GB T 4130-2000 声学 水听器低频校准方法.pdf

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1、ICS 17.140.01 N 65 岳2- I . 11: ./、龟GB/T 4130 2000 Acoustics Low frequency calibration methods of hydrophones 2000-03-16发布2000-12-01实施国家质技术监督局发布一GB/T 4130-2000 目次可前言. . . . . . . . . . . . . . . I 1 范围. . . . . . . . . . . . . . 1 2 引用标准. . . . . . . . . ., . 1 3 精合腔互易法. . . . . . . . . . . . . .,. .

2、 . . .,. . ., . ., . . ., . 1 4 压电补偿法. . . . . . . . . . . . .,. . . .,. . . . . . ., . . 4 5 振动液柱法. . . . . . . . . . . . . ., . 6 6 密闭腔比较法. . . . . . . . .,. . . . . . . . ., . ., . . 9 附录A(标准的附录水听器电压搞合损失的测定. . . . .,. 11 附录B(提示的附录不同温度和不同静水压下几种液体的密度和声速值. . . . . .,. 12 附录C(提示的附录)用标准体积块测量互易常数. . .

3、. . . . UO 13 附录(提示的附录)销合腔互易法校准结果不确定度分析. . . . . . . . . 13 一二一一-GB/T 4130一2000前本标准根据我国水声计量测试发展的现状对GB4130一1984进行了修订，修订的主要内容有g1)目前我国主要水声单位的振动液柱校准装置中都引入了计算机，在程控测量的同时，可以方便地运用高频修正因子对校准结果修正，校准精度有了明显的提高，所以修订时把原来的二级校准定为一级校准，和IEC565A(1980)g时，贝IJ式(10)成为z户=phxw = p :rh 式中gk容器底部的振动加速度tm/s20若容器底部的振动加速度用加速度计来测量，

4、则由式(11)可得水听器的声压灵敏度为z111 Uj U M, 川1= piiU. 在高频时，液柱中的声压为2户=州(糕仨)则式(2)应为2M , =丛旦!kh旦兰fJ - ph U. sinkh J 式中:MJ一一水听器的声压灵敏度，V/Pa, U1一一水听器输出端的开路电压，V;p一一液体的密度，kg/m, h一水听器声中心至液面的深度，m;M.一一加速度计的灵敏度，V.s2/m;U.一-加速度计输出端的开路电压，V，. ( 10 ) .( 11 ) . ( 12 ) ( 13 ) . ( 14 ) 7 h一一波数(=(I)/C.=2f).m-1，f一一液体振动的频率，Hz;c一一液柱中的

5、声速.m/s，L一一液柱的高度.m。GBjT 4130-2000 注g若振动液柱法校准用于工操作，图6中的电子开关可用手控开关代替，计算机及外设等可以不用.5.2 振动液柱容器的设计要求液柱容器的底和壁应是刚性的，要求容器的最低共振频率高于液柱的最低共振频率g校准频率低于液柱的最低共振频率。容器设计时应考虑使液柱中同一深度处的声压相同，故液柱的高度应大于它的直径。为防止液体动力流通过水听器时产生影响，液柱的直径应比水听器的直径大得多。设计中还应考虑到水听器的悬挂问题，以避免振动源对水听器的影响。5.3测量5. 3. 1 灵敏度测量测量时校准容器中的液柱高度L小子校准频率所对应波长的四分之一，水

6、听器声中心的入水深度h通常在液柱高度的二分之一到三分之二之间。电子开关选择来自前置放大器的水听器信号矶和来自电荷放大器的加速度信号U.同时测出相应的已知常数，按式(12)或式(14)算出灵敏度值。一般情况下，水听器声中心的位置是已知的。如果不知道，则可用以下方法消除水听器声中心位置对测量的影响，即先在水听器上设一参考点，在保持振动台驱动加速度不变的情况下，测量在液柱中二个不同深度h，和h，处水听器输出端的开路电压的差值t:J.UJ和深度差t:J.h的比值，根据式(14)可得水听器的声压灵敏度g111 UI，Ma 叫=F三五瓦( 15 ) 测量电压町.U.电压表允许极限误差不大于1%.前置放大器

7、和电荷放大器的输入阻抗分别应大于水听器和加速度计的电阻扰的100倍，则由此产生的电压祸合损失将不大于1%.测量中应保持信噪比大于20dB.测量深度的允许极差不大于1%0加速度计的允许极限误差不大于0.3dB。液体密度测量的允许极限误差不大于0.5%05.3.2 测量要求a)校准容器安装在振动台台面上，用水平尺校准，保证容器安装水平$容器中的液体应经除气处理，并保证容器壁不附着气泡。b)加速度计应刚性地固定于容器底部，振动台的横向振动与纵向振动之比不得大于3%0。水听器垂直悬挂于容器中液柱的中心轴线上，水听器声中心的入水深度不宜太浅，以满足信噪比大于20dBo但也不宜靠近容器底部，水听器声中心的

