1 kHz~10 kHz矢量水聽器校準(zhǔn)規(guī)范(自由場比較法)

11kHz～10kHz矢量水聽器校準(zhǔn)規(guī)范(自由場比較法)本規(guī)范適用于常壓下1kHz～10kHz頻率范圍內(nèi)使用的矢量水聽器的校準(zhǔn)，本規(guī)范引用下列文件：JJG185—1997500Hz～1MHz測量水聽器JJF1001—2011通用計量術(shù)語及定義JJF1034—2005聲學(xué)計量名詞術(shù)語及定義JJF1340—201220Hz～2000Hz矢量水聽器校準(zhǔn)規(guī)范GB3102.7—1993聲學(xué)的量和單位GB/T3947—1996聲學(xué)名詞術(shù)語凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術(shù)語和計量單位JJF1001—2011、JJF1034—200及以下術(shù)語和定義適用于本規(guī)范。本規(guī)范采用GB3102.7—1993規(guī)定的量和單位。3.1矢量水聽器vectorhydrophone輸出電壓與質(zhì)點振速或聲壓梯度成比率的水聽器，其指向性圖具有與余弦函數(shù)相似形狀的特性，并且該特性不隨頻率的改變而變化。3.2軸向靈敏度不對稱性axialdeviationofsensitivity矢量水聽器矢量通道的自由場電壓靈敏度級兩極大值之差。[JJF1340—2012,定義3.5]3.3橫向抑制比lateralrejectionratio矢量水聽器矢量通道極大值與極小值之差。2帶有聲壓通道的矢量水聽器，在矢量通道的極大值正方向上，矢量通道和聲壓通道矢量水聽器用于測量媒質(zhì)質(zhì)點振速或聲壓梯度，也稱振速水聽器或聲壓梯度水聽器。在聲波作用下，矢量水聽器產(chǎn)生與媒質(zhì)中質(zhì)點振速或聲壓梯度值成正比的開路電壓值。根據(jù)敏感元件材料的不同，矢量水聽器可以分為壓電式、壓阻式、光纖式等；根據(jù)拾振原理的不同，又可分為同振式和壓差式等，通常的矢量水聽器內(nèi)部還包含聲壓矢量水聽器由靈敏元件、水密包覆層、支撐結(jié)構(gòu)、前置放大器和電纜等組成。在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽器的自由場電壓靈敏度級(以下簡稱電壓靈敏在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽器的自由場振速靈敏度級(以下簡稱振速靈敏在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽器的自由場聲壓梯度靈敏度級(以下簡稱聲壓梯度靈敏度級)一般在-253dB～-183dB之間[以1V/(μPa·m-1)為參考]。在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽器的橫向抑制比一般不低于20dB,軸向靈敏a)環(huán)境溫度：10℃~30℃;b)相對濕度：30%～90%;c)媒質(zhì)溫度：5℃~30℃。6.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備6.2.1標(biāo)準(zhǔn)水聽器3電壓靈敏度級不應(yīng)小于一220.0dB,校準(zhǔn)的不確定度不應(yīng)大于0.7dB(k=2)。消聲水池為六面消聲，長、寬、深尺寸不應(yīng)小于(15×10×10)m。坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置能帶動被校矢量水聽器在校準(zhǔn)聲場內(nèi)做水平回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度范圍應(yīng)大影響應(yīng)小于0.5dB,對相位影響不應(yīng)超過±2°;回轉(zhuǎn)裝置應(yīng)能進(jìn)行回轉(zhuǎn)角度讀取，分辨在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，能產(chǎn)生連續(xù)正弦信號或脈沖調(diào)制正弦信號。最大輸出幅度不應(yīng)小于1V有效值，在校準(zhǔn)期間內(nèi)輸出幅度變化不應(yīng)超過±0.1%,頻率示值誤差不應(yīng)超過±0.1%,在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，測量放大器的輸入阻抗比水聽器的阻抗至少高100倍，動態(tài)范圍不應(yīng)小于60dB,增益誤差不超過士0具備與計算機通訊的接口，采樣頻率應(yīng)高于1MHz,幅度測量最大允許誤差不應(yīng)超過±1%,滿足2級要求的1/3或1/1倍頻程濾波器。在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，通道隔離度應(yīng)優(yōu)于60dB。