GB T 3223-1994 声学 水声换能器自由场校准方法.pdf

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1、中华人民共和国国家标准声学水声换能器自由场校准方法Acoustics-Free-field callbratlon metbod of underwater sound transducers 1 主题内容与适用范围G/T 3223-94 代替GB3223 82 本标准规定了水声换能器在自由场球面波条件下的校准方法:互易法和比较法。本标准的互易法适用于校准标准水昕器和标准声源，比较法适用于校准测量水昕器和水声发射器。频率范围为几百赫到几兆赫。本标准所有的测量都是在稳态条件下进行的。当被校水声换能器的性能与环境条件t如温度、静压等)有关时，应在校准结果中说明这些环境条件。2 引用标准GB 394

2、7 声学名词术语GB 3102. 7 声学的量和单位GB 3238 声学量的级及其基准值GB 3240 声学测量中的常用频率3 术语3.1 几何声中心geometrical acoustic center 是换能器结构或辐射表面的几何对称中心，如球形换能器的球心。注2低频时有效声中心与几何声中心是一致的。3- 2 参考声中心reference acoustic center 是换能器上的某个指定点，用作描述其特性时的坐标原点。该点是任选的，一般为几何声中心。3.3 水昕器开路电压U open circuit voltage of hydrophone 水听器输出端没有电流流出时，在该点呈现的瞬

3、时电压。单位为伏，V.3- 4 换能器对的电转移阻扰ZFJ electrical transfer impedance of transducer pair 由发射器(F)和水听器(J)组成的换能器对，在某一频率下的电转移阻抗为，当换能器对置于声场中，其主轴相对指向并位于一直线上时，水听器开路电压UJ与输入发射器的电流F的复数比。单位为欧姆，L以数学式表示时为:ZFJ = UJ/iF 其模和幅角分别为2!ZFJ I I uJii, I UJ/ h , J一九国家技术监督局1994-12-27批准( 1 ) . ( 2 ) 1995-08-01实施GB/T 3223-94 式中:UJ 水昕器开路

4、电压的高效值，V;IF 一输入发射器电流的有效值，A;h 水昕器开路电压的相位，rad;h 输入发射器电流的相位，rad注s电转移阻抗与换能器对所处的声场、电负载、环境等条件有关时，应同时指出这些条件.换能器对处于自由场远场条件下时，其电转移阻抗模与换能辖对声中心间的距离d成反比.即IZ I d 常数3- 5 自由场电压灵敏度M, free-field voltagesensitivity ( 3 ) 水听器输出端的开路电压u与在自由声场中引入水昕器前存在于其声中心位置处的瞬时电压扣的复数比值。单位为伏每帕，V/Pao 以数学式表示时为M, = u/p, ( 4 ) 其量值与相位分别为M ,

5、= IU/Pr l = U/扣，世Mf=仇-4fun-.( 5 ) 注:自由场灵敏度是对平面行波而言.其相对于平面波传播的指定方向，一般为灵敏度最大的方向，声中心一般为参考声中心，它们均应在水昕器上明确标出.其输出端和频率在结出灵敏度时也应指明。自由场灵敏度的复数值和量值采用同一符号M若不加说明一般指量值.式(4)中的自由场声压的瞬时值和有放值也用同一符号。自由场灵敏度的相位如f为水听器开路电压u和自由场瞬时声压，阔的相位差.3- 6 自由场电压灵敏度级M, free-field voltageJ sensitivity level 自由场灵敏度的量值M，与基准灵敏度M，之比的以10为底的对数

6、乘以20囚单位为分贝，dBo以数学式表示时为:M, = 20Ig(MrlM,) 注:自由场灵敏度的基准值M，为1V /Pa. 3.7 发送电流响应S t transmitting current response .( 6 ) 在某频率和指定方向上，离发射器声中心参考距离do处的瞬时声压户。和该参考距离的乘积与输入至其电端的电流z的复数比值，参考距离为1ffio单位为帕米每安.Pa m/A。以数学式表示时为2S =户。do/i. ( 7 ) 其量值与相位分别为2S = I户。do/iI =户。do/I，比，仇。1;( 8 ) 注E发射器的指定方向，一般为主铀方向g声中心-般为参考声中心，它们均

