GB/T 3223-1994 声学 水声换能器自由场校准方法

GB/T 3223-1994 声学 水声换能器自由场校准方法的部分内容

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 callbration method ofunderwater sound transducers1主题内容与适用范围

GB/T 3223—94

代替GB322382

本标准规定了水声换能器在白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听器和标准声源，比较法适用十校准测量水听器和水声发射器。频率范围为儿百赫到儿兆赫。

本标难所有的测量都是在稳态紊件下进行的。当被校水声换能器的性能与环境条什(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

GB3947声学名词术语

GB3102.7声学的量和单位

GB3238声学量的级及其基准值

GB3240声学测量中的常用频率

3术语

3.1几何声心gcomctricalacoustic 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：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 telerence 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水听磐开路电压uopen circuitvoltageof hydraphone水听器输出端没有电流流出时，在该点呈现的瞬时电压。单位为伏，V。3.4换能器对的电转移阻抗Zr] electrical irans[er impedance of transducer pair由发射器(F)和水听器（J>纽成的换能器对，在基“频率下的电转移阻抗为，当换能器对置于声场中，其主轴相对指向升位于直线上时，水听器开路电压\与输入发射器的电流的复数比。单位为欧[姗],。以数学式表时为：

Zmi = uy/ir

其模和幅角分别为：

[Z=[u|二U/r，=argZe=—

国家技术监督局1994-12-27批准（1）

+***( 2)

1995-08-01实施

GB/T 322394

式中，U,一水听器开路电压的有效值,V;Ir——输入发射器电流的有效值,A;虹水听器开路电压的相位，rad；，输入发射器电流的相位，ad。注：（1）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。公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器对声中心间的距离成反比。即[Z] + d = 常数

3.5 自山场[电压]灵敏度 M。free-field[voltage]sensitivity33

水听器输出端的开路电压与在自由声场中引入水听器前存在于其声中心位置处的瞬时电压P的复数比值。单位为伏每帕,V/Pa。以数学式表示时为：

Mr=u/pe

其量值与相位分别为：

Mr- [n/pl -U/pu=

（4）

.（5)

注：①白由场灵敏度是对平行渡而。其相对于平面波传播的指定方向，一般为灵较度最太的方向,声中心一般为参考声中心,它们均应在水听器工明确标出。其输出端和率在给出灵效度时也应指明。②自由场灵敏度的复数值和虽值采用同一符号 Mi,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效值也用可一符号。

面自由场灵数度的相位,为水听器开踏电压μ和白出场瞬时声玉所间的相位差。3.6自由场[电压]灵嫩敏度[级]M, free-field [voltage]」 sensitivity level自由场灵敏度的量值M，与基准灵敏度M.之比的以10为底的对数乘以20。单位为分贝，dB，以数学式表示时为：

M: -: 20lg(M/M,)

注：自由场灵敏度的基准值M,为 1 ViμPa。3-7发送电流响应S，transtmitting current response.(6)

在某颗率和指定方间上，离发射器声中心参考距离。处的瞬时声压力。和该参考距离的乘积与输入至其电端的电流的复数比值，参考距离为1m。单位为米每安，Pa·m/A。以数学式表示时为：

S, ode/i

其量值与相位分别为：

S, - Ipod,/il = podell, ps, - d-,(7)

注：(D发射器的指定方向般为土轴方向;声中心~般为参考声中心,它们均应在发射器上明确标出。其输入端(可任选)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--符号 51,若不加以说明，一般指其谢值。式(8)中的声压加的瞬时值和有效值也用同--符号。

@发送电流响应的相邮,为处的瞬时声压与电流之间的相位差。3. 8 发送电流响应[级] S,transmitting cutrent response level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。单位为分页，dB。以数学式表示时为：

GB/T 3223--94

St = 20lg(S,/St,)

注：发送电流响应的基准值为 1 μPa m/A。3.9发送电压响应Sytransmittingyoltageresponse(9)

在某频率或指定方向上，离发射器声t心参考距离d处的瞬时声压力和该参考照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。单位为帕米每优，Pa，m/V。以数学式表采时为：

Sy = pado/u

其量值和相位分别为：

Su lpoda/ul - pud,/U, Py = Fr, - 注：同 3. 7的注。

3.10发送电压响应[级]Sytransmittingoltageresponselevel(10)

发送电压响应的量值S，与其基准值Su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：

Sy -20lg(Su/Sw.)

