射等等 , 均将使实测结果偏离理想直线。一般以此偏差来度量自由场条件的符合程度 , 并以此量值来计算由声场条件不满足引起的校准误差。在互易法校准中 , 要求声场偏差不超过 ±0.5 dB。
图 B.1 声压与距离的对数关系式
在开阔水域中进行校准 , 当换能器离水面的深度远大于两换能器参考中心间的距离时 , 仅由水面反射造成的最大声场偏差 Δα可由公式 (B.3) 估算。
Δα= 20lg (B.3)
式中 : d— 校准时两换能器参考中心间的距离 , m;
h— 换能器离水面的深度 , m。
若要求声场偏离 Δα不超过 ±0.5 dB, 则应有
h≥ 8.4d (B.4)
B.2 换能器的线性范围的验证
换能器的线性范围是其输入、输出比值保持不变时输入量变化的范围。此比值对于发射器是输入电流 I与其在距离 d 处产生的声压之比 , 对于水听器是作用其上声压 pd与输出开路电压 U 之比。
检验线性范围的方法是测定按图 B.2排列的换能器对 (F-J) 的电转移阻抗 ZFJ的模和幅角不随 输入 电流 I 变化 的范 围。 当频 率小 于 100 kHz 时 , 要求 电转 移阻 抗模 ZFJ 的变化 应不 超过 ± 0.2 dB; 频率 大于 等于 100 kHz 时 ZFJ 的变 化应 不超 过±0.5 dB。若满足此条件 , 则认为两换能器 F、J在此范围内都是线性的 , 其非线性误差将不大于 0.2 dB或 0.5 dB。
图 B.2 换能器的线性范围验证示意图
若电转移阻抗模 ZFJ 随输入电流 I发生变化 , 则需改变距离 d或更换一换能器以判断是发射器 (F) 还是水听器 (J) 呈现非线性 , 或此两换能器均非线性。对于互易换能器应同时测定用作发射器时和用作水听器时的线性范围。
B.3 互易换能器互易性的验证
互易换能器互易性的检验方法是测定按图 B.3排列的换能器对 (F-H) 的电转移阻抗 ZFH 和 ZHF 的模和幅角相等的范围。 当频率小于 100 kHz时 , 要求电转移阻抗 ZFH 和ZHF 的模值之差应不超过 ±0.5 dB; 当频率大于等于 100 kHz时应不超过 ±1.0 dB。若满足此条件 , 则认为两换能器均为互易换能器 , 若不满足则应逐个调换换能器以判断是换能器 (F) 还是 (H) 不互易 , 或是两换能器都不互易。
图 B.3 换能器的互易性验证示意图
注 : 在检验互易换能器的互易性时 , 不能用在结构上完全一样的两个换能器来检验 , 以避免由于两换能器的线性或非线性相同而无法根据 ZFH 和 ZHF 来判断换能器的互易性。
附录 C
电负 载修 正
C.1 引言
水听器的灵敏度通常指的是电缆末端的开路灵敏度 , 它是在水听器的末端未接任何电负载的灵敏度。 当水听器附加一个特定的电负载时 , 须按以下方式对水听器的灵敏度进行修正。
C.2 复阻抗修正
如果水听器的复阻抗为 ZH , 水听器电缆末端的开路灵敏度为 M0 , 当它连接了一
个复阻抗为 ZL 的电负载后 , 电缆末端的灵敏度 ML 为
式中 : Re ( ) — 相应的复数的实部 , Ω;
Im ( ) — 相应的复数的虚部 , Ω。
通常 , 电阻 抗可 用电 阻 R 和电 容 C 的并 联表 示。 在这 种情 况下 , Re(ZL) 和
Im(ZL)的表达式为
Re (C.2)
Im (C.3)
式中 :——— 阻, π,;f为频率 , Hz;
CL— 负载的电容量 , pF。
C.3 电容修正
当水听器工作频率远低于其谐振频率、负载是接长电缆时 , 修正可以进一步简化 ,水听器和负载可以假设为纯电容。在这种情况下 , 如果 CH 是水听器包括接长电缆的总电容 , 上面的公式可以简化为
ML =M (C.4)
附录 D
检定证书和检定结果通知书的内页格式
D.1 检定证书内页格式
D.2 检定结果通知书内页格式
附录 E
测量不确定度评定实例
E.1 引言
标准水听器的主要量值为自由场灵敏度 , 下面对自由场互易法的测量结果进行不确定度分析。
E.2 数学模型
标准水听器的自由场灵敏度级按公式 (6) 计算。 为便于不确定度的评定 , 对公式
(6) 的表达形式进行适当变更。实际测量时 , 只要测得发射电流的取样信号电压 UI 值与水听器的输出开路电压 U0 值 , 就可求得电转移阻抗模值 :
式中 : CI— 电流变换器的灵敏度 , V/A。
根据该表达式 , 电转移阻抗可变换为
=-α+20lgCI令 : CMJ =C+JS
C= 20lgdFJ +20lgdHJ -20lgdFH +20lgCI
JS = 6-20lgρ-20lgf则式 (11) 可变换成以下形式 :
式中 : αFH — 电转移阻抗模 ZFH 的倒数 , S;
αFJ— 电转移阻抗模 ZFJ 的倒数 , S;
αHJ— 电转移阻抗模 ZHJ 的倒数 , S。
由于 αFH 与 αFJ是在同一发射器下使用相同的测量电路测得的 , 单向误差可以消除 ,
因此 (αFH -αFJ) 宜作为一个量来进行不确定度的计算。 根据不确定度的传递方法 , 由
式 (E.1) 可以得到水听器灵敏度值的 B类合成标准不确定度传递公式为
