JJG 1056-2010 高静水压下20Hz～3.15kHz标准水听器(耦合腔互易法)检定规程.pdf

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1、万雪a中华人民共和国国家计量检定规程JJG 1056-2010高静水压下20 HZ315 kHz标准水听器(耦合腔互易法)Standard Hydrophones in the Frequency Range 20 Hz to 315 kHzunder High Hydrostatic Pressure(Acoustic Coupler Reciprocity Method)20100302发布 20100602实施国家质量监督检验检疫总局发布高静水压下20 Hz-315 kHz标准水听器(耦合腔互易法)检定规程Verification Regulation of StandardHydrop

2、hones in the Frequency Range20 Hz to 315 kHz under High HydrostaticPressure(Acoustic Coupler Reciprocity Method)，、tt，tt、，t； JJG 1056-2010 ；：。、。)，。、 、 本规程经国家质量监督检验检疫总局于2010年3月2日批准，并自2010年6月2日起施行。归口单位：全国声学计量技术委员会起草单位：中国船舶重工集团公司第七一五研究所本规程委托全国声学计量技术委员会负责解释本规程起草人：赵 涵(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)费 腾(中国船舶重工集团公司第七一五研

3、究所)陆渭林(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)目 录1范围(1)2引用文献(1)3术语和计量单位(1)4概述(2)5计量性能要求(2)51工作正常性(2)52声压灵敏度级(2)6通用技术要求(2)61通用要求(2)62材料和结构(2)63标志和出厂资料(3)7计量器具控制(3)71检定条件。(3)72检定项目(5)73检定方法一(5)74检定结果的处理(9)75检定周期(9)附录A检定证书和检定结果通知书的内页格式(10)附录B测量不确定度评定实例(12)高静水压下20 Hz315 kHz标准水听器(耦合腔互易法)检定规程本规程参考采用国际电工委员会IEC 60565 Ed2：2006水声

4、水听器001 Hz1 MHz频率范围的校准中的耦合腔互易法校准。1 范围本规程适用于静水压01 MPa10 MPa、频率20 Hz315 kHz范围内使用的耐高静水压标准水听器(以下简称标准水听器)的首次检定、后续检定和使用中的检验。2引用文献本规程引用下列文献：GBT 31027 1993声学的量和单位GBT 3947 1996声学名词术语GBT 4128 1995声学标准水听器GJB 1726 1993 高静压下低频一级标准水听器检定规程JJF 10011998通用计量术语及定义JJF 1034 2005声学计量名词术语及定义JJF 10591999测量不确定度评定与表示IEC 60565

5、 Ed2：2006 Underwater acoustics Hydrophones Calibration in thefrequency range 001 Hz tO 1 MHz(水声 水听器001 Hz1 MHz频率范围的校准)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31水听器开路电压opencircuit voltage at hydrophone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。32水听器声压灵敏度pressure sensitivity of a hydrophone水听器的输出电压与作用在水听器接收面上的实际声压的比值。

6、符号：MD。单位：伏每帕，VPa。33声压灵敏度级pressure sensitivity level水听器声压灵敏度尬的平方与参考声压灵敏度M，。r的平方之比的以10为底对数乘以10。符号：M。1单位：分贝，dB。注：1通常M“一1 VpPa。2在远离标准水听器谐振频率的低频，声压灵敏度级近似等于其自由场电压灵敏度级。34 声耦合腔 acousticcoupler能够插入换能器和水听器的密闭、充液、刚性、小尺寸的腔体。4概述标准水听器用于检定测量水听器并测量水中声压。标准水听器由压电或其他换能材料的敏感元件及相应结构、前置放大器等组成，在声波作用下能产生与作用声压值成正比的开路电压值。5计量

