GBT7967-2002声学水声发射器的大功率特性和测量.pdf

G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 前 扭 公 仁1 本标准是对国家标准G B / T 7 9 6 7 -1 9 8 7 声学水声发射器的大功率特性和测量 的修订。G B / T 7 9 6 7 -1 9 8 7 自1 9 8 7 年发布实施以来， 在规范和统一我国发射声纳换能器及其它水声发射器的特性和 测量方法， 进而提高它们的 研制和生产质量方面起了重要作用。 为了 使本标准在形式和内容上更好地满 足目 前及今后的使用和技术发展的需要， 决定对 G B / T 7 9 6 7 -1 9 8 7 作修订。 对原标准的主要修改方面如下： 1 通过对文本内容结构重新归并和调整， 把原标准中的十五个章节修改成七个章节， 使标准更加 简洁明了、 易于使用， 也更符合关于国家标准编写的当前规定。 2 根据当前的实际使用情况， 更改了测量系统的组成框图和部分测量仪器。 3 删去了目 前已 基本不用的 测量发射器阻抗（ 导纳） 的三电压法和测量输人电功率的相位补偿法。 本标准的附录A和附录 B 是提示的附录， 附录C是标准的附录。 本标准从实施之日 起代替G B / T 7 9 6 7 -1 9 8 7 0 本标准由中国科学院提出。 本标准由全国声学标准化技术委员会归口。 本标准起草单位： 中国船舶重工集团公司第 7 1 5 研究所、 中国科学院声学研究所、 中国船舶工业集 团公司7 2 1 厂、 哈尔滨工程大学水声所、 中国船舶重工集团公司6 1 2 厂。 本标准主要起草人 ： 袁文俊 、 朱厚卿 、 薛耀泉。 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 G B / T 7 9 6 7 - - 2 0 0 2 声学水声发射器的大功率特性和测最 代替 G B / T 7 9 6 7 -1 9 8 7 A c o u s t i c s -H i g h - p o w e r c h a r a c t e r i s t i c s o f u n d e r w a t e r s o u n d p r o j e c t o r s a n d t h e i r me a s u r e m e n t s 1 范围 本标准规定了表征水声发射器在实际工作状态下大功率发送性能的基本电声参数及其测量方法。 本标准适用于压电型、 磁致伸缩型等水声发射器， 也适用于由这类发射器所构成的水声发射器阵。 本标准中的测量方法适用于在大功率下测量水声发射器， 也适用于测量或试验非大功率激励下的水声 发射器。 注： 处于大功率激励下的水声发射器可能产生非线性效应， 这时， 水声发射器的某些电声参数已失去标准含义。为 了实际使用的方便， 本标准中引伸使用线性状态下的定义， 但所定义的参数只对应于基波信号频率及指定的电激励级。 2 引用标准 下列标准所包含的条文， 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。 本标准出版时， 所示版本均 为有效。 所有标准都会被修订， 使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 G B / T 3 9 4 7 -1 9 9 6 声学名词术语 G B / T 3 2 2 3 -1 9 9 4 声学水声换能器自由场校准方法 G B / T 7 9 6 5 -2 0 0 2 声学水声换能器测量 3 基本电声参数表 水声发射器基本电声参数见表 1 0 表 1 下厂 中华人民共和国国家质f监督检验检疫总局 2 0 0 2 - 0 3 - 2 6 批准2 0 0 2 - 1 2 - 0 1 实施 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 c s / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 表 1 （ 完） 止 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G s / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 4 测且原理 4 . 