注：发送电压响应的些准值为1Ma·m/V。3.11电声互易原理electroacousticrecipracityprinciple（12)

一个线性、无源，可逆的电声换能器，用作水听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：上述比值为一常数，称为互易常数。批常数与换能器所处的声场性质有关，在自由场球面波条件下，有：J, -- MI/S,

---- , - j,β --

式中，J.——自由场球面波瓦易常数，m·#/kg;Mfi——自由与灵敏度，V/n

, ---发送电流响应,Pa m/A ;

u-----媒质的密度-kz/m,

f----频率,Hzr

...·复角波数,m-

d.-—患考距离(1m),m

传播系数,m-1,

.衰成系数,dB/m t

.-相位系数.rad/m

——角波数,m-,

角凝率，rad/s:

声递,m/s。

4互易法校准

4.1原理

..-([4

GB/T 3223 -- 94

互易法校推是根据互易换能器遵守的电声片易原理进行校准的种绝对校准方法。该法需用三个换能器，其中至少有一个互易换能器（H），另一个是发射器（F）和水听器（J)，这：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，分别测每换能器对输入发射器的电流之和水听器的开路电压u，或其电转移阻抗Z.就能获得水听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。

在第一组测量中，发射露（F)在离其声中心校准距离处的水听器（J)声中心处的自出场远场声压略去时间因子e\启为：

式中：Pa\

padndg-e)

igSm.ed-dn

离发射器F)声中心参考距离d.处的声压，Pa;参考距离(lm）,m

ip-输入发射器(F)的电流，A；

SE—发射器(F)的发送电流响应.Pa·m/A；-复角波数.m-

则其电转移阻抗Zn为：

Zu = y/ir = Uj/pa.e ·pdfjlie =式中：WF·-水听器（J)的开路电压，V;Mu——水听器(J)的自出场灵敏度，V/Pn。rS

同样对第一组测量，发射群(F）发送，立易换能器（H)接收时的电转移阻抗2m为：ZEH-UFH/'P-MSNIdH)-ed\m)

式中：FH\\-H易换能器(H)的开路电压,V；----输入发射器(F)的电流，A：iL

互易换能器(H)的白由场灵嫩度,V/Pa;一发射器(F)和与易换能器(H)的声中心之间的距离，Ⅱ。FH

对第三组测量，互易换能器(H)发送水听器(J)接收时的电转移阻抗Z叫为：ZH=H/in=(MnSn/du)+c'tda-m

式中：u}-F易换能器(H)发送时水听器(J)的开路电压，V：所“输入五易换能器(I)的电流.A；-(. 15 )

GB/T 3223-94

一互易换能器(H)的发送电流响应，Pa*m/A；Sr

d一一五易换能器（H)和水听器(J)的声中心之间的距离，m出式(16)和式(17)可得：

Z/Zpi = (Mdm/Melt +dim)+ew

【fe壹-山n

ZH =(MnMn/&u)

由式(19)、（20)就可获得水听器(J)和互易换能器(H)的白由场灵敏度：Mir

jZen·Zl,dmr·du,ef

4. 1.1水听器自由场荧敏度的量值由式(21)和(14),水听器自由场灵敏度的量值为：M.

ZR +ZH

[Zm.ZH, du]+ dH..

[Zeh - ZHl . deh. dh..

及发射器(F)和互易换能器(H)的发送电流响应：SF:

JZu-Zu . du,+dut . Pf

+ erE(dg+dm-pp--

\*(drh+dh.de.*+

e ceg+dn-di--

ayy +du-dr

dn+dru.2

edprtdm

·（20 )

++*+**( 21 )

（22)

在600kHz以上声衰减己不能忽略，由十衰减系数的误差将使水听器校准产生较大的测量误差。但若在校准中，使校准距离d=dm+dm+及dm=d=d,则式(25)指数项为 1,式(25)成为：Mn -{/Zg·ZHr/Zrul+d/of)

若在校准中使一，则上式可写成：M, - ([u] +wm/(mpr+in)I+d/pff?用白由场灵敏度级来表示,则式(26),（27)为：M = 20lg(Mu/M.) -

My - 20lg(Mg/M,)

-120lg|Zel+20lgiZ/—20lg[ZeH +201g((20lg/ui + 20lgiuu1 - 20lglupu/ — 20lg [iu/ + 20lg（262

+,) - 120

（28）

→ Jf — 120

..( 29 )

上式中J,=20lg(2/pf)=6. 0—20lg0—20lgf此值可以在附录E的表E1中查到。4.1.2水听器白由场灵嫩度的相位

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