7、应在发射器上明确标出.其输入端(可任选)和频率在给出发送电流响应时也应指明.发送电流响应的复数值和量值采用同一符号品，若不加以说明，一般指其量值.式(8)中的声压户。的瞬时值和有效值也用同符号。发送电流响应的相位民为d.处的瞬时声压.与电流之间的相位差.3.8 发送电流响应级51 transmitting current re叩onselevel 发送电流响应的量值S与其基准值S，之比值的以10为底的对数乘以20自单位为分贝，dBoGBjT 3223-94 以数学式表示时为:SI = 201g(SdSI,) 注2发送电流响应的基准值为1Pa.m/A.3.9 发送电压响应Sv transmitt

8、ing voltage response ( 9 ) 在某频率或指定方向上，离发射器声中心参考距离d，处的瞬时声压户。和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压u的复数比值。参考距离为1m.单位为帕米每伏，Pa.m/V.以数学式表示时为Sv =户。d，/u. ( 10 ) 其量值和相位分别为:Sv = 1户。do/叫= ,do/U , Iv =冉。9.( 11 ) 垃z同3.7的注。3.10 发送电压响应级Sv transmitting voltage response level 发送电压响应的量值ISvl与其基准值Sv，之比值的以10为底的对数乘以20。单位为分贝，dB。以数学式表示时为2Sv

9、 = 201g(Sv/Sv,) 注E发送电压响应的基准值为1Pa mlV. 3.11 电声互易原理electroacoustic reciprocity principle . ( 12 ) 一个线性、无源、可逆的电声换能器，用作水昕器时的接收灵敏度和用作发射器时相应的发送响应之比与换能器本身结构无关的原理。注，J:述比值为一常数，称为互易常数。此常数与换能器所处的声场性质有关，在自由场球丽波条件F.有2其中r.二J , =Mf/SJZFtedor 是:-jY, r =十y，=是=丘C 式中，J. 自由场球面波E:易常数，m3 s/峙，Mr 自由场灵敏度，V/Pa;5, 发送电流响应，Pa.m

10、/A;p 媒质的密度.kg/m3;f 频率.HzJ是一一复角波数，m-l;d，-一参考距离(1I时，m;Y 传播系数，m-1，a 衷减革数.d/m， 相位革数.r.ad/m;是一角披数.m-1;角频率，radl的r一一声速，m/s4 互易法校准4.1 原理. . ( 13 ) ( 14 ) GB/T 3223-94 E易法校准是根据互易换能器遵守的电声豆易原理进行校准的一种绝对校准方法。该法需用三个换能器，其中至少有一个互易换能器(H)，另二个是发射器(F)和水昕器(J)，这二个换能器只要求满足线性条件。在自由场远场中按图1所示组合，作三次测量，分别测量每换能器对输入发射器的电流之和、水听器的

11、开路电压U，或其电转移阻扰ZFJ就能获得水昕器和互易换能器的自由场灵敏度及互易换能器和发射器的发送电流响应。F 的lUI.J (1) H F JFG二F工三-dIId二J，问因1在第一组测量中，发射器(F)在离其声中心校准距离dFJ处的水昕器。)声中心处的自由场远场声压Pa.FJ略去时间因子e川后为zp -h豆.旷(dO-dJ)=豆豆旷(do-dFJ)d.J-j - dFJ- - ., - dJJ . ( 15 ) 式中.户。离发射器(F)声中心参考距离d处的声压，Pa;d, 参考距离(=lm)，m，忖一-输入发射器(F)的电流，A;SIF一发射器(F)的发送电流响应，Pa.m/A，k 复角波