在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，電壓取樣系數(shù)為0.01或者0.1,電流取樣系數(shù)為0.1或者1在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，輸出阻抗與發(fā)射換能器阻抗相匹配，最大輸出功率不應(yīng)小于50W,輸出波形總失真(THD+N)不應(yīng)大于2%。在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，發(fā)射換能器各頻帶發(fā)射源級應(yīng)大于背景噪聲15dB。工作電壓100V,絕緣電阻測量最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于±10%。電容值測量范圍1nF～100μF,電容測量最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于±5%。量程不應(yīng)小于3m,最小分度1mm,優(yōu)于2級。4矢量水聽器的校準(zhǔn)項目見表1。編號項目名稱計量特性的條款號校準(zhǔn)方法的條款號1電壓靈敏度級23聲壓梯度靈敏度級4矢量-聲壓通道的相位差5a)矢量水聽器的外觀應(yīng)完好，并有明顯的通道工作方向標(biāo)識，無影響正常工作的機械損傷等，被校矢量水聽器應(yīng)有明顯的信號線、地線和供電線的標(biāo)記，并說明供電電b)用無腐蝕作用的洗滌劑擦洗被校矢量水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器的表面，在媒質(zhì)中浸泡至少1h;c)對于不帶前置放大器的矢量水聽器，用電容測試儀測量輸出端的電容值，用絕d)按照矢量水聽器的安裝要求，固定于坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置上，將發(fā)射換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽器和被測矢量水聽器放置在水下同一深度，并用卷尺測量發(fā)射換能器和被校矢量水聽器之間的距離dpx,以及發(fā)射換能器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器之間的距離dp;e)按照圖1所示連接各儀器設(shè)備、發(fā)射換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽器及被校矢量水聽器f)開啟所有校準(zhǔn)用儀器設(shè)備，并預(yù)熱15min以上；g)在實際工作狀態(tài)下，通過對發(fā)射換能器的激勵和停止，測量標(biāo)準(zhǔn)水聽器和被校矢量水聽器開路輸出電壓的信噪比，其值不應(yīng)小于15dB;h)調(diào)整信號源的輸出電壓幅度或者功率放大器的增益，使在校準(zhǔn)工作頻率范圍內(nèi)i)通過坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置調(diào)節(jié)被校矢量水聽器的方向，使被校矢量通道的輸出值為7.2.2電壓靈敏度級、振速靈敏度級和聲壓梯度靈敏度級校準(zhǔn)裝置的框圖如圖1所示。5接口總線J?標(biāo)準(zhǔn)水聽器p發(fā)射換能器F矢量水聽器x將發(fā)射換能器F、標(biāo)準(zhǔn)水聽器P及被校矢量水聽器X按圖2所示的排列放入校準(zhǔn)聲場中，當(dāng)發(fā)射換能器的水平指向性起伏小于2dB時，可以采用圖2(a)的聲場排列方式，一般推薦采用圖2(b)的聲場排列方式，以減小由于水聽器的指向性造成的測試誤差。測量換能器對F-P時發(fā)射換能器的發(fā)射電流和標(biāo)準(zhǔn)水聽器的開路電壓，按照公Urp標(biāo)準(zhǔn)水聽器P的開路電壓，V;測量換能器對F-X時發(fā)射換能器的發(fā)射電流和被校矢量水聽器的開路電壓，按照公式(2)計算轉(zhuǎn)移阻抗模|ZrxI6式中：drx發(fā)射換能器F與被校矢量水聽器X聲中心之間的距離，m;drp發(fā)射換能器F與若測量時使Ip=I',則公式(3)變?yōu)榛蛴眉壉硎緸镸?=M?+20lgUrx-20lgUrp+20lgdr被校矢量水聽器的振速靈敏度級和聲壓梯度靈敏度級由公式(6)和公式(7)給出。校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。式中：校準(zhǔn)頻率為1/3倍頻程中心頻率，或根據(jù)客戶的指定。