GBT 7965-2002 声学 水声换能器测量

01u 67中华人民共和国国家标准 7965of B/T 7965。工1范围. ，“4，1“，一13定义.。，14基本电声参数。15坐标系和数据表示法。，.。量条件及准备，.37自由场灵敏度和发送电流响应的互易法测量. 48自由场灵敏度的比较法测量. 79声压灵敏度的测量，。8I。发送响应级的比较法测量。，.8.，4.，812水听器相位一致性测量.，.913换能器阻抗和导纳的测量，.914指向性图案、波束宽度和最大旁瓣级的测定，1215指向性因数和指向性指数的确定。，一1316输人电功率的测量. 1517辐射声功率的测量，.1718电声效率的测量。.1919换能器带宽和机械品质因数的测量。. 20附录A(标准的附录)常用换能器的声场邻近区判据. 22附录B(提示的附录)有关噪声场法测量的问题.一23附录C(标准的附录)柱面波自由场互易常数中7。的数值表。. 23附录D(标准的附录)指向性因数、指向性指数的计算图表及公式。24附录E(提示的附录)参考文献，.”，.，-，26r 7965 7965学水声换能器测量分为两个方面:基本电声参数;测量方法。本标准根据我国水声计量测试发展的现状，对 7965学水声换能器测量进行了修订，技术内容有所增加。本版与 7965对换能器阻抗和导纳的测量、输人电功率测量、机械谐振频率测量、换能器带宽测量、机械品质因数测量和指向性图的测量计算进行了修改;增加了声强法测量声功率的方法;增加了相位一致性测量方法和加速度灵敏度测量的标题。本标准自实施之日起，代替 7965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。本标准负责起草单位:中国船舶工业集团公司国营第七一二厂、中国科学院声学所、中国船舶重工集团公司国营第六一二厂、中国船舶重工集团公司第七研究院第七一五所、哈尔滨工程大学水声所本标准主要起草人:郑进鸿、宋受锰、张丽英、郑士杰、田忠仁、薛耀泉、朱厚卿。中华人民共和国国家标准 7965 7965of 算和表示方法。本标准适用的频率范围为1 标准所规定的测量方法也适用于一般基阵。大功率下的某些参数应按 7967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。 3223 376963:1975) 3947 412800:1974) 4130学水听器低频校准方法 7967 16165 17251 3947中的定义。4基本电声参数基本电声参数的名称、符号、单位、测量和计算方法、适用的频率范围以及测量的不确定度见表表1基本电声参数参数符号单位测量及计算方法频率范围测量不确足度自由场仁电压灵敏度自由场仁电压灵敏度级准值:1 V/面波自由场互易法柱面波自由场互易法球面波自由场比较法柱面波自由场比较法噪声均匀场比较法100 0 0 5 5 M,M,V/准值:1动液柱法密闭腔比较法10 0 7965)参数符号单位测量及计算方法频率范围测量不确定度水听器相位一致性Y()或续波脉冲波200 水听器加速度灵敏度水听器加速度灵敏度级习五s/准值:1 Vs/m)标准加速度计法激光测振仪法10 00 6 ;:Pam/准值:1 m/A)比较法100 0 送功率响应发送功率响应级m/准值:1 m/V)m /准值:1 m/W)比较法100 5 5 5 5 %指向性函数波束宽度最大旁瓣级D(0,9)2000 100/2%8%辐射声功率00 阻)法500 谐振频率上)3215%机械谐振频率机械品质因数阻)法100 10%发射响应带宽接收响应带宽叮图1，坐标的原点放在换能器的有效声中心上，以该点为测量距离的起点。