12、数，m-1c 则其电转移阻扰2F!为M fJSJF ZFj = uFdiF = UFdpd,FJ 户d，FdiF= .一一.e庐(da-dFJ).( 16 ) F! 式中:U o1 -水听器(J)的开路电压，V;MfJ 水昕器。)的自由场灵敏度，V/Pa o 同样对第二组测量，发射器(F)发送，豆易换能器(H)接收时的电转移阻抗2FH为zZFH = UFH/i F二(MfHSIF/d阳) eik(do-JfH ( 17 ) 式中UFH互易换能器(H)的开路电压，V;人输入发射器(F)的电流，A;Mfl一一互易换能器(H)的自由场灵敏度，V/Pa，dfH-一发射器(F)和豆易换能器(H)的声中心

13、之间的距离，mo对第兰组测量，互易换能器(H)发送水昕器。)接收时的电转移阻抗2H!为:ZHJ = uHdiH二(M!jSIH/dlU) ei的dO-d町. ( 18 ) 式中:UHJ 互易换能器(H)发送时水昕器(J)的开路电压.V，IH 输入互易换能器(H)的电流tA;GB/T 3223-94 SIH-豆易换能器(H)的发送电流响应，Pa m/A; dlU 互易换能器(H)和水听器。)的声中心之间的距离，m。由式(16)和式(17)可得z( 19 ) ZF,/ZFH = (MdFH/ M (H dF1) e川(dFJ-dFHJ( 20 ) 由式(18)和式(13)可得gZHJ =叫M山).

14、 (字).川dHJ由式(19)、(20)就可获得水昕器。)和互易换能器(H)的自由场灵敏度2( 21 ) 川=1年1旦.生二生1.JL-e血(d川MdMFlt, ZFH dFH pf - - J ( 22 ) u _1主E旦二三旦生二生1主。儿(d.四十d.，-J.，)吾1it叫H- -ZF1孟pFO山 1 及发射器(F)和互易换能器(H)的发送电流响应z. ( 23 ) SlF = IZF主旦.生己生!:! P! Cj.+(d川阳dHJ)fJH ZHJ dHJ 2 -J ( 21 ) SH = 陆主!， (a +aDI, da，及内则上述条件不满足而引起的校准误差将不大于0.2dBo 4.

15、3. 5 换能器指定方向的选定( 38 ) 换能器的指定方向可以任意选择，但为了减少由换能器指向性引起的测试误差，其指定方向应选在灵敏度(或响应)随方向变化较小的区域中的某一方向。因此应先测定换能器的指向性，以便正确选定方向。换能器的指定方向一经选定，在每次校准中，均须对准此指定方向。4. 3. 6 换能器输出端的选定换能器的输出端，白般选在连接换能器的固定电缆的末端，也可选在换能器头处或外加延伸电缆的末端。f旦经选定，在整个校准过程中所有的电测量都必须在此输出端进行测量，校准所得到的灵敏度或响应fll也是此输出端的值。若需变更输出端，则应用插入电压法或阻抗法(见附录B)测定此两输出端间的精合

16、损失后，求得新输出端的灵敏度或响应值。若在校/l或测试中需用外加延伸电缆时，其换能器的电缆总长度应小于最高校准频率的电磁波波伏的十分之。4. 3. 7 换能器线性范围的验证换能器的线性范围是其输入与输出之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之声压如与其输出开路电压U之比。检验线性范围的方法是测定按图4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。确定线性范围的判据为:在测量范围内，电转移阻抗模IZJI的变化当频率低于100 kHz时应不大于0.2dB，频率高于100kHz时应不大于0.5d

17、Bo若满足此条件，则认为此两换能器(F.J)在此范围内都是线性的，莫非线性误差将不大于0.2dB或0.5dB。GB/T 3223-94 F d P毛罔4若电转移阻扰模IZFJI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)还是水昕器(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昕器时的线性范围。4. 3. 8 豆易换能器互易性的验证互易换能器互易性的检验就是看在其线性范围内是否遵守电声互易原理。测试方法是由定按图5排列的换能器对(F-H)的转移电阻抗ZFH和ZHF的模和幅角相等的范围。对量值校准，互易性的判据为:此两值之差当频率低于

