GB/T 15611-1995 声学 高频水听器校准

GB/T 15611-1995 声学 高频水听器校准的部分内容

中华人民共和国国家标准

声学」

高频水听器校准

Acoustics-Callbration of high frequency hydrophoneGB/T 15611—1995

本标准参照IEC866：1987工作于0.5~15MH2频率范围内的水听器的特性和校准方法》。1生题内容与适用范围

本标准规定了用一换能器互易法校准压电型高频水听器的方法。本标准适用的频率范围为0.5~10MHz，频率范围为0.1～0.5MHz的尚频水听器的校准使用GB/T 3223.

2校准

2.1校推原理

首先用自易法校辅助换能器的表观发送电流响应，再在出该辅助换能器产生的已知声场中校准水听器的自由场灵敏度。

2.1.1用自易法校准辅助换能器的发送电流响应用一个平面型互易换能器作为辅助换能器，先对其进行自易法校准（见附录A）。图1为高频水听器校准的一种实验装置，在理想自由场平面波条件下，其表观发送电流响应”为si =

，1/2

Jp= 24

式中：P,—辅助换能器1以平面波形式发射的卢压,Pa;I1\一辅助换能器的激励电流,AU.一辅助换能器接收到的自反射器R的第一回波信号电压，V：_平面波互易常数，/Pa\，

Af—辅助换能器的有效辅辐射面积,m2;p—水的密度，kg/m

C——水中声传播的速度,m/s。

2.1-2用替代法测出水听器的自由场灵敏度(1)

移去反射器R，将婴校准的水听器置于辅助换能器1产生的已知声场中，它的开路输出电压为U。则在假定理想自由场平面波条件下，水听器的表观自出场灵缴度M为M*=

2.1.3对非严面被条件的修正

考虑到实际测量的声场为非理想自由场平面波，由于换能器的衍射和声波在水中的传播衰减、反射国家技术监督离1995-07-03批准1996-02-01实施

GB/T 156111995

器的声压反射因数等的影响，只有在对校准结果进行修正后见附录C)，小得水听器的自由场灵敏度M为

式中：-

修正因了

2.2测量条件

2.2. 1总体测员安排

图1和图2为水听器校准的二种实验装置。首先辅助换能器1发射10～20周的猝发声，在水槽中声脉冲被不锈钢反射器反射。在辅助换能器的自易校准中，调节换能器的位置使发射器的声轴垂直于反射器表面。在第二步水听器校准时，移去反射器，调节水听器的位宵和方向，使发射器的主轴对准水听器的最人灵敏度力向，

电能变换器

释发告值分发生器

频事让

数在慢”示整释

释发育供

沙发牛器

2.2.2测量仪器

四配网路

滤被器

前置放太器

辅助换能器

二换能器互易法校谁的实验装置1配网络

开美A

开关A

终端须赖

电流操头

图2二换能器互易法校准的实验装置I反射

示游帮

水听器

：猝发声发4器

工作颊率

0. 5-~10 MHz

脉冲重复频率50 Hz～1.3kHz

脉冲宽度

b.频率计

1 μs20 ps

频率范用>20MHz

准确度优于+10-8

稳定度优于±10-5

c匹配网络(可调电感）

1~1 000 μH

前置放大器和滤波器

CB/T 15611—1995

连续可调

连续可调

作水听器阻抗变换和信号放大用，应预先校准数字存此示波器

频响范围>20 MHz

输入阻抗1Mn/30pF

A/D 变换≥8 hit

f、电流变换器

准确度优于+1%

标准无感电阻R

准确度优于士1%

精密衰减器

量程α～60 dB

准确度优于主.1 dB

2.2.3辅助换能器

辅助换能器应是个直径大下水中波长「倍的圆形平面活塞型换能器，日其直径对水听器的直径之比大于5。辅助换能器的有效半径a，是等效活塞声源的半径。远场中声压振幅的空间分布非常接近从半径为α的活声源产生的声场。有效半径4；的值应不大于敏感元件半径的十2%到一5%（确定有效半径的法见附录B)。

辅助换能器应具有互易性，可以按如下方法检查：成对地检查换能器，一个作发射，另--个接收。小改变一个换能器的位置，收，发功能互换，比较转移阻抗，一个值之差不应大于10%。如架人于10%，说明起码有一个换能器不合格。用第三个换能器米进行以测试，可以发现哪一-个是不合适的。如果：个换能器结构是相同的，它们可能相同程度地线性或非线件，所以，应使用儿种类型的换能器来进行检验。2. 2. 4反射群