8、入水深度通常在液柱长度的二分之一到三分之二之间。5.4 频率限制与校准不确定度5.4. 1 频率限制液柱高度应不大于四分之一波长的规定，给出了此校准方法的高频限制。为了忽略静态落差，要满足h(l)g.此条件构成了低频限制，如当h=10cm时，为了使忽略落差压强引进的误差不大于3%.贝a校准频率应高于10Hzo 5.4.2 校准不确定度本方法若按4.3条的要求进行测量，则B类不确定度将不大于3.6%(K=幻，若在测量中将A类不确定度控制在2.0%以内，则在10Hz-斗kHz的频率范围内，扩展不确定度将不大于0.5dB(K= 2)。B GB/T 4130-2000 , 密闭腔比较法6 P喃6. 1

9、 原理6. 1. 1 同时比较法在一个充满液体的刚性密闭腔内，由发射器在腔内建立一声场，如图7所示。将待校水听器和标准水听器同时放入腔内声压相同的区域中，测出水听器输出端的开路电压，则待校水听器的声压灵敏度为2( 16 ) Mx=MSEE v , U, 式中:Mx一一待校水听器的声压灵敏度.V /Pa I Ms一一标准水听器的声压灵敏度.V /Pa I Ux一一待校水听器输出端的开路电压V I U，一一标准水听器输出端的开路电压.V.Ux 标准水昕器发射器同时比较法示意图图76.1.2置换比较法在一个充满液体的刚性密闭腔内，由发射器在腔内建立一声场，如图8所示.先将待校水听器放入腔内，测出待校

10、水听器输出端的开路电压Ux然后将标准水听器置换待校水听器，在密闭腔内声压不变的条件下，测出标准水听器输出端的开路电压，则得待校水听器的声压灵敏度，其计算公式同式(16).Ux.Us 器器听听盘或水校准待标置换比较法示意图图BF 发射器6. 1. 3 活塞发声器法在一个充满液体的刚性密闭腔内，由一个空气活塞产生交变压力，在次声频范围内使液腔中建立均匀的交变压力场，如图9所示。将待校水听器和标准水听器同时密封在腔内的液体中，在活塞运动时分别测出待校水听器的开路电压Ux和标准水听器的开路电压叭，代入式(6)可以得到待校水听器的声压灵敏度。9 - =一一一GB!T 4130-2000 空气标准水听器待

11、校革昕器J!( 活塞发声器示意图U, 图9Ux 古6.2 密闭腔的设计要求用于比较校准的密闭腔，一般为具有轴对称的圆筒状金属容器.它的壁应有一定的厚度，以保证有足够的刚性，腔内无释压材料。用于置换法的腔体，腔内尺寸应不大于十分之-波长，则腔内声压不均匀性将不大于0.3dB.标准水听器和待校水听器的大小，应保证将其分别放入腔内时，所引起腔内液体体积的改变不大于6%.则在发射器激励状态保持不变时，腔内声压的变化将不大于0.5dB。用于活塞发声器法的腔体除腔内尺寸不大于十分之一波t主要求外，并要求活塞在往复运动时气缸不漏气.6.3测量典型的程控测量框图如图10所示。采用同时比较法时，图中水听器A和水

12、昕器B分别表示待校水听器和标准水听器g采用置换比较法时，水听器A既表示待校水听器又表示标准水听器，而水听器B则表示用于监控腔中声压不变的监测水听器。采用活塞发声器时，声源为活塞(见图9)。当待校水听器和标准水听器都带有前置放大器时，装置中的前置放大器被省略，注，若振动液柱法校准用手工操作，图10中的电子开关可用手控开关代替，计算机及外设等可以不用.I ttn1Hf1l1: I tJVHVUIY仨MJ于功率放大器阻抗匹配器声摞水听器A比较法校准原理框图密闭在腔图10水昕器B10 GB/T 4130-2000 附录A(标准的附录)水听器电压稠合损失的测定测定水听器电压铜合损失的方法有二g一是插入电

13、压法直接测定，另一是测量水听器的等效串联阻抗与电负载阻抗后进行计算的测量阻抗法。A1 插入电压法图A1为用插入电压法测量水听器电压桐合损失的装置框图。通过接于水听器低端的插入电阻器、引入一己知的插入电压U霄，以置换水听器接收声信号时产生的开路电压队，此法的测试原理可用图A2的等效线路来说明。图中Z。为水听器的等效串联阻扰，此阻抗不仅与水听器本身有关，还与它所处的声场条件等有关oZL为与水听器连接的电负载(如电缆或前置放大器的电阻抗，认为水听器连接电负载后在电负载上产生的电压降，则以分贝计的水听器的电压搞合损失NJ为g町=20咕=附在. ( A1 ) 测试时，要求插入电阻器的电阻值r远小于总阻抗

14、(ZO+ZL).且尽量的小，一般为1-100!l之间，以使此电阻器的插入不影响水听器的祸合损失及减小噪声拾音的影响。U , UL 前测水电置量指昕负或放放刀之器载大大器r 器器U冒r r 信号源精密电医表图A1A2 测量阻抗法根据图A2所示的等效电路，若测得水听器的等效串联阻扰Zo及与其连接的电负载阻抗ZI.，同样可以得到水昕器的电压稿合损失，有2lU = 201J1 I旦1= 201J1! ZL 1 。UO/ V Zo + ZL/ .( A2 ) 测量水听器的等效串联阻抗Zo时应置于实际测试环境中，电阻抗ZO，ZL均为复数值，难以精确测量，计算亦比较复杂，一般不太使用.但当电负载仅为电缆时及