18、100kHz时愤不女于土0.5dB;当频率高于100kHz时应不大于士.0 dB。若此要求满足.则此两换能器(F，H)均为互易换凶器，若不成立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。H ， 图5注:在检验互易换能器的豆易性时，一般不能用在结构上完全一样的两个换能器来检验，以避免由于可能出现此两换能器的线性或非线性相同而无法由IZHIIZ盯|来判断是否互易。4.4 I.M最按4.1条的校准公式(26)、(27)、(29)，需要测量的量为:频率j，;J,d 一21/c . ( A5 ) 式中:l一一沿声波传播方向上水听器的尺寸，m，c 声波在水声中传播的速度，

19、m/s(IA4 为了使脉冲声技术测试相当于连续信号测试，脉冲宽度应足够大，使换能器达稳态条件，特别是当换能器共振时，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F理论值的0.4dB，则脉冲宽度r(s)应满足下列条件gr Q/f, ( A6 ) 式中:Q换能器的品质因数;f , 换能器的共振频率，HzoA5 为了使水池引起的混响不影响测试结果，则要求当接收到下个直达声脉冲前所有的反射声用衰减到直达声的40dB以下，即对测试的影响不大于0.1dB，则脉冲的重复周期T应满足F列条件zTfT60 .( A7 l 式中:T水池的混晌时间，s0 A6 为了保证脉冲声信号在测试过程

20、中不发生畸变，则测试设备(如放大器、滤波器等)、换能器等的带宽t.f(Hzl应满足下列条件:式中:r 脉冲宽度，S。t.f 2/r 附录B水听器电压辑合损失的测定(补充件)( A8 l 测定水昕器电压稿合损失的方法布:二种g一是用插入电压法直接测定，另一种是测量水昕器的等效串联阻抗与电负载阻扰后进行计算得到的测量限抗法。1 插入电压法图Bl为用插入电压法测量水昕器电压桐合损失的装置。通过接于水听器低电位端的插入电阻r号|入一已知的插入电压队，以置换水昕器接收声信号时产生的开路电压Uo，此法的测试原理可用图出的等效电路来说明。图中Z。为水昕器的等效串联阻抗，此阻抗不仅与水昕器本身有关，还与它所处

21、的声场条件等有关。ZL为与水昕器连接的电负载(如电缆或前置放大器的电阻抗，UL为水听器连接电负载后在电负栽上产生的电压，贝以分贝计的水昕器的电压桐合损失t.U为w = 201g (UL/Uo) = 201g (U,./U,) . . .( Bl ) GB/T 3223-94 图Bl测试时，要求插入电阻r远小于总阪抗(ZO+ZL)，且尽量的小，一般为11000之间，以使此电阻r的捕入不影响水昕器的桐合损失及减小噪声拾青的影响。B2 测监阻抗法根据图B2所示的等效电路，若测得水听器的等效串联阻抗Zo及与其连接的电负载阻抗Zu同样可以得到水昕器的电压藕合损失，有g.U = 201g(UL/Uo) =

22、 201gZL/(Zo + ZL) .( B2 ) 水负斤棉r- L_臼_J图82Z, U, 测量水听器的等效串联阻扰Zo时应置于自由场中，电阻抗ZO，Z，均为复数值，难以精确测量，计算亦比较复杂，般不太使用。但当电负载仅为电缆时及在低频下，有Zo=l/wCo，ZL=1/wC,. .Co近似为水昕器的电容，CL为电缆的电容，这样式(B2)就成:.U = 201gCJl/(CL + Co)J .( B3 ) 这方法常被用来计算水昕器低频时的电乐章离合损失及加接延伸电缆后灵敏度的降低。GB/T 322394 附录C用标准衰减器测量电转移阻扰模(参考件)用标准衰减器测量电转移阻扰模的装置如图Cl所示