7、性能要求51工作正常性511 对不带前置放大器的标准水听器，在电缆端测得的绝缘电阻应大于100 Mfl(测试电压100 V)，测得的电容值与使用说明书中提供的数值相差不应超过20。512对带前置放大器的标准水听器，当振动信号作用到水听器敏感元件时，电缆端应有相应的电压输出。52声压灵敏度级在参考频率I kHz时，标准水听器的声压灵敏度级应不低于2100 dB，与标称值的最大允许误差不应超过20 dB。(参考值：1 VuPa)。521 声压灵敏度级随频率变化的响应起伏在给定静水压下，标准水听器检定频率范围内的声压灵敏度级起伏(最大值和最小值之差)不应超过40 dB。注：检定频率一般按13倍频程选

8、取。522声压灵敏度级随静水压力变化的响应起伏在给定频率下，标准水听器检定静水压范围内的声压灵敏度级起伏(最大值和最小值之差)不应超过40 dB。6通用技术要求61通用要求611标准水听器的特性和构造应适合于在液体媒质温度530、静水压力01 MPa 10 MPa的环境条件下进行测量。612标准水听器的表面应是光滑的、非多孔性的和能被水浸润的。613标准水昕器应具有足够的声刚性(即具有很高的声阻抗)。62材料和结构621标准水昕器暴露于水中的所有部件均应采用耐腐蚀的材料制作，其材料和结构9应保证具有长期的使用稳定性。622高阻抗的敏感元件应有静电屏蔽，静电屏蔽应与电缆的屏蔽连接，并与暴露于水中

9、的金属外壳绝缘；带前置放大器的标准水听器暴露于水中的金属外壳应与电缆的屏蔽连接。63标志和出厂资料631 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)型号和序列号。632每只标准水听器应附有单独的出厂资料。出厂资料应包括标准水听器最大耐静水压值、声压灵敏度级频率响应以及信号线、地线和屏蔽线的说明。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。633非供操作者使用的部件，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准确度。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。71检定条件711环境条件室温：1030；耦合腔内液体媒质温度：530；

10、相对湿度：3090；静水压力：01 MPa10 MPa。71_2计量标准器及主要配套设备7121计量标准器在本规程规定的工作频率内，计量标准器的功能、性能要求如下：1)信号发生器：应具有频率、幅度都可以独立调节的正弦信号输出通道；频率示值误差不应超过05；最大输出电压不低于10 V峰值，电压示值误差不应超过1；2)电流取样器：电流取样值的最大允许误差不应超过2Voo；3)前置放大器：输入阻抗应大于标准水听器电阻抗的100倍，增益误差不应超过01 dB；4)滤波器：带通滤波，带外衰减斜度不应小于48 dBoct；5)数字电压表：交流电压测量最大允许误差不应超过01；6)测量放大器：放大倍数不低于

11、40 dB，放大倍数的非线性不应超过01 dB。7)量筒：容积500 mL，容积测量最大允许误差不应超过满量程的1。7122主要配套设备在本规程规定的工作频率内，主要配套设备的功能、性能要求如下：31)辅助换能器：包括发射换能器和互易换能器，辅助换能器应耐lO MPa静水压、具有声刚性、压力稳定性和线性特性，在检定频率范围内，辅助换能器可以在耦合腔内建立信噪比不低于30 dB的声场；在工作的动态范围内，其发射线性误差不应超过01 dB，互易换能器的互易性误差不应超过01 dB。2)功率放大器：输出阻抗与发射换能器阻抗相匹配，输出波形总失真(THD+N)不应超过2；3)电子开关：通道间的串扰应小

12、于一80 dB；4)示波器：垂直偏转系数误差不应超过2，扫描时间系数误差不应超过2，扫描线性误差不应超过2；5)液体加压设备：加压范围01 MPa 10 MPa，压力测量最大允许误差不应超过5；6)兆欧表：测试电压100 V，绝缘电阻测量最大允许误差不应超过10；7)电容表：电容值测量范围不应小于100 pF；电容测量最大允许误差不应超过5；8)温度计：温度测量范围不应小于050，温度测量最大允许误差不应超过1；9)卷尺：长度不小于20 m，长度测量的最大允许误差不应超过1 cm；713耦合腔1)耦合腔腔体的几何形状通常为圆柱形，其示意图如图1所示。腔体的边界具有声刚性，腔体壁厚(f)不应小于