15、在低频下，有Z卢1/陆.Z严1/吨.C。近似为水听器的电容，CL为电缆的电容，这样式(A2)就变成zlU = 20，1. C, . l v. L.科学出版社.1983年. 附录C(提示的附录)用标准体积块测量互易常数桐合腔的互易常数可以用标准体积块通过二次校准来求出.第一次互易校准时搞合腔的体积是未知体积V，校准后根据式(Cl)可以得到水昕器灵敏度为2rU. .UH1l 式中gUI=luZX77J问=22号:寸. ( Cl ) 用压缩系数可以忽略不计的材料做成标准体积V。在第二次互易校准时，把标准体积Vo放入桐合腔中，在同等环境条件下校准，校准后根据式(Cl)可以得到水听器灵敏度为2rUFT.

16、 _UHT1 式中EU=L阮t;俨7苛7f7使式(C口1)等于式(C2)得z或问=522;71JF仁川JtU, _ U, rl U，r寸J=J=|寸(V一Vo)1= iTl J一一一VoI U1 . U1L严JU1L pcJ J Uz，Vo =-一-一一-，.X一(U, -U1) pc v=甘平主-;TC;VO附录D(提示的附录)捐合腔互易法校;住结果不确定度分析. ( C2 ) .( C3 ) .( C4 ) 销合腔互易校准结果的不确定度反映了对被校量值的认识不足。对已认识的系统影响进行修E后的校准结果仍然是被校量值的估计值，因为还存在着由随机影响引起的不确定度和由于对系统影响修正不完全而引

17、入的不确定度.由随机影响引起的不确定度分量称为A类标准不确定度分量(简称A类分量)，由系统影响修正不完全而引入的不确定度分量称为B类标准不确定度分量(简称B类分量)。13 GB/T 4130-20 D1 A类标准不确定度分量A类标准不确定度分量用统计分析方法评定，用标准偏差表示，若水昕器灵敏度校准结果用单次校准值表示时.A类分量用校准装置的实验标准偏差5，来表示，它的估算式是gUA = 81 = 立(M，及归. . ( Dl ) n - 1 若用n次独立校准的算术平均值表示时.A类分量用平均值的实验标准偏差来表示，它的估算式为2UA = 5, = 5,/ .r 式中:Mai一一-次独立校准的水

18、听器灵敏度V /Pa I M.-多次独立校准的水听器灵敏度算术平均值.V泞的n一一独立校准次数. ( D2 ) 由此可见，有限次校准的算术平均值的实验标准偏差与.r成反比。校准次数增加，算术平均值的分散性减小，但当n20时.5，减小的速度减慢，校准次数的增加意味着校准时间和成本的增长，因此一般情况下n取4-20次之间，本标准推荐n=6oD2 BP , 祸合腔互易法校准中A类不确定度可以控制在1.5%以内，即向=1.5% 0 B类标准不确定度分量在稿合腔互易法校准中B类标准不确定度分量主要包含以下几个方面的影响量2a)搁合腔内声场的不均匀UB1= 1. 8%(K=2) 、b)互易换能器互易性不理

19、想、UB,=0.5%K=2) 。由灵敏度计算公式引入各量的相对误差UB3=0.8%(K=2) 1 r/八UFd, /LlUHI , (LlUFH , /AUR , /LlR2 , I LlJVl: 万=言II了j+忖HJJ十陆十1万R)十-i j + J j J .( D3 ) 完成一次校准有四次电压测量，可以用一只数字电压表在等精度范围中测量，因此有zLlU Fl LlU FH LlU町W._俑, 万Z=万;J2万EZ万=IJ.o约采祥电阻的相对不确定度为譬=0.5%互易参数是一个合成量，它的相对误差表达式为2频率测量的相对误差g蒸馆水密度的相对误差g腔体积测量相对误差2字=(字)+ (字)

20、+ (苦)+ (学门去M 7=0.1% 节=0.5%LlV _ _ i-=0.5% 腔中蒸馆水声速测量相对误差3守=1.5% 因此2字=3.1% 14 .( D4 ) .( D5 ) 一一一一一_JGB!T 4130-2000 AM IZ=1.6%z即UB=O.8% (K=2) 合成标准不确定度g. . . . ( D6 ) (K = 2) uc=ui+41+uiz+uiJt E2.5%20.22dB 扩展不确定度gU = 2uc = 5.0%兰0.5dB(K = 2) J ;Il-JJ4T(li-t1J1jiL中华人民共和国国家标准声学GB/T 4130-2000 中国标准出版社出版北京复兴门外三里河北街16号邮政编码，100045电话，68522112中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷新华书店北京发行所发行各地新华书店经售版权专有不得翻印 开本880X1230 1/16 印张1)4字数31干字2000年8月第一版2000年8月第次印刷印数1-1000 书号，155066 1-16865 标目417-11