反射器应由不锈钢圆盘构成，此圆盘应有足够大的直径，使能反射来自辅助换能器的全部的声波，反射器的厚度应满足后表面的第一个反射在最低懒率时不会和前表面直按反射的猝发声发牛十涉。反射器的平面度应优于土10m，表面光洁度应优于土5jμm。2.2.5声程

在校准过程中，推荐声程的总长度（自易法时为2d,对于二换能器互易为d十d,，通常取d一d,参见图1)应在1.5到3倍的近场距之间。2.2.6测试水槽

水模应充分人，以保证辅助换能器和水听器之间的距离至少是辅助换能器近场距离的1.5。水槽的四固和水表而离换能器和水听器应有充分的距离以保证四壁反射借号与直达声分开。而且，可能的话，这些表面应贴附吸声材料。水槽内充以新鲜蒸馏水或除气水，最好181更换--次或通过减压到GB/T 15611—1995

2000Pa或如热到80℃达1h的方法除去水中气池。2.2.7调整

换能器、水听器及反射器应被安装在稳定，刚性的支架上并可进行适当的调。为了保证测量的准确性，声中心的定向调整准确度要求优于土0.05°,换能器位置的调整精度要求优于士0.1mm。2.3校推程序

对图1的校准装置，使用数字存必示波器的方法进行水听器的高频校准，如图1所示。调整反射器：使其表面与入射声波垂直,且满足1.5<（2dA/a)<3。测出 I,和U, 值。

b。将反射器移开，调整待测水听器，使入射声波的轴线通过待测水听器声中心，且使d一，测出利值。

2，b步骤可通过观察示波器进行，调整反射器或水听器，也可调整辅助换能器，使接收信号电压达到最大。测量出I,U,U值后：按公式(2)可得水听器的表观自由场灵敏度。对图2的校准装置，使用精案衰减器的方法进行水听器的高频校准，校准程序为：a、调整辅助换能器 T 和反射器 R 之间的距离 4,使其满足 1, 5<2da/a3;b联动开关A骨于1est位置，开关B置于U,位置，开关C置于u位置，调整T的方位，使从反射器来的第个回波达到最大，通过改变联动开关A的位胃，使R。两端的参考电压U和U交替品示在示波器上，调整精密衰减器的衰减量，使二者相等，由衰减器读数叫，可得比值. = U,/0. - 10-0.054

C。开关 C臀于 I 的位置,通过改变联动开关 A,使 I,与流经 R。的电流 Irar=er/R。的信号交替显示在示波器上。调整精密衰减器的衰减基，使者相等，由衰减器读数α2，可得比值αn = I,/Imf = 10-6. 5k,

d.移去反射器，调辅助换能器T与水听器H之间的距离(d,十d）=2d，使之满足1.5(d,+d)A/ai3:

e. 联动开关置 1 test 位置,开关 H 置于 U 位置,开关 C 置于 U 位置,反复调整 T 和 H 的横向位置和方位，使二者处于声学共轴状态，此时水听器的输出U达到最大值，改变联动开关A的位置，使U信号与信号交替显示在示波器上，调整精密衰减器，使二者相等，由衰减器的读数α可得比值ay - U/Urer - 10-ho,

水听器的表观自山场灵度为

[ Rrande/2

an! am

2.4结果计算

在计算校雅结果时，需要对表观电压灵敏度进行修正，修正因子为，则水听器的白由场电压灵敏度

M = M\k

充值为：

h = (RuiG(rp)1/2

-（4)

式中：一一当辅助换能器作为接收换能器使用时，如果电负载条件（如辩发声信号发生器的输出阻抗)在发射和接收过程中没有改变，在接收过程中发射电路又没有被断开，信号电压乘以此因子等效于开路电压。的值可以通过测量当换能器被·个短路环取代时通过电路的电流I得出；

CB/T 15611—1995

水听器产生的电压须乘以此因子方可得到等效开路电压。一般来说，前置放大器的箍入阻抗远大于水断器输出电继端的阻抗，因而无需对开路电压作修正：在辅助换能器自易校准中考虑到声波从发射到接收的变化而进行的修正；G一在水听器处于辅助换能器的已知声场中进行校准时考虑相应变化而进行的修正声压反射因数，对不锈钢和水，rp一0.937；r

—超声波在纯净的和除气水中的衰碱系数,a =2. 2×10-\f\Hz-\m-1,f=23℃。修正因子k的计算见附录I)

本标推特别推荐，当满足

辅助换能器的直径和水听器的直径之比大5。a.