13、内半径(r)，腔体长度(z)和直径(2r)小于腔内液体中被检上限频率对应的声波波长的十分之一。在检定频率范围内，耦合腔中声压随声场位置的变化不应超过03 dB；图1耦合腔示意图F发射换能器；J标准水听器；H互易换能器2)耦合腔应与周围机械设备作隔振处理，耦合腔的结构采取有效的隔振措施，避免发射换能器的振动通过结构直接耦合至互易换能器或标准水昕器；3)腔中充满蒸馏水或其他液体媒质，腔的结构应便于排尽腔内残余空气。72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项 目 首次检定 后续检定 使用中检验外观检查 _- + +绝

14、缘电阻 + + +工作正常性 电容 _- + +信号检验 + J +声压灵敏度级 + + +声压灵敏度级随频率变化的响应起伏 + +声压灵敏度级随静水压力变化的响应起伏 + 一汪：1带前置放大器的标准水听器不检绝缘电阻和电容，不带前置放大器的标准水听器不作信号检验。2“+”表示需检项目，“”表示不需检项目。73检定方法731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、型号和序列号等。外观应完好，无影响正常工作的机械损伤等。出厂资料应符合632的要求。732工作正常性将不带前置放大器的标准水昕器敏感元件部分置于水中，用兆欧表测量标准水昕器电缆末端的绝缘电阻值，用电容表测量标准水听器的电

15、缆末端的电容值，结果应符合511的要求。将标准水听器的电缆末端接到示波器上，用手轻轻敲击标准水听器的敏感元件部分，观察示波器上的电压显示，结果应符合512的要求。733声压灵敏度级7331检定装置耦合腔互易法检定装置组成框图如图2所示。当F发射J接收时，断开H与前置放大器2的连线；当H发射J接收时，断开F与电流取样器的连线，H与电流取样器按图中虚线进行连线，并断开H与前置放大器2的连线；当F发射H接收时，断开J与前置放大器1的连线，H与前置放大器2连接。图2耦合腔互易法检定装置组成框图7332检定步骤1)检定前作如下准备：a)用卷尺测量标准水听器的电缆长度；b)在耦合腔上安装发射换能器和互易换

16、能器，的腔体体积V，和标准水听器的体积Vz，按照公式V=V1 V2用量筒和无水乙醇精确测量耦合腔(1)计算腔体内液体媒质的体积V：c)耦合腔加满蒸馏水或其他液体媒质，浸泡至少l h，换能器与液体媒质充分浸润；(1)使腔内的发射换能器、互易d)使用对橡胶和金属无腐蚀作用的洗涤剂擦洗其表面，在检定所用液体媒质中浸泡1 h后；将标准水听器安装在耦合腔内，其外形尺寸和结构应与腔体上安装孔的尺寸和结构相一致；e)安装完毕后，排除腔体内部的气泡；f)除气完成后，用加压设备加压，使耦合腔内的静水压力达到检定所需的工作压力，并保压l h，使腔体内部达到压力平衡；g)必要时，可对发射换能器和互易换能器进行检查，

17、其结果应符合7122中第1)条的要求。2)按图2所示连接各测量仪器、耦合腔各部分及标准水听器；3)开启所有仪器设备，并预热15 min；4)把功率放大器的放大量调到适宜值；5)在有、无信号发射时，用数字电压表或示波器测量信号与背景干扰的大小，信噪比不应小于30 dB；66)将检定装置的工作频率设置到500 Hz，选择功率放大器的匹配挡，把放大量调到适宜值，标准水听器的输出波形应无明显畸变；7)选择测量的频率和静水压值；8)按图3所示的流程图进行电转移阻抗模值的测量，当程控仪器调至面板控制状态时也可进行人工手动逐点0n,0量；设定工作频率和各种工作参数信号发生器输出电子开关转到电流取样信号电流信