1 等效电阻抗一与 等效电导纳 根据定义， 发射器的等效电阻抗 z ： 可直接由瞬时激励电 压 U T 与瞬时激励电流i T 用式（ 1 求得： ，U T U T I 、 乙T一】 ， e 2 睁 ” 曲 ” ” 甲 l 1 少 I T I I T 用电压瞬时取样电压u ， 与电流瞬时取样电压 u ， 代替（ 1 7 式中的U T 与i T 后， 得 u， I CU二 C z 二 二 I - -e j v - -e ) p z 。 ， 。 （ 2） 一 u , I C V 一 U , C v t 1 , .C； I Z T 若 子 云 二 ， ， 。 ， 。 （3） 一， IU , C v 式中： U V 发射器激励电压的取样电压， V; U , 一 发射器激励电流的取样电压， V; I P 7 - - U 二 相对于u ， 的相位差， 即发射器等效电阻抗幅角， （ ） ； C v 一 一电压取样系数； C ，一 电流取样系数, V / A . 根据发射器等效电导纳的定义， 同样有； t 1 ， C Y T二 矛 -e i v y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ” 一 （ 4） U v C ， 、 一 U， C Y , I 矛 升“ “ ” ， ， ， ” （ 5 ） Uv C, 式中： IP Y -u ， 相对于 U V 的相位差， 即发射器等效电导纳幅角， （ 。 ） 。 注 1 在本标准中， 当 不加说明 时电压与电 流均为有效值， 用大写英文字母表示。 对于电压与电 流的瞬时值则用瞬时电 压、 瞬时电流说明， 用小写英文字母表示。 2 发射器等效电阻抗与其所处声场及其环境 （ 静压、 温度等） 和电负载（ 连接电缆的长度） 等条件有关， 故在给出发 射器等效电阻抗时应同时指明这些条件。 4 . 2 输入电功率 发射器输人电功率可直接由式（ 6 ) 计算： U， ， U Wr U T 几 C O S T 二于 兴 子 COS T“ “ 一 （ 6 ） 一 ： 一 二C v c , 式中： 乙 几 发射器激励电压， V; 几一发射器激励电流， A; T- 发射器瞬时激励电压与瞬时激励电流间相位差， （ 。 ） 。 输人电功率也可通过等效电阻抗或电导纳的预先测量由式（ 7 ) 或式（ 8 ) 计算； I U 2 W， 二 于 一 G 二 p ， ， 。 （ 7） （ C , , 一 r U. 1 “ We 升 R T S “ “ 一 （8） （ C ， ）一 “ “ 式中： G T P 等效电导纳的实数部分， S ; R T s 等效电阻抗的实数部分， 0 。 4 . 3 发送响应 4 . 3 . 1 发送电压响应 级 发射器发送电压响应的测量方法同于G B / T 3 2 2 3 -1 9 9 4 中的 5 . 3 条。 发送电压响应与发送电 压响 应级分别由式（ 9 ) 与（ 1 0 ) 计算： 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 U。 C v d S “ 二 斗 毛 二 竺 头 （ 9） 一 “UV M U S , , 2 0 1 8云 望 2 0 1 g C 2 0 1 g d一 M （1 0） 一F“ 一。U一 匕 一丫 一 0 一 式 中： U ， 标准水听器的开路 电压 ， V； d 发射器与标准水听器声中心间的距离， m； M标准水听器的自 由场电压灵敏度， V / P a ; M标准水听器的自 由场电压灵敏度级， d B （ 基准值： 1 V 扭P a ) o 4 . 3 . 2 发送电流响应 级 发射器发送电流响应 的测量方法同于GB / T 3 2 2 3 -1 9 9 4 中的 5 2 条。 发送 电流响应与发送电流响 应级分别由 式（ 1 1 ) 和式（ 1 2 ) 计算： U C，d 5； 二 拱 二 二 诀 （1 1） 一 ，v l 材 U S , 2 0 1 8孚 瑞 圣十 2 o i g C , 2 0 1 g d一M （1 2） 一 “ 一乙U, “ 一0 一 ”一 。 一一 一一 4 . 3 . 