测量指向性图时，换能器绕通过该点的某一轴旋转一般换能器在此坐标系中的取向应符合如下规定:a)对换能器的工作位置来讲，正0)是向上的方向;b)正X轴(c 20(，其数值可由附录C(标准的附录)中表 听器和互易换能器的自由场灵敏度级,准值;1 S;F, S;H水声发射器和互易换能器的发送电流响应级,准值:1 )与换能器直径/波长比有关，但只要检查声场符合柱面波声场规律，则满足使用条件。柱面波自由场互易法的频率范围大致在200 测量不确定度如果标准衰减器的精确度优于0. 2 电压测量的不确定度不大于2%,距离测量的不确定度不大于1%，取样电阻的精确度优于100，那么柱面波自由场互易法测量的扩展不确定度(U)为1. 0 k)等于2, 3223果应符合表1的要求。F)和一个线形的标准水听器(J)，要求标准水听器的长度与待测换能器(X)的长度相同，最好是同类换能器。比较测量时，可以用同一个电压表直接测量两个换能器可以用标准衰减器分别测出它们的转移电阻抗如果换能器待测换能器的自由场灵敏度和自由场灵敏度级按公式(15),(16)计算:X ,+(a,一:;:分别为待测换能器;,一分别为待测换能器;分别为被测换能器,准值:1 射器听器移电阻抗衰减器读数，:如果标准水听器和待测换能器的长度不同，只要都在柱面波区域内的相同位置上进行比较，则公式15)和(16)仍然适用如果换能器)激发的柱面波场中不同距离处进行比较，则待测换能器的自由场灵敏度和自由场灵敏度级按公式(17),(18)计算:, X (,)(dx/d,)(17),+(a,+(101)(18)式中:dx,别是水声发射器到待测换能器和标准水听器中心之间的距离，2 电压测量的不确定度不大于20a，取样电阻的精确度优于100，距离测量的不确定度不大于100，那么柱面波自由场比较法测量的扩展不确定度(U)为1. 5 含因子(k)等于2均匀性不超过士1. 0 ，与尺寸相同 7965声压均匀区应大于待测换能器的尺寸。如果待测换能器的尺寸与标准水听器的尺寸不同，或者其尺寸不是远小于水中波长时，在噪声场中比较测量，会因它们的衍射常数及指向性图案的不同，引起较大的测量误差。噪声场比较法的测量方法同8. 2，对噪声信号类型、仪器及水声发射器选择的要求见附录取三次以上的测量数据的平均值噪声场比较法适用的频率范围一般为100 量的扩展不确定度(U)为2. 0 含因子(k)等于21, 4130果应符合表1的要求。频率范围10果应符合表1的要求。频率范围10 的比较法m9 口的比较法按 送电流响应和发送电流响应级分别按公式(19)和(20)计算，结果应符合表1的要求。S,=(x) X (d/M)。，(19)S,=201g ( x )+201(20)式中:以、测量水听器开路电压，V;过被测换能器的电流,A;m; V/ ,准值:1比较法按 送电压响应级习分别按公式(21)和(22)计算，结果应符合表1的要求。一/X (d/M)，(21)01g (x)+201。，(22)式中:送电压响应， m/V;加在被测换能器两端的电压，V;送电压响应级,准值:1 m/V),的比较法按 7967有关规定的方法进行，发送功率响应级分别按公式 z;，向发射器包面的外法线方向，m;P声场介质的密度，kg/m%根据扫描面上测点声强分布，可以得到辐射声功率，计算按公式(54)或(55);w。一井I,(r)ds(r)W,艺N;I, 日日浏苗艺问式中:八一“元面上J=1,2,点上的声强测量值，W/M;面上据发射器工作频率设定声强探头两水听器间距r,0;线列阵声强探头之间间距)距约1/5l。当线阵到达测点稳定后，进行声压的测量;将放大之后输出电压U, l ，利用声强测量计算软件作互谱运算，根据公式(53)得到测量面上溅点法向声强值。最后利用公式(54)或(55)计算得到辐射声功率。量2 r/条件下，水声声强扩张不确定度(U)为1. 48 含因子(k)等于2018 16规定的方法测量它的输入电功率，电声效率按公式(56)计算。/。(56)式中:7-电声效率;W,辐射声功率，W;W。