校准时的总声程为辅助换能器近场距离的1.5～3.0倍，即b,

则修正固是为：

式中 Gr:仪为归化距离 S的函数,如图 3所示。1.u

G蜂正因了)

图3Gc值作为归一化距离的函数图2.5校准的不确定度

归-·北距再

推荐的校准程序和简化的修正因了提供了在U.5～10 MHz频段内校准水听器自由场电压灵数度的一种方法。这种方法的系统总不确定度小-1. 5 dB,测量的统计不确定度小于 1. 5 dB。GB/T 15611

附录A

平面波互易校准

(补充件）

互易换能器是满足如下机电互易茶件的换能器式巾：V—换能器在发射时辐射面的均勾振速；{-一换能器在发射时的输入电流：U换能器在接收时巾作用在声刚性换能器上的力F产生的开路电压。由发射换能器发送也流响应和接收换能器白由场灵敏度的定义：S=

式中：Pu-

在无干涉影响·发射换能器输人电流1时邻近发射换能器表面的声压；-(Al)

假是接收换能器被移走，位于原接收换能器声中心的末受干扰的平面波尚场声压。其在此声压作用下换能器产生一输出开路电压。对于平面波，在发射换能器前而的声压和表面振速V之间的关系为：P.= pCV

式中：0—一水的密度

——水中声传播速度。

（A3）

假定声波在发射和接收换能器之问传播无揽失和衍射影响，无限平面波在无摄耗介质传播样：

Pu= Pr p

作用在接收换能器表面面积为A上的力为：F—2AF

因而在假定的平而波条件下，比值MUI-24

（A4）

...(A5)

仅决定于换能器的面积A,此比值被定义为平面波易常数r。J已知,测量U和可直接确定P,因而,M和S 也随之被确定、

注：如果.恶发射、接收：个猝发声（脉冲被反射器反射)的真实接能器的输入电流和接收压，M _UL

M，S，是假定理想平面波测试条件下，自由场灵数度和换能器发送电流响应的表观值，所以从(A2)和(A7)式可得

GB/T 15611-1995

在本标准规定的癫率范围内的任何实际测试，真正的平面波条件不可能实现，所以，P,和接收换能器敏感元件表面上的平均声压P.之间的差值必须修正。附B

辅助换能器有效半径的计算

(补充件）

辅助换能器的有效半径α，可通过声压振畅沿声轴方间随距离的变化曲线图来确定。此声场分布可以通过使用一个水听器测量辅助换能器产生的声场来获得。此处，水听器敏感元件的直径应等于或小于辅助换能器敏感元件直径的十分之一，并且，发声应足够长以达到慈态测试条件。将实验确定的声场分布和理想活声源的预计的声场分布相比较，通过调节理想活塞声源的半径α，可使理想声场分布与实验数据最吻合。活塞声源的声场理论分布如下：[(21 +)2 -2e*

P/P = 2sin -

式中：P\-从换能器表面并始沿声轴方向距离为Z处的声压振幅,Pa;P-平面波声压振幅P.=pC·V,Pa;a——声源半径,m;

z—轴向距离：m

一振幅衰减系数

生，获得这种吻会的一种方法(月前为英国 NPL.使用)如下:如果 Y,(Z.)=20 lo81nV.,V,甚由水听露产生的信号电压振幅 Y,(Z,)如下定义：

20log2sin [(+)18-Z,e2

令 x,-Y(z.)-y(z.)

参数？

x相对于α求极小值。

这个拟合程度仅用于1.5Z.的值检查作为代替真实声场引入的理论模式是否成功。如果X(2.)的量值小于0.5dB，那么说明引入的模式是成功的。附录C

缝正因子的计算

（补充件）

一个比较通用的修止因子是

h= (knGrp)v

式中：（一一在辅助换能器白易校推考虑到声波从发射到接收的变化而进行的修正：G：一一在水听器处于辅助换能器的也声场中进行校准时考虑相应变化而进行的惨正；c)

GB/T15611—1995

下面给出了根理想活塞声源导出的相对于各种接收和发射直径之比的归一化距离与IP/P。I之比的对数图。G,值对应于辅助换能器既作发射又作接收的情况，可从图上与直径比为 1对应曲线上获得。G，值对应于辅助换能器发射，水听器接收的情况，可从合适的直径比的曲线上获得，本标准推荐这个比值应小于0.2。

-声压反射因数,对于水与不锈钢介面,rp一0. 937。d

化距禹

图C1不同尺寸的换能器归一化距离与平均声压的关系(图中参数为接收换能器直径与发射换能器的直径比）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，中国船工业总公司715所、上海交通大学、中国船舶工业总公司721厂负贵起草。

本标准主要起草人朱厚、王月其、寿文德、哀文俊、郑进鸿。

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