3 发送功率响应 级 发射器的发送功率响应及发送功率响应级， 可根据定义通过电功率和指定方向上远场声压的测量 分别由 式（ 1 3 ) 和式（ 1 4 ) 计算： UL d, S 三 子 写 去 。 （1 3） 一 即 w 洲 S , 一2 0 1 g U - 2 0 1 g d一M 一i o l g we （ 1 4） 式中 ： We 发射器的输人电功率 ， Wo 发送功率响应与发送功率响应级也可通过发送电压或（ 和） 电流响应及等效电阻抗或电导纳测量数 据由式（ 1 5 ） 与式（ 1 6 ） 导出： 5 荟 S 2S 2S v S S 于 拼 妥二二 止 （1 5） 一 即G T P R T S C O S T S W = S ， 一1 0 1 g G T P S ， 一 l 0 1g R T s （ 1 6 ） S , S , “ 止 六二 一 l O l g C O S T 2 一。， 4 . 4 指向性图案、 指 向性 因数和指 向性指数 工作在线性状态下的发射器指向 性图案通常不随激励功率而变化， 但当激励功率大到一定程度时， 指向 性图案可能要发生变化。 因此， 必须在实际的功率与信号状态下测量基波信号的指向 性图。 指向性 图案的测量， 按G B / T 7 9 6 5 实行。 指向性因数与指向性指数由实测得的指向 性图计算， 计算方法见 G B / T 7 9 6 5 。如果在大功率状态 下测得的指向性图 仍具有对称性， 则也可用G B / T 7 9 6 5 规定的方法计算。 4 . 5 发射器声源级 用标准水听器在远场指定方向上测量离发射器有效声中心d ( m） 处的声压 p d ( P a ) ， 则由式（ 1 7 ) 计 算发射器此时的声源级 ： L s , =2 0 1 g p d 2 0 l g d1 2 0 （ 1 7 ） =L , 2 0 1 g d 式中： L p - - d ( m） 处的声压级， d B （ 基准值： 1 ti P a ) o 4 . 6 辐射声功率 用标准水听器在远场中指定方向上（ 通常为声轴方向） 测量离发射器有效声中心 d ( m） 处声压 九 ( P a ) ， 则由式（ 1 8 ) 和（ 1 9 ) 分别计算发射器的辐射声功率和辐射声功率级： 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 4 7 cd p , w。 二 二 一 瑞二 。 （1 8） P c R , L w 。 二L ， 一D , Z O l g d一5 0 . 7 =L s p 一D ： 一5 0 . 7 ” ， ， “ （ 1 9 ） 式中： R ， 一 发射器的指向性因数（ 以声压测量方向为参考方向） ； D ,发射器的指向性指数（ 以声压测量方向为参考方向） , d B ; P 水的密度, k g / m ; 。 水中 声速， m / s , 式（ 1 9 ） 中取 2 0 C 时的P , 。 值， 即p - 9 8 8 k g / m , 。 二1 4 8 2 m / s 。 在 1 0 0C -3 0 C 范围内P C 的误差不超 过士0 . 1 d B . 4 . 7 电声效率 发射器的电 声效率可直接根据定义通过输人电功率 w， 和辐射声功率w： 的测量由式（ 2 0 ） 导出： w 叭。 舒x 1 0 0 （2 0） W。 工 一， 。 也可用相应的发送响应值分别由式（ 2 1 ) , ( 2 2 ） 和（ 2 3 ） 导出： 4 n S v 71 - 一 育诺一 x 1 0 0 ， 。 。 ， 。 （2 1） 产R 石：， 1 一 。 4 兀 S4 从。 “ 于 下 犷 ； 玉 x 1 0 0 。 （2 2） 声 R e R t sP 1 一， 。 4 n S w 。 ， 从。 于 后X 1 0 0 ， （2 3） p c R e 、 一， U 4 . 8 非线性 当发射器的激励功率大到一定程度时， 由于发射器介电性能、 机电转换性能与动态力学性能等的非 线性以及由 空化引起的声学性能的非线性， 其电输人级与声输出级之间将偏离线性关系。 详细描述见附 录 A 和附录 B o 测量发射器的非线性时， 在确定的试验环境与信号参数下， 从小到大增加激励电 压级（ 或电流级） 或 电功率级， 同时测量其值及对应的声源级， 然后， 以 声源级为纵坐标， 激励电压级（ 或电流级） 或电功率级 为横坐标， 用线性刻度画关系曲线， 如图 1 所示。 