23、:F 因Cl测量时使输入发射器的电流1.通过标准电阻器R所产生的电压E儿，经过标准衰减器衰减分贝后与水听器的开路电压U，比较并使之相等。此时有亦即=FJ =201g(UF/U,) = 201g(R h/U,) =201g(R/ IZF 1) ( Cl ) 201g I ZFJ I = 201gR一FJ. . . . . . ( C2 ) 以此方法测量电转移阻抗模IZF，I.其测量准确度只取于标准衰减器的准确度，其他测试仪表只要求在一次测量过程中保持不变，不必要求有较高的准确度。此方法对用脉冲声技术测量更有价值。若标准衰减器的准确度优于士0.2dB.电阻的准确度优于士Q.ldB.则电转移阻抗模的

24、测量误差将不大于士Q.22 dB. 注使用标准衰减器时.应注意阻抗匹配。因6所示为电阻R远小于标准衰减器特性阻抗的情况。由式(C2)则校准公式(28)可写成z式中MJ zt归FH-GFJ一同+J. + C) ( C3 ) C = 201gd + 201g且-6.0 . ( C1 ) J.=201g(2/)=6.。一201gp-201gf 可在附录E的表El中查到。着采用声脉冲技术校准时，只要在上图装置中于信号发生器与功率放大器之间插入脉冲调制器即可，这时通过示波器来比较两信号使之相等。GB/T 3223-94 附录D用数字程控方式测量电转移阻抗(参考件)闸敬字樱控方式J!rJfft电转移阳抗的

25、装胃如图D1所示zIEEE 488 c h2 -触童F 接口锋线数字情号果集黯凶)1图中的数字信号采集器可以是数字信号波形分析器，也可以是仅作A/D变换的数字存储示波器和瞬态波形记录器，它们的A/D变换分辨率应不低于8bito E1 互易常数表附录E互易常数表和灵敏度(或响应)与其级的换算表(参考件自由场球面波li易常数.T，为/ J,= p!叫此互易常数的是值当不计衰减时为2IJ.I =去、当用分贝数表示时有:J旦=201g(2/ pf) = 6.。一201gp- 201gf . . . ( El ) .( E2 ) . ( E3 ) G/T 3223-94 若取p=10 kg/m，则上式成

26、为J. = - 54. 0 - 201gf ( E4 ) 式中频率f的计量单位为赫(Hz)。为了便于使用，将此式制成计算表列于表E1中。频率每增加10倍，互易常数值应减小20dB。例如当f=63Hz时，儿=-90.0dB，当f=630Hz时，因J.= -90. 0 20.0= -110.0 dB，当f=63kHz时，则J.=-90.0-60.0=-150.0 dBo 表E1互易常数表J.dB j ,Hz 。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 一74.074.8 -75.6 一76.3一76.977. 5 78. 1 78.6 79.1 1 9. fj 20 80.0 -80.4 80.9

27、 -81.2 -81.6 82.0 82.3 82.6 -82.9 83.3 30 -83.5 83.8 -84.1 84.4 -84.6 84.9 一85.1 85.4 甲85.6-85.8 40 86.0 86.3 86.5 86.7 一86.9一87.187.3 87.4 87.6 -87.8 50 88.0 88.1 88.3 88.5 一88.7一88.889.0 一89.1 89.3 -89.4 60 -89.6 -89.7 -89.9 -90.0 -90.1 90.3 90.4 90.5 -90.7 90.8 70 -90.9 -91.1 -91, 2 -91.3 -91.4 9

28、1.5 -91.6 91.7 -91.8 92.0 80 92.1 92.2 -92.3 92. .4 -92.5 -92.6 92.7 92.8 92.9 -93.0 90 -93.1 93.2 93.3 -93.4 !:._93.5 93.6 93.7 93.7 -93.8 -93.9 E2 灵敏度(或响应)与其级的换算寝表E2为水昕器的自由场灵敏度级与自由场灵敏度，或发射器的发送电流(或电压)响应级与发送电流(或电压)响应的换算表。表中数值的单位，对于自由场灵敏度M为做伏每帕(V/Pa) ，对于发送电流响应SI为帕米每安(Pa m/ A)，对于发送电压响应Sv为帕米每伏(Pam/V)。当