一一输人电功率，辐射声功率的测量不确定度不大于30，则直接法测量电声效率的测量不确定度应不大于32%电导(电阻)以在它的谐振频率附近等效为集总参数形式的单振荡回路，在谐振频率上，动生导纳(或阻抗)的虚部为零。因此，可通过实测换能器在空气中和水中的电导曲线(或电阻曲线)欠上,N,分别是换能器在水中和空气中时测得的电导曲线。上是介电损耗线，过电导曲线最高点,，分别交N,于:a)换能器的机电效率按公式(57)计算:7-=(B) X 100%(57)式中:I/能器的机电效率;能器在水中谐振频率处的动生电导，S;能器在水中谐振频率处的电导，S,b)换能器的机声效率按公式(58)计算:(A,C,一A,C, X 。(58)式中:1-换能器的机声效率;A,C,换能器在空气中谐振频率处的动生电导，能器的电声效率按公式(59)计算:71e，一(B) X (A,A,C, X 。(59)19 按上述方法并由公式(57),(58),(59)计算效率，不过这时各参数的意义如下:磁滞损耗和涡流损耗线;能器在水中谐振频率处的动生电阻,B换能器在水中谐振频率处的电阻,G;A, B,f/阻)法测量电声效率简便迅速，但它有一定的使用条件。对于单一模式振动的简单换能器，在谐振频率工作时，这种方法是可靠的，对于多谐(或多模)换能器，或表面有一定厚度筱盖层的换能器，以及在非谐振频率时或在换能器的线性工作范围以外，本方法不适用。电阻)的测量不确定度不大于5%，则A, C 以，电导(电阻)法测量电声效率的扩展不确定度(U)为1500包含因子(k)等于2口，本方法的实际准确度还取决于换能器对这种方法适用范围的满足程度。0):Qm=fa/。(60)式中:Q。机械品质因数;械谐振频率，Hz;of=f -换能器等效带宽，械还用来描述单谐机械系统的瞬态特性。如果用一频率等于单谐系统谐振频率的脉冲正弦信号激励时，欲使系统振速达到稳态值的96%或者信号停止时欲使系统振速降到原稳态值的4%时，则需要Q，个周期的时间。电流)响应带宽、接收电压灵敏度响应带宽和电导带宽换能器在不同的工作状态，描述瞬态特性的物理过程不同，因此表征带宽的定义和数值不同。a)对于发射换能器，发射电压响应带宽定义为在恒压发射响应曲线(通常对压电换能器)中比最大响应低3 b)发射电流响应带宽定义为在恒流发射响应曲线(通常对磁致伸缩换能器)中比最大响应低3 7965c)对于接收换能器，接收电压灵敏度带宽定义为接收电压灵敏度响应曲线中比最大响应低3 丸之差;d)电导带宽定义为换能器在电导频率响应曲线上最大电导低一半的上下两个频率五与人之差。各种响应带宽和Q。值是通过测量响应曲线后，确定相应频率点计算得到。带宽测量的不确定度与带宽的宽窄有关，带宽和Q，值测量的扩展不确定度通常有50B/T 7965准的附录)常用换能器的声场邻近区判据换能器辐射声波在传播一定距离以后才能形成球面波声场，这个由近场向球面波声场转变的区域就是邻近区，它是水声发射器与水听器之间要隔开一个可容许的最小距离，这个最小距离的判据，即邻近区判据。邻近区判据是工作频率及两个换能器的形状和尺寸的函数，同时与测量精度及所测参数有关。邻近区没有截然的界限，常用换能器的声场邻近区判据如下匀圆形活塞式换能器d)r(甲:d两个换能器之间的距离，m;又水中声波波长，m;r圆形活塞半径，m。(作为圆形活塞式换能器邻近区判据，声场偏差小于0. 5 dB 他形状的活塞式换能器，(可改写为:d)S /A(中:S活塞面积，作为一般形状活塞式换能器邻近区判据，声场偏差小于0. 5 )线列或柱形换能器d)L 2/(中:L线或柱的长度，m。(作为线列或柱形换能器的邻近区判据，声场偏差小于。. 5 个不同直径的圆形活塞式换能器d)(叶+二璧)/又，。”。(A6)d)r, . ( A7)d)r,(中:r, , r,分别为两个圆形活塞的半径，场偏差小于0. 