在理想的线性工作状态下， 这些曲线应是具有某一斜率 的直线， 当出现非线性时， 此曲线通常将偏离直线向下弯曲。图1 ( a ) 是以电 压为电输人量， 图 1 ( b ） 是以 电功率为电输人量。 通常， 以电压（ 或电流） 作为发射器电输人量时而得到的非线性关系不同于电功率为 电输入量时而得到的非线性关系。 因此， 在上述两种关系中应选取非线性效应更为明显的一个作为发射 器非线性的量度。但在特定情况下， 也可根据实际需要选取两者之一作为非线性 的量度 。 195190日 平 干 月195190x 阵 开千 月 沈, QC 卜 一小 一 J一 _I 仁 一一书 司认, Q C 卜 一 日巨 舀一一 林一二 一 刁 屯 岁11i I！i山I i i I I i i 山I II！I夕！X！I I “ 170 1 II170 I 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 L v / d B( 基准 值： 1 V) L W / d B（ 基准 值： 1 W) ( a ) ( b ) 图 1 发射器的声输出量与电输人量间的 关系图 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 因非线性的出现与信号参数（ 频率、 脉冲宽度与周期） 及工作环境 （ 温度、 水深与水质） 等有关， 所以 在给出非线性试验结果时， 需 同时说明试验环境及所用的信号参数 。 注： 通常， 工作在非线性状态下的发射器发送声压波形要发生畸变， 因此， 有时也可用声压波形的畸变系数的变化 来量度发射器的非线性。关于畸变系数的定义及测量方法见附录 c 。用此方法进行非线性量度时， 需区别并排 除由于发射器激励信号波形的畸形、 声压测量系统（ 包括水听器、 测量放大器及滤波器等） 的过载而引起的 畸变。 4 . 9 最大响应频率与响应宽度 测量发射器在恒定激励 电压下的发送电压响应频率特性曲线 ， 或在恒定激励 电流下 的发送 电流响 应频率特性 曲线 。 频率特性曲线中 对应于最大响应值的频率即为最大响应频率几 。并求得比 最大响应值低 3 d B的 响应所对应的上下两个频率 f z 与f , ， 则由式（ 2 4 ) 求算响应带宽： 叮 f , 一f , （ 2 4 ） 4 . 1 0 过载声压级 用 4 . 8 条所规定的方法画出发射器声源级与激励电压级（ 或电流级） 之间的关系曲线 ， 及声源级与 激励电功率级之间的 关系曲线。 求定它们各自 与理想的线性关系偏离某一规定值（ 通常取 1 d B ） 时的声 源级， 取其中 较小的一个声源级为发射器的 过载声压级L , M o 在给出过载声压级时 ， 必须说明此规定偏离值 、 工作环境及信号参数。 如果引起过载的原因已明确 ， 则也应说明之。 注： 在实际使用中， 也可根据发射器的工作原理、 用途及使用条件规定与理想的线性关系最大允许偏离值。 4 . 1 1 功率容量 根据定义， 在一般情况下， 与发射器过载声压级所对应的输人电功率即为发射器的功率容量。 但在 某些情况下， 也可以用最大可允许的发射器内部温度升高程度、 磁饱和程度及绝缘性等作为确定功率容 量的判据。 在给出功率容量时， 必须说明用于确定功率容量的判据 、 工作环境及信号参数 。 5 测f条件 5 . 1 信号参数及环境条件 测量时所用的激励电压（ 电流或电功率） 、 脉冲宽度与脉冲周期等信号参数 ， 以及工作深度、 水质与 水温等环境条件必须与被测发射器的实际工作状态或预定的试验状态相一致。 不能无依据地把发射器 在小功率激励下的测量结果推至大功率下的特性 。 在一般大功率测量情况下， 不能用脉冲信号状态下的 测量结果代替连续信号状态下的特性 ， 或反之 。 在给出测量结果的同时 ， 必须说明可能会影响测量结果的信号参数与环境条件。 注： 测量深水工作的发射器时可用高静水压消声水池或高压透声容器模拟深水工作条件。 5 . 2 声场条件 本标准中的所有测量都必须在 自由场条件下进行 。要求实际声场与理想的 自由场间的偏离不超过 士1 . 0 d B 。