7.2.2.2校準(zhǔn)步驟a)按照7.2.1進(jìn)行校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備；7c)將電子開關(guān)切換至標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出通道J?,使用數(shù)字示波器測量發(fā)射換能器F的激勵電流與標(biāo)準(zhǔn)水聽器P的開路電壓，按照公式(1)計算轉(zhuǎn)移阻抗模|Zrp|;d)將電子開關(guān)切換至被校矢量水聽器信號輸出通道J,使用數(shù)字示波器測量發(fā)射換能器F的激勵電流與被校矢量水聽器X的開路電壓，按照公式(2)計算轉(zhuǎn)移阻抗模 f)重復(fù)步驟b)～e),直至完成所有頻率點校準(zhǔn)；g)保持兩次測試的發(fā)射電流相等，按照公式(5)～公式(7)分別計算被校矢量如圖1所示，矢量水聽器置于校準(zhǔn)聲場中接收聲壓，使用數(shù)字示波器測量矢量通道v.和信號源的輸出信號，通過FFT計算兩者的相位差qv;同理測量矢量水聽器聲壓通道相對于信號源輸出信號的相位差qp。矢量水聽器矢量-聲壓通道的相位差按公式(8)計算。校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。qv——矢量水聽器矢量通道相對于信號源輸出信號的相位差，()。校準(zhǔn)頻率為1/3倍頻程中心頻率，或根據(jù)客戶的指定。a)按照7.2.1進(jìn)行校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備；c)將電子開關(guān)切換至被測矢量水聽器信號輸出通道，測量其相對于信號源輸出信d)將電子開關(guān)切換至被測矢量水聽器的聲壓輸出通道，測量聲壓通道相對于信號f)重復(fù)步驟b)～e)直至完成所有頻率點校準(zhǔn)；g)按照公式(8)計算被校矢量水聽器的矢量-聲壓通道的相位差。指向性是換能器的靈敏度隨入射聲波方向變化而改變的特性，通常用指向性圖表示。通過坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置帶動被校矢量水聽器在校準(zhǔn)聲場中水平回轉(zhuǎn)，同步測量矢量水聽器被測通道的開路電壓以及當(dāng)時的角度，開路電壓值按照公式(9)進(jìn)行歸一化處理，8u:’各角度對應(yīng)的矢量水聽器被測通道的歸一化值；u;——各角度對應(yīng)的矢量水聽器被測通道的開路電壓，V;umin——矢量水聽器矢量被測通道的開路電壓最小值，V;umax——矢量水聽器矢量被測通道的開路電壓最大值，V。指向性圖通常用極坐標(biāo)圖的形式表示，徑向坐標(biāo)表示響應(yīng)。徑向坐標(biāo)可以是線性坐標(biāo)，也可以是對數(shù)坐標(biāo)，在指向性圖的明顯位置上有清晰的表述。校準(zhǔn)頻率為1/3倍頻程中心頻率，或根據(jù)客戶的指定。校準(zhǔn)步驟如下：c)將電子開關(guān)切換至被校矢量水聽器信號輸出通道；d)通過坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置將矢量水聽器按照一定角度間隔轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度間隔不應(yīng)大于2°,在指向性最大值和最小值附近，轉(zhuǎn)動角度的間隔不應(yīng)大于1°;e)記錄當(dāng)前的回轉(zhuǎn)角度值；f)通過數(shù)字示波器測量當(dāng)前矢量水聽器的輸出開路電壓h)記錄回轉(zhuǎn)的角度及其對應(yīng)的開路電壓測量數(shù)據(jù)，按照公式(9)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，繪制為極坐標(biāo)圖，極坐標(biāo)圖格式參考附錄A;i)根據(jù)記錄的測量數(shù)據(jù)計算橫向抑制比、軸向靈敏度不對稱性，并記錄到記錄表中，記錄表格式參考附錄A。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)8.1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先計算，后修約。出具校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按如下要求修約：a)聲壓靈敏度級、振速靈敏度級和聲壓梯度靈敏度級的測量結(jié)果，修約到b)矢量-聲壓通道相位差的測量結(jié)果，修約到0.1°;c)橫向抑制比和軸向靈敏度不對稱性的測量結(jié)果修約到0.1dB。經(jīng)校準(zhǔn)的矢量水聽器應(yīng)出具校準(zhǔn)證書。