2 个长度相同的平行线列换能器d)1. 5“”“A9)d)L一(式(为两个长度相同的平行线列换能器的邻近区判据，声场偏差小于。. 5 个矩形平面换能器d)k(1十(W/2)+(L/2)/3(人了:K囚 0又取, m;r水听器宽度与水声发射器宽度的比值;22 7965分别为矩形水声发射器的宽度和长度，m,公式(为两个矩形平面换能器的邻近区判据，声场偏差大约1 示的附录)有关噪声场法测低频范围内，常因水池的消声效果减弱，而不宜采用单频连续正弦信号，或因低频时要求的脉冲宽度较宽，使直达信号与反射信号不能分开，而不宜采用脉冲法，致使自由场测量难以进行。这时可用窄带噪声信号，在所测量的区域内形成噪声均匀场，用噪声法进行测量。窄带噪声信号可用1/3倍频程带宽的或宽带的粉红噪声发送，用具有1/3倍频程带宽滤波器的接收器接收，滤波器应符合 3241的规定，其中心频率为(单位;1. 6, 2. 0, 2. 5, 4. 0, 5. 0,6. 3, 0. 0,12. 5及它们的10倍数。粉红噪声(据定义是用正比于频率的频带宽度测量时，频谱连续并且均匀的噪声，粉红噪声的功率谱密度与频率成反比。即频率每增加一个倍频程，它的平均电压下降3 使用具有合适减小读数误差。由于采用粉红噪声信号，所以，水声发射器宜采用平坦响应的发送器或压电换能器。采用窄带噪声信号测量时，只能在低于换能器谐振频率的频段内进行。带宽越窄，测量值越接近标称频率的单频值，但读数稳定性差，所以，两者需进行权衡。由于读数起伏较大，故通常需取3次以上的测量数据的平均值，以减少读数误差。附录C(标准的附录)柱面波自由场互易常数中1。的数位裹柱面波自由场互易常数按公式(算:I/L /T /(p,)(中:面波自由场互易常数，W/(m M,和S，分别取1 /A，故互易常数取10( 则以分贝表示的互易常数J。应为:01g(.) =20182 X 10-1L /(p,)习=一234+201(取20时的水密度和水中声速，即p=0. 998kg/m,c=1 482 m/s，则有:325. 69一1013)式中频率的单位为了便于使用，将此式制成计算表列于表率每增加10倍，如:当f=63时1c=一343. 7 =630 c=353. 7 7965j。数值表1一336. 5一336. 8一337. 1一337. 4一337. 2一338. 520一338. 7一338. 9一339. 1一339. 3一339. 0一341. 1一341. 640一341. 9一343. 0一343. 1一343. 2一343. 2一343. 3一343. 460一343. 5一343. 5一343. 9一343. 9一344. 3一344. 6一344. 6一344. 780一344. 8一344. 9一344. 1一345. 2一345. 3一345. 4一345. 5一345. 6一345. 6附录D(标准的附录)指向性因数、指向性指数的计算图表及公式位为度)与指向性指数的函数关系可查图小波束宽度(2)01290扣502 3 5 7 10 20 30 50 70 100戮持称握围霎又军风阳例毕阅1、习1二妻、汾蛛卜馨以嗽之幸剑巢幸,一入悦1团心冈闪队洲阅阅仄嘟(“，。侧拱用令啊加加己，翻似名杖喇2 , 5 7 10 20 30 50 70 100最大波束宽度(20-,大波束宽度是在过声轴并与矩形的短边平行的平面或包含椭圆的短轴的平面中测量的。最小波束宽度是在过声轴并与矩形长边平行的平面或包含椭圆长轴的平面中测量的。带障板的圆形活塞式换能器的一to 4 7965P摄籍划但耙20 40 60 80 100 120波束宽度(240 160 180图公式( (算指向性因数。a)均匀线列换能器:R,=9-3 . 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