当在脉冲信号状态下测量时， 必须至少有两周稳态声信号。 关于声场检验、 有效声中心和测量距离的确定按照G B / T 3 2 2 3 和G B / T 7 9 6 5 有关条款所规定的 实行 。 5 . 3 测量前换能器的准备 发射器和测量水听器的清洗、 浸泡及正确的吊放、 安装等准备工作按照G B / T 7 9 6 5 和 G B / T 3 2 2 3 中有关条款所规定的进行 。 5 . 4 基本测量设备 5 . 4 . 1 功率源 在进行本标准所规定的各项测量工作中， 都必须使用具有相当功率容量的功率源口 功率源可以是专 用的发射机， 也可以 是通用的信号源加功率放大器。它们的频率范围、 输出信号形式、 动态范围、 输出阻 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 抗、 输出电 压（ 或电流） 和输出功率及输出信号波形失真等都应满足测试孺求。 5 . 4 . 2 电 压信号采集与测量仪器 发射器在大功率下电声特性的测量最终都归结为对不同 来源的电压信号采集和测量。 因此， 电压信 号的采集和测量仪器是最主要的测量设备， 在进行本标准所规定的 各项测量工作中其主要功能是测量 电压值或电压及其相位角。 这类仪器可以是数字电压表、 相位计或复频响分析仪等频域测量仪器， 也可 以是数字采样示波器、 波形采集器等时域测量仪器。 无论用哪种仪器， 其频率范围和测量动态范围都必 须满足测量要求， 并且电压值测量不确定度应不大于 2 0 0 ， 相位角测量不确定度应不大于 1 0 0 5 . 4 . 3 滤波器和放大器 在大功率激励状态下， 尤其是在非线性范围内工作时， 信号波形将发生畸变。为了 正确测量对应于 基波信号的参数， 在电 压、 电流及声压的测量系统中必须选用适合基波信号的 滤波器。 为了提高测量的 信噪比， 一般情况还需要使用测量放大器。 滤波器和测量放大器的综合带宽及选择性应使通过的总谐波 信号至少比 基波信号低 4 0 d B ， 但当测量脉冲信号时， 其带宽应不小于脉冲宽度倒数的二倍。 滤波器和 放大器系统增益的最大允许误差不超过士0 . 2 d B , 5 . 4 . 4 水听器 测量用水听器的频率范围、 自由 场电压灵敏度值和动态范围 应满足测量要求， 尤其应注意保证其工 作在线性范围。水听器自由 场电压灵敏度值的测量（ 扩展） 不确定度应不大于 0 . 7 d B （ 包含因子k =2 ) o 5 5 其它条件 需注意整个测量系统的正确接地与屏蔽， 以确保同频率干扰电压及其谐波干扰电压至少比 被测信 号电压低3 0 d B , 6 测方法 按照本标准第 4 章中 规定的各电声参数的测量方法， 需要直接测量的量是发射器激励电压U T 、 激 励电流I T 、 它们之间的 相位角 p 及指定方向上（ 通常为声轴方向） 远场中距离d处的 声压P d 等四个量或 其中几个量。因此， 正确选择这四 个量的测量方法非常重要。 6 . 1 电压和电流取样 为了 使在大功率激励下能用常规的测量仪器安全、 准确地测量发射器激励电压和电流幅值与两者 间相位差， 必须首先用下述方法对电压与电 流信号进行取样。 6 . 1 . 1 电压取样 可供选择的电压取样方法有两种（ 首选分压器法） ； a ) 分压器法： 将取样用的分压器与发射器的输人端并联， 如图2 所示。 分压器输出电压即为取样 电压： U VKU TGU T 。 “ （ 2 5） 式中： u v 取样瞬时电压 ， V; UT一 一 发射器的瞬时激励电压， V ; K分压器的分压比； C v 电压取样系数（ C v =K) e 要求分压器的输人阻抗至少比发射器阻抗高 1 0 0 倍， 输出阻抗应低于电压测量系统的输人阻抗的 1 八0 0 , K值的不确定度应不大于 2 0 o ， 分压器的相位失真应不超过士1 0 0 b ) 电流变换器法： 如图3 所示， 在发射器的输人端并联一个高值标准电阻。 用电流变换器对瞬时电 流 Z R 取样 ， 则其瞬时激励电压 U T 的取样值 U V 可由式 （ 2 6 ） 求得： n。 