18、号经过测量放大器和滤波器电压表进行采集并输入计算机电子开关转到开路电压取样信号_-_-_t开路电压信号经过H量放大器和滤波辅电压表进行采集并输入计算机计算电转移阻抗模lz结束【璺|3 电转移阻抗模值测量流程图9)按图4所示的电转移阻抗模值测量流程，分别测量FH、HJ、FJ换能器对的激励电流和开路电压，按公式(2)、(3)、(4)计算，可得到三个换能器对的电转移阻抗模值。兰司C坼。圭o仁b)兰司难图4耦合腔互易法检定方法原理图第一步：按图4a)所示，F发射H接收，测量H的开路电压与F的激励电流，FH换能器对的电转移阻抗模按公式(2)计算：旧。f一譬 (2)JJG 1056-2010式中： Z，。

19、，FH换能器对的电转移阻抗模，n；【，FnF与H组合时H的开路电压，V；J，F与H组合时F的激励电流，A。第二步：按图4b)所示，H发射J接收，测量J的开路电压与H的激励电流，HJ换能器对的电转移阻抗模按公式(3)计算：T TZH一tJrHJ (3)It式中： z“lHJ换能器对的电转移阻抗模，n；U“JH与J组合时J的开路电压，V；jnH与J组合时H的激励电流，A。第三步：按图4c)所示，F发射J接收，测量J的开路电压与F的激励电流，FJ换能器对的电转移阻抗模按公式(4)计算。r rZFJ I一 (4)F式中：I Z，【FJ换能器对的电转移阻抗模，n；urjF与J组合时J的开路电压，V；Jr

20、F与J组合时F的激励电流，A。10)将测得的三个电转移阻抗模代入公式(5)计算标准水听器的声压灵敏度级：M一10 lg ZIJ l+lO lgZHJ I一10 lg ZFH j+10 lgo一120 (5)式中：M标准水听器的声压灵敏度级，dB；J。耦合腔互易常数，按公式(6)计算，m3(sPa)。I厂。一C。 (6)式中：“角频率，(O-2，f为频率，Hz；C。耦合腔中液体媒质的声顺，m3Pa。若耦合腔和换能器的声阻抗远大于腔内液体媒质的声阻抗，体媒质的声顺按公式(7)计算。c。一二pc。式中：V液体媒质的体积，m3；JD液体媒质的密度，kgm3；且腔内无释压材料，液(7)c液体媒质的声速，

21、ms。若检定时取kJ 7，时，则公式(5)可转化为公式(8)。M一10 lgUIJ+10 lgU一10 lgUFf 10 lgIH+10 lgo 120 (8)11)记录有关测量数据，并根据公式(5)或公式(8)计算声压灵敏度级，结果应符合52的要求。734声压灵敏度级随频率变化的响应起伏声压灵敏度级随频率变化的响应起伏的检定装置和检定方法与声压灵敏度级相同，改变信号源频率，重复7332的步骤9)和lo)进行测量。8在给定静水压下，声压灵敏度级随频率变化的响应起伏由各检定频率点上的声压灵敏度级构成，计算各频率下声压灵敏度级最大最小值之差，结果应符合521的要求。735声压灵敏度级随静水压力变化

22、的响应起伏声压灵敏度级随静水压力变化的响应起伏的检定装置和检定方法与声压灵敏度级相同，改变静水压值，稳定30 min后，重复7332的步骤9)和10)进行测量。在给定频率下，声压灵敏度级随静水压力变化的响应起伏由各检定静水压力下的声压灵敏度级构成，计算各静水压力下声压灵敏度级最大最小值之差，结果应符合522的要求。74检定结果的处理经检定合格的标准水听器发给检定证书；检定不合格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A中的A1、A2。75检定周期标准水听器的检定周期不应超过1年。JJG 1056-2010附录A检定证书和检定结果通知书的内页格

23、式A1检定证书内页格式检定V结果 共 页 第 页前置放大器供电电压一、外观检查：二、工作正常性绝缘电阻(100 V)电缆长度： mMn电容量：pF信号检验：三、声压灵敏度级：dB(f-1 kHz)四、声压灵敏度级随频率变化的响应起伏(参考值：1 VgPa)静水压力： MPa频率 灵敏度级 频率 灵敏度级Hz dB Hz dB声压灵敏度级随频率变化的响应起伏五、声压灵敏度级随静水压力变化的响应起伏(参考值：1 VgPa)频率：Hz静水压力 灵敏度级 静水压力 灵敏度级MPa dB MPa dB声压灵敏度级随静水压力变化的响应起伏检定环境条件：室 温： 相对湿度： 耦合腔内液体媒质温度 10法易互