式中根号内的各项为不同参量的 B类标准不确定度。
E.3 1 kHz~100kHz频率范围自由场灵敏度测量不确定度评定E.3.1 标准不确定度的 A类评定
A类标准不确定度主要来源于测量的重复性 , 在相同测量条件下对标准水听器的自由场灵敏度重复测量 6次 , 得到的结果如表 E.1所示。
表 E.1 自由场灵敏度测量数据
求得的最大实验标准偏差为 0.32dB。
E.3.量s=0.32/ 6 dB=0.13dB。
自由场灵敏度的 B类不确定度主要来源于 :
(1) 前置放大器输入阻抗不足引入的不确定度分量
前置放大器输入阻抗不 足的 误差 不超 过 ±0.10 dB, 以均 匀分 布考 虑 , 取 k= 3 ,
uB1 = 0.10/ 3 dB= 0.06dB
(2) 电流变换器灵敏度引入的不确定度分量
电流变换器灵敏度的误差不超过 ±0.10 dB, 以正态分布考虑 , 取 k= 2, 则电流变
uB2 = 0.10/2dB= 0.05 dB
(3) 数据采集器量化误差引入的不确定度分量
数据采集器量化误差不超过 ±0.10 dB, 以均匀分布考虑 , 取 k= 3 , 则数据采集
uB3 = 0.1/ 3 dB= 0.06dB
(4) 互易换能器互易性偏差引入的不确定度分量
互易换能器互易性偏差不超过 ±0.25 dB, 以均匀分布考虑 , 取 k= 3 , 则互易换
uB4 = 0.25/ 3 dB= 0.15 dB
(5) 换能器的非线性引入的不确定度分量
换能器的非线性不超过 ±0.20 dB, 以均匀分布考虑 , 取 k= 3 , 则换能器的非线
uB5 = ± 0.20/ 3 dB= 0.12 dB
(6) 方向对准误差引入的不确定度分量
换能器方向不对准造成的误差不超过 ±0.20 dB, 以正态分布考虑 , 取 k= 2, 则方
uB6 = 0.20/2dB= 0.10 dB
(7) 距离测量引入的不确定度分量
因换能器间距离测量不准造成的误差不超过 ±0.10 dB, 以正态分布考虑 , 取k= 2,
uB7 = 0.10/2dB= 0.05 dB
(8) 水密度引用值引入的不确定度分量
水密度引用值的误差不超过 ±0.035 dB, 以均匀分布考虑 , 取 k= 3 , 则水密度引
uB8 = 0.035/ 3 dB= 0.02dB
(9) 脉冲稳态不充分引入的不确定度分量
脉冲未完全达到稳态的误差不超过 ±0.40 dB, 以均匀分布考虑 , 取 k= 3 , 则脉
uB9 = 0.40/ 3 dB= 0.23dB
(10) 无规噪声干扰引入的不确定度分量
无规噪声干扰的误差不超过 ±0.10 dB, 以均匀分布考虑 , 取 k= 3 , 则无规噪声
uB10 = 0.10/ 3 dB= 0.06dB
(11) 电磁干扰引入的不确定度分量
电磁干扰引入的误差不超过 ±0.10 dB, 以正态分布考虑 , 取 k= 2, 则电磁干扰引
uB11 = 0.10/2dB= 0.05 dB
E.3.3 合成标准不确定度
(1) 测量不确定度来源汇总于下表 E.2。
表 E.2 测量不确定度来源汇总表
(2) αHJ的 B类标准不确定度
根据 αHJ 的测 量过 程 , uB (αHJ) 应由 uB1、uB3、uB5、uB6、uB9、uB10 和 uB11 等分 量合成而成。 因此有
uB (αHJ) = [u1 + u3 + u5 + u6 + u9 + u10 + u11]1/2 = 0.30 dB
(3) (αFH -αFJ) 的 B类标准不确定度
通过分析已知 uB1、uB5、uB9 和 uB10实际 是单 向的 不确 定度 , 且根 据 αFH 和 αFJ 的测量过程 , 这些不确定 度对 于 uB (αFH - αFJ) 无贡 献。 不过 为了 保险 起见 , 在 uB (αFH - αFJ) 的估算中不把它们忽略 , 只计一次、而 uB3、uB6和 uB11需计两次。 因此有
uB (αFH - αFJ) = [u1 + 2u3 + u5 + 2u6 + u9 + u10 + 2u11]1/2 = 0.33 dB
(4) C的 B类标准不确定度
由于 C=20lgd+20lgCI, 所以有
uB (C) = (u2 + u7) 1/2 = 0.07dB
(5)JS 的 B类不确定度
由于 JS= 6-20lgρ-20lgf, 而 f 的误 差很 小 , 可以 忽略 , 但需 要计 及互 易性 偏差
uB (JS) = (u8 + u4) 1/2 = 0.15 dB
(6)MJ 的 B类标准不确定度
把以 上估 算得 到的 uB (αHJ)、uB (αFH - αFJ)、uB (C) 和 uB (JS) 代入 公式 ( E2) ,可计算得
uB = 0.24dB
(7)MJ 的合成标准不确定度
由以上可知 ,合成标准不确定度为
uc = (u + u) 1/2 = 0.27dB
E.3.4 MJ 的扩展不确定度
取包含因子 k=2,则自由场灵扩u展c确6为
E.3.5 结论
分析的扩 展不 确定 度 U = 0.6 dB(6.7%) , 被检 标准 水听 器的 误差 要求 为 3.0 dB
故检定可行。