UV万UT t , y uT “ “ ” 又艺 6 少 式中： ， 电流变换器的灵敏度， V / A; 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 R v 高值电阻值 ， n； C ： 一一 电压取样系数（ C v =n / R v ) o 巨 习 图 2 电压取样的分压器法原理图 UT iRTRv Uy 图 3 电压取样的电流变换器法原理图 要求 R ： 值至少比 发射器阻抗大 1 0 0 倍。 R 、 值的 不确定度应不大于 l o on 值的不确定度应不大于 1 . 5 0 o ； 电流变换器的相位偏移应不超过士1 0 o 6 . 1 . 2 电流取样 可供选择的电流取样方法有两种 （ 首选电流变换器法） ： a ） 电流变换器法： 在功率源输出端的高端或低端的任何处接人一电流变换器， 如图4 所示， 则由式 ( 2 7 ） 可求得的取样电压u , : u 1 n t T C , i T （ 2 7） 式中： i T 流人发射器的瞬时电流， A; n 电流变换器的灵敏度 ， V/ A; C , 电流取样系数（ C , =n ) o 口 - U;iT 图 4 电流取样的电流变换器法原理图 要求电流变换器灵敏度值的不确定度不大于 1 . 5 %， 其相位偏移不超过士1 0 0 用此取样法， 不受发射器及功率源接地状态的限制 。 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 c B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 b ） 小电阻取样法： 将一取样用的标准小值电阻串接在发射器的低端， 一与 功率源的连接方式视功率 源与发射器的接地状态而定 。 百功 己 1、 飞厂弓 J J发功、！ C户 ， 发 二率 1二一 ，长 1 户” 1， 二 射率 全口1 仁 射 二源品三 二、 1 厂， 二 ， Ri 书 万气 R; ( a ) ( b ) ( c 图 5 电流取样的小电阻法原理图 当发射器可不接地而功率源必须接地时， 应如图5 ( a ） 所示那样连接， 此时瞬时电流信号的取样电 压应由式（ 2 8 ） 求得： u , R . = ,“C , Z ? 。 （ 2 8） 式中： R ;-精密标准小电阻, n o 当发射器必须接地而功率源可不接地时， 应如图 5 ( b ) 所示那样连接， 则此时的瞬时电流信号的取 样电 压应由式（ 2 9 ） 求得： u , =一R ; , , . C , 奸 一 （ 2 9） 当发射器与功率源都必须接地时， 则应如图5 ( c ） 所示那样， 在发射器与功率源之间插人一隔离变 压器， 这时瞬时电流信号的取样电压同样由 式（ 2 9 ） 求得。 要求电流取样用的标准小电阻应是纯阻性的， 其阻值尽可能地小， 通常应不大于发射器阻抗的 1 / 1 0 0 ， 电阻值的不确定度应不大于 2 %。 小电阻还应有足够高的功率容量， 由 于发热而引起阻值的变化 应不超过士2 . 6 ， 2 比较测量 比 较测量技术以 模拟测量为基础， 测量方框图见图6 , 双通道频率合成器的通道 1 输出的连续正弦 信号通过脉冲 调制器调制成脉冲正弦信号并经功率放大后激励发射器发射声波。频率合成器的通道 2 输出同频率的 正弦信号， 既作为激励电压与激励电流的参考信号又作为水听器开路电压的参考信号， 先 后分别输人到差分放大器和接收指示系统（ 包括测量放大器、 滤波器、 示波器） 。 当 测量激励电压时， 电压 取样电压信号馈人差分放大器， 并通过频率合成器调节参考信号（ 通道 2 输出信号） 的幅值和相对于通 道 1 输出信号相位， 直到在示波器上观察到脉冲稳态部分的波形消失为止（ 此时， 参考信号电压与 取样 电压幅度相等， 相位相反） 。 在频率合成器上读取参考信号电压U 、 和相对于通道 1 输出信号的相位分 （ 参考信号电压也可用另外的数字电压表读取） 。当测量激励电流时， 电流取样电压信号馈人差分放大 器， 同 样用与参考信号相比 较的办法读取电 压 U ， 和相位 0r 。则可求得发射器激励电压与电流间的相位 差 P = 9 1 v 一9P 1 = z 一一 T 丫 。 当测量发射器的声轴方向远场声压时， 把测量水听器固定于发射器声轴方向远场中离其声中心d 距离处， d的测量不确定度应不大于 2 0 o 。 水听器在声压作用下产生开路电压信号。 