24、腔&口耦器听水准标HF压水静高趵：m称酩：装据准依标：定程用明检规使说定检JJG 1056-2010A2检定结果通知书内页格式JJG 10562010附录B测量不确定度评定实例B1引言标准水听器的主要计量性能为声压灵敏度级，以下对其测量结果进行不确定度评定。B2声压灵敏度测量的不确定度评定B21数学模型考虑J。=2nfWpc2，声压灵敏度级可转化为(B1)式：M一10 lgUFJ+10 lgUllJ一10 lgUFH一10 lgI+10 lgf+10 lgV一10 lgp一20 lgc一112(B1)式中：M声压灵敏度级，dB；u。F与J组合时J的开路电压，V；u HH与J组合时J的开路电压，

25、V；U，。F与H组合时H的开路电压，V；，测量频率，Hz；卜一测量UFJ、UwJ、UFH时的激励电流，A；V腔内媒质的体积，m3；P一腔内媒质的密度，妇m3；c腔内媒质的声速，ms。B22灵敏系数由式(B1)可求得声压灵敏度级不确定度的灵敏系数为：删，一揣一害-s e州，一蒜一半s e州，一蔫一粤-s eB23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声压灵敏度重复测量6次(静水压力10 MPa)，得到的结果如表B1所示。由表B1可知，测量重复性最大偏差发生在1 250 Hz，该频率下的测量原始数据见表B2。测量重复性所引入的不确定度分量为：“A一013

26、dB1 2JJG 10562010表B1 声压灵敏度的测量数据fHz M。dB M。dB M3dB M4dB 地dB MdB M。dB S。dB20 一l 9773 19737 19746 1 9746 1 9742 19745 1 9748 01325 一19767 1 9766 19750 19745 一19740 19745 19752 O12315 1 9771 19766 19750 1 9745 19741 1 9744 1 9753 01340 一19769 1 9766 19750 1 9744 1 9739 19744 19752 O1363 19769 19765 1974

27、9 19743 1 9741 l 9743 1 9752 O1280 19769 19765 19749 1 9743 19742 一19743 19752 012100 19768 1 9765 19748 一19743 1 9740 一19743 1 9751 O121 25 19767 19764 一19748 1 9742 1 9740 一】9743 1975】 012160 19767 1 9764 19748 19742 1 9739 19743 1 9751 012200 1 9766 19763 一19748 1 9742 一19739 19743 1 9750 012250

28、19765 19762 一19747 1 9742 19737 19743 1 9749 01131 5 19764 19762 19747 一19741 19738 1 9741 19749 011400 19764 1 9762 19746 19741 1 9737 1 974】 一19749 O12500 1 9764 19762 19747 1974l 1 9739 一19742 19749 011630 1 9766 19764 一19747 一19742 1 9738 一l 9742 一】9750 012800 一19770 19768 19748 一19743 197，53 19

29、743 一19754 0121 000 1 9758 19757 19749 1 9743 19740 一19744 1 9749 0081 250 一19777 1 9775 19756 1 9751 19749 19752 19760 0131 600 一19779 19779 19766 19759 19757 19761 197G7 O102 000 19725 19724 1 971 5 1 9708 1 9710 1 9735 1 9720 O102 500 19759 19757 19770 19764 一19764 19767 19764 0053 150 19785 1978

30、4 19802 1 9799 1 9806 1 9813 19798 012表B2测量频率为1 250 Itz时原始测量数据序号 UnmV UHJmV UFHmV IimA Vmll 6158 16610 6165 1255 2742 6166 16427 6097 1258 2753 6144 16610 6165 1 262 2734 6158 16519 613l 1245 2725 6136 1 6610 6165 1251 2716 618l 16427 6097 1253 273平均值 6157 1 6534 6136 1254 273B24标准不确定度的B类评定声压灵敏度的B类不