校準(zhǔn)證書至少應(yīng)包括以下信息：a)標(biāo)題，如“校準(zhǔn)證書”;b)校準(zhǔn)實驗室的名稱和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(如果不在實驗室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn));9d)證書的唯一性標(biāo)識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期；h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說明i)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識，包括名稱及代號1)校準(zhǔn)結(jié)果及其測量不確定度的說明；m)對校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校對象有效的聲明；p)未經(jīng)校準(zhǔn)實驗室書面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書的聲明校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度按JJF1059.1—2012的要求評定，測量不確定度評定的矢量水聽器的復(fù)校時間間隔建議為一年。然而，復(fù)校使用情況(使用部位的重要性、環(huán)境條件、使用頻率)、使用人員、儀器本身質(zhì)量等諸多因素，儀器使用者可根據(jù)實際使用情況并綜合考慮測量質(zhì)量的要求決定復(fù)校的時間校準(zhǔn)證書的內(nèi)容A.1推薦的矢量水聽器校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式矢量水聽器校準(zhǔn)證書的內(nèi)頁格式注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。三、聲壓梯度靈敏度級[以1V/(μPa·m-1)為參考]:注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。五、指向性：(徑向坐標(biāo)對數(shù)刻度)姿王形王出形姿王形王出形4!上二義照壹軸向靈敏度不對稱性：% ℃校準(zhǔn)依據(jù)：JJF1588—20161kHz～10kHz矢量水聽器校準(zhǔn)規(guī)范(自由場比較法電壓靈敏度級校準(zhǔn)測量不確定度：振速靈敏度級校準(zhǔn)測量不確定度：聲壓梯度靈敏度級校準(zhǔn)測量不確定度：相位校準(zhǔn)測量不確定度：指向性校準(zhǔn)測量不確定度：使用校準(zhǔn)裝置名稱：電壓靈敏度級測量不確定度的評定示例B.1測量模型電壓靈敏度級計算公式見(B.1):M?=M?+20lgUrx-20lgUrp+20lgdrx-201gdep(B.1)B.1.1靈敏系數(shù)由公式(B.1)可求得各輸入量對電壓靈敏度級的靈敏系數(shù)為：B.2不確定度的A類評定采用統(tǒng)計方法評定不確定度。采用自由場比較法在1kHz～10kHz頻段對VHS56-1矢量水聽器各進(jìn)行了6次獨立校準(zhǔn)，電壓靈敏度級重復(fù)測量的數(shù)據(jù)如表B.1所示，其中不確定度取實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值，即u?=0.33dB。表B.1電壓靈敏度級的測量數(shù)據(jù)一181.4一179.1一172.7序號123456B.3不確定度的B類評定B.3.1不確定度的B類評定主要來源1)標(biāo)準(zhǔn)水聽器校準(zhǔn)引入的不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)水聽器校準(zhǔn)結(jié)果偏差不應(yīng)超過±0.70dB,k=2,則標(biāo)準(zhǔn)水聽器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：因其靈敏系數(shù)c(M?)=1,故其對應(yīng)的不確定度分量為：2)電壓讀數(shù)誤差引入的不確定度分量數(shù)字示波器的示值誤差不應(yīng)超過±1.0%,以Urx為例，由表B.2可知，數(shù)字電壓表示值算術(shù)平均值為253.1mV,則絕對誤差為±2.53mV,以均勻分布考慮，取k=√3,則測量Urx時數(shù)字電壓表示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u(Urx)=2.53mV//3=1.故其對應(yīng)的不確定度分量為：同理可得測量Urp時數(shù)字電壓表示值誤差引入的不確定度分量為：uRg=-0.05dB。3)信號發(fā)生器頻率指示誤差引入的不確定度認(rèn)為可忽略不計。4)距離測量引入的不確定度分量對距離測量的示值誤差不應(yīng)超過士1.0%,以drx為例，由表B.2可知，深度測量值的算術(shù)平均值為1.01m,則絕對誤差為±0.0101m,以正態(tài)分布考慮，取k=1.96,則測量drx時深度測量的示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u(drx)=0.0101m/1.96=0.00515