此信号与频率合成 器来的参考信号先后馈人同一测量放大器和滤波器， 并用同 一示波器显示波形。 调节参考信号的幅度， 使与水听器开路电压信号中直达脉冲 稳态部分的幅度相等， 读取参考信号电 压值， 即为U - o 要求测量系统的幅度调节分辨力优于 0 . 1 d B ， 相位调节分辨力优于 1 0 a 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 廿 图 s 比 较测量法的方框图 亡 图 7 直接测量法的方框 图 6 . 3 直接测量 直接测量方法以数字测量为基础， 测量方框图见图7 。 程控信号源在计算机控制下输出所需频率的 连续正弦信号， 由 脉冲 调制器调制成脉冲正弦信号并经功率放大后激励发射器。 发射器发射声波， 位于 其声轴方向远场 中d距离处的水听器接收声波产生开路电压 U - 。 它与来 自电压电流取样器的电压取样 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 - - - 2 0 0 2 电压U V 和电流取样电压u ， 一起输人程控开关。在计算机控制下它们先后分别通过放大和滤波器后由 数字信号采集器采样。 为了求得 U V 与u ， 间的相位， 数字信号采集器的 通道 2 在分别采集u 二 与u ， 的同 时通道 1 还同步采集程控信号源输出的连续正弦信号。数字信号采集器采得的各种波形数据通过通用 接口 传送至计算机。由 计算机进行单点 D F T计算， 进而求定各测量频率点处的u v . u t , T 和U, e 要求数字信号采集器的A / D变换位数不小于 8 b it ,建议采样频率不低于测量频率的2 0 倍， D F T 运算窗宽度不小于信号周期的两倍并应尽可能宽。 了 测t不确定度 在满足本标准中所规定的测量条件及各项要求的情况下， 各电声参数的测量值可望有如下的扩展 不确定度（ 包含因子k =2 ， 置信水平 9 5 ) : a ) 等效电阻抗与电 导纳模值的测量不确定度为5 Y， 幅角的测量不确定度为 3 0 ; b ) 输人电功率值的测量不确定度为 7 0 ; 。 ） 发送电压响应与发送电流响应的测量不确定度为 1 . 3 d B ; d ） 发送功率响应的测量不确定度为 1 . 5 d B ; e ） 声源级的测量不确定度为 1 . 3 d B ; f ) 辐射声功率的测量不确定度为2 3 Y o ; 9 ） 电声效率的测量不确定度为2 5 0 0 0 最大响应频率及响应带宽的不确定度除决定于测量频率误差和发送响应频率曲 线的测量误差外， 还与具体发射器的 发送响应曲线的形状有关。 过载声压和功率容量判断值的不确定度与发射器的声源级和输人电 功率的测量不确定度有关， 但 更重要的 是决定于具体发射器的非线性状态和稳定性。 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 附录A （ 提示的附录） 水声发射器在大功率状态下的非线性与过载 A 1 在强电场（ 或强磁场） 的 作用下， 换能器振动元件的介电性能（ 或导磁性能） 将会随激励电压（ 或电 流） 而变化， 即 表现出电容量（ 或电感量） 的变化及介电 损耗（ 或磁滞损耗） 的增大； 在大振动幅度下， 元件 的弹性参数（ 杨氏模量、 机械损耗） 有可能随应变而变化， 即表现出谐振频率及机械品质因数的降低； 在 高电压（ 或大电流） 激励下， 有可能出现应变与电 场（ 或磁场） 强度的非线性关系， 即 机电 转换系数随电压 （ 或电流） 而变化； 还有， 组成换能器的其他无源元件的机械参数（ 弹性、 损耗等） 也可能会随振动幅度而 变化； 另外， 在大功率激励下， 由各种损耗所产生的大量热能致使换能器元件温度升高， 引起性能变化； 尤其严重的是当换能器在大功率下工作时， 由于辐射面上产生空化而引起换能器辐射阻抗的严重变化 与不稳定（ 关于空化的产生与判别见附录B ) 。因此， 当激励功率大到一定程度时， 换能器的输人量与输 出量间的线性关系将遭到破坏 。 A 2 为了有效地、 正确地使用大功率水声发射器， 必须预先通过测定其声输出量与电输人量间的关系 来检查非线性。 并由此确定在一定工作环境与信号参数下的线性范围， 也可定量给出在工作范围内的非 线性大小 。 