29、灵敏度(或响应)级每增加20dB，其相应的灵敏度(或响应)则增加10倍。例如自由场灵敏度级M=-211. 3 dB，则M=27.2V/Pa，若M=-191.3 dB(增加20dBl，则M=272V/Pa(增加10倍)。同样，发送电流响应缀SI=148.7 dB，则SI=27.2Pa m/A，若SI=168.7 dB(增加20dB)，贝，IJSj-272 Pa m/A(增加10倍)。表E2灵敏度(或响应)级与灵敏度(或响应)的换算表M,dB 。O. 1 。.2。.30.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 -200 100.0 98.9 97.7 96.6 95.5 94. .1

30、93.3 92.3 91.2 90.2 89.1 159 201 89.1 88. 1 87.1 86.1 85. 1 84. 1 83.2 82. 2 81.3 80.4 79.4 158 202 79.4 78.5 17.6 76.7 75.9 75.0 74.1 73.3 72. 4 7. 6 70.8 157 203 70.8 70.0 69.2 68.4 67.6 66.8 66.1 65.3 64.6 63.8 63. 1 156 204 63. 1 62.4 61.7 61.0 60.3 59.6 58. 9 58.2 57. 6 56.9 56.2 155 205 56.2 5

31、5.6 55.0 54.3 53.7 53.1 52.5 51.9 51.3 50.7 50. 154 206 50. 1 49.6 49.0 48.4 47.9 47.3 16.8 46.2 45. 7 45.2 44.7 153 207 44.7 44.2 43. 7 43.2 42.7 .12.2 41. 7 41.2 40.7 40. 3 39.8 152 208 39.8 39.4 38.9 38.5 38.0 37.6 37.2 36.7 36.3 35. 9 35.5 151 GB/T 3223-94 续表E2M ,dB 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 。.6。.

32、70.8 0.9 209 35.5 35.1 34.7 34.3 33.9 33.5 33.1 32.7 32.4 32.0 210 31.6 31.3 30.9 30.6 30.2 29.9 29.5 29.2 28.8 28.5 .211 28.2 27.9 27.6 27. 2 26.9 26.6 26.3 26.0 25.7 25.4 212 25.1 24.8 24.5 24.3 24.0 23.7 23.4 23.2 22.9 22.6 -213 22.4 22. 1 21.9 21.6 21.4 21. 1 20.9 20.7 20.4 20.2 一21420.0 19.7 19

33、.5 19.3 19. 1 18.8 18.6 18.4 18.2 18.0 -215 17.8 17.6 17.4 17.2 17.0 16.8 16.6 16.4 16.2 16.0 216 15.9 15.7 15.5 15.3 15.1 14.9 14.8 14.6 14.5 14.3 217 14. 1 14.0 13.8 13.7 13.5 13.3 13.2 13.0 12.9 12.7 218 12.6 12.5 12.3 12.2 12.0 n. 9 11.7 n. 6 11. 5 11.4 -219 11.2 11. 1 11.0 10.8 10.7 10.6 10.5 1

34、0.4 10.2 10. 1 1.0 0.9 0.8 0.7 。.60.5 0.4 0.3 0.2 0.1 注z灵敏度(或响应)级的基准值分别，M.1 V /pPa;品.1Pa.m/A, SVr=lPa m/V。附加说明:本标准由全国声学标准化技术委员会提出。本标准由中国科学院声学研究所、中国船舶工业总公司715所、721厂负责起草。本标准主要起草人徐唯义、薛耀泉、聂龙寿。本标准1982年10月12日首次发布，1994年12月27日修汀。1.0 31.6 150 28.2 149 25.1 148 22.4 147 20.0 146 7. 8 145 15.9 144 14.1 143 12.6 142 11.2 141 10.0 140 0.0 S.dB