31、确定度主要来源于：1)耦合腔内声场的不均匀引入的不确定度分量耦合腔内声场的不均匀性不应超过030 dB，以正态分布考虑，取k一196，则耦合腔内声场的不均匀引入的不确定度分量为：“B1031960153 dB。2)互易换能器的互易性偏差引入的不确定度分量互易换能器的互易性偏差不应超过o10 dB，以均匀分布考虑，取k一3，则互易换能器的互易性偏差引入的不确定度分量为：“B2010,手=o058 dB。3)电压读数误差引入的不确定度分量数字电压表的示值误差不应超过10，由表B2可知，以Un为例，数字电压表示值算术平均值为6157 mV，则绝对误差为0616 mV，以均匀分布考虑，取k一再，则数字

32、电压表示值误差引入的不确定度分量为：“B30616J30356 iTIV。4)电流测量误差引入的不确定度分量电流测量的误差不应超过20Voo，由表B2可知，电流取样示值的算术平均值为1254 mA，则绝对误差为0251 mA，以均匀分布考虑，取k一3，则电流取样器引入的不确定度分量为：“B40251万一0145 mA。5)信号发生器频率指示误差引入的不确定度认为可忽略不计。6)腔中液体体积测量误差引入的不确定度分量腔中液体体积测量误差不应超过10，由表B2可知，腔中液体体积测量值的算术平均值为273 mL，则绝对误差为273 mL，以正态分布考虑，取k一196，则腔中液体体积测量误差引入的不确

33、定度分量为：“B5273196一1393 mI，。7)腔中液体内声速值引用误差引入的不确定度分量腔中液体内声速值引用误差不应超过015 dB，以均匀分布考虑，取k一3，则腔中液体内声速值测量误差引入的不确定度分量为：MB6-0s5,30087 dB。8)液体密度值引用误差引入的不确定度分量液体密度值引用误差不应超过01 dB，以均匀分布考虑，取k一,3，则液体密度值引用误差引入的不确定度分量为：“B7010,30058 dB。B25合成标准不确定度143jG 1056-2010根据灵敏系数公式及表B2可求出灵敏系数为：c(L，)=可101黜一百而i0o434一o070 dBmVf(I)-一1舭

34、一焉o434一一。3d6 dBmA(V)-可10l舭一装o434一o016 dBmI。根据岫的计算方法，电压U测量的不确定度分量“。可由公式(B2)计算：，一c州一器b弓竽一0057，心rO025引耻，同理，“一“。，一“一0025 dB“。一(J)“B。一一03460145一-0050 dB“。一c(V)ItB。=0016i393=O022 dB测量过程中，各不确定度分量问独立无关，按照公式(B1)可得B类不确定度的传递公式，计算得总的B类标准不确定度分量为：按照公式(B1)可计算得总的B类标准不确定度分量为：“萨鬲下面干瓦i干瓦_干碡干瓦了诹下面 一，F而F可丽干孬巧百露_干T1而丽严F可

35、疆F玎而丽r甄丽萨一0207 dB计入A类不确定度分量后，可得声压灵敏度的合成标准不确定度为：虬一，丽了丽一0245 dB025 dBB26扩展不确定度取包含因子女一2，则声压灵敏度测量的扩展不确定度为：Uku。=05 dBB27结论分析的扩展不确定度：L一05 dB=59，被检标准水听器的误差要求：20 dB(206)。淼一zss丢故检定可行。中华人民共和国国家计量检定规程高静水压下20 Hz315 kHz标准水听器(耦合腔互易法)JJG 10562010国家质量监督检验检疫总局发布*中国计量出版社出版北京和平里西街甲2号邮政编码100013电话(OlO)64275360http：wwwzgjltomc北京市迪鑫印刷厂印刷新华书店北京发行所发行版权所有不得翻印*880 mill1230 mm 16开本 印张125字数22千字2010年4月第1版 2010年4月第1次印刷印数l一1 000统一书号155026-2486 定价：26oo元