通常， 发射器的 声输出量为声源级， 电输入量为电压（ 电流） 级或电功率级。因 此， 由电压（ 电流） 级 声源级及电功率级一 声源级间的关系中都可得到发射器非线性大小的 量度， 但由于发射器阻抗随电激励 级而变化 ， 用这两种关 系得 到的非线性程度往往是不一致 的。 所谓“ 线性” 是有明确含 义的； 即在用直角坐标与线性刻度绘制的声输出量与电输人量的关系曲线 上， 其直线部分是线性区， 而其他部分即属非线性区。 在非线性区内， 发射器的发射声信号波形往往要产生畸变， 而且非线性越严重， 畸变就越大。因此， 通过对换能器发送声压波形畸变系数的测量也可以检查非线性的大小， 但由畸变系数确定的线性范围 没有像 由声输出量与电输人量间的关系曲线所确定的线性范 围那样明确。 A 3 当大功率水声发射器的发送声压级超过某一量值时， 就不符合正常使用要求， 此声压级称为发射 器的过载声压级。 一般来讲， 造成过载的主要原因是发射器的非线性。因此， 可由 发射器电 输人量与声 输出量间的关系曲线 ， 以偏离线性关系某一规定值作为判据 ， 来确定过载声压级 。 不同的使用要求， 可有 不同的判据， 例如， 对于需严格工作在线性范围内的标准声源或互易换能器， 应以开始出现非线性作为 判据； 对于其他发送水中声信号用的发射器， 则可以 偏离线性关系 1 d B -3 d B 作为判据。 附录B （ 提示的附录） 水声发射器在大功率状态下的空化现象 B 1 由于液体中溶解有空气， 并且不同程度地存在空化核， 当水声发射器的发射声功率大到一定程度 时， 致使声波负半周的瞬时声压使液体中产生空泡或气泡 ， 形成“ 声空化” 。 这时媒质的特性阻抗下降， 引 起发射器辐射阻抗的明显变化。另外， 由于空化， 气泡作非线性振荡， 并且在正半周瞬时声压作用下， 有 些气泡被压破形成脉 冲式 冲击波产生噪声。 因此 ， 当发生空化时 ， 发射器的发送声压波形发生畸变， 发射 器电输人量与声输出量间的线性关系遭到破坏 ， 辐射声功率下降。 空化是限制大功率水声发射器发送功 率的重要因素 ， 在一般情况下， 它又是引起浅水工作的发射器非线性与过载的首要原 因。 通常 ， 用空化阂定量表示空化的起始级。空化阑用峰值声压 （ P a ） 表示， 也可用平面波声强（ W / m ) 来表示。 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 免费标准下载网( w w w . f r e e b z . n e t ) 无需注册 即可下载 G B / T 7 9 6 7 -2 0 0 2 B 2 影响发射器空化的因素众多。 不同性质的液体有不同的空化阑； 同种液体的空化闭又与它的温度、 含气量、 含杂质程度、 静压等有关； 即使在以上条件都相同的情况下， 空化闭还随工作频率与信号形式 （ 连续或脉冲， 脉冲宽度及重复频率） 而变化。 另外， 换能器或基阵工作面 表面状态和振幅分布的均匀程 度也影响着空化阑。 在同一种液体中， 增加发射器的工作深度、 减小脉冲宽度、 提高工作频率都能有效地提高空化阐。 B 3 判别空化的发生通常用如下三种方法： B 3 . 1 观察发射声信号波形的变化 当发射器的激励级逐渐增加， 在观察到声信号波形开始发生畸变时， 则马上增加发射器的工作深度 （ 当用高压容器模拟时， 可增加容器中静压） 。如果波形畸变消失， 而再回到原来深度上时， 波形又复畸 变， 则表明在此深度上空化已发生。 B 3 . 2 根据声压与激励电压（ 或电流） 间的非线性关系确定 在已知发射器本身的机电 性能处于线性工作状态及测量水听器工作在线性范围的情况下， 如测得 水听器的开路电压U - 与发射器的激励电压U T （ 或电流I T ） 间的关系偏离线性关系时（ 如图B I 所示） ， 表 示开始出现空化 。但在拐点 A之前为弱空化， 之后为严重空化 。 B 3 . 3 通过测定声信号波形的谐波分量或畸变系数来确定 在已知发射器的机电性能及测量水听器处于线性工作状态并激励电信号无畸变的情况下， 用频率 分析仪或窄带滤波器测量发射器发送声压波形的基波及各谐波分量， 并计算畸变系数D （ 见附录C ) 。 当 谐波分量显著增强， 增多（ 畸变系数显著增大） ，