0.5 MHz～5 MHz标准水听器(二换能器互易法)

JJG1070—201110.5MHz~5MHz标准水听器(二换能器互易法)检定规程本规程采用国家标准GB/T15611—1995《声学高频水听器校准》中的二换能器互易法。1范围本规程适用于在频率为0.5MHz~5MHz范围内使用的标准水听器的首次检定、后续检定和使用中的检查。2引用文献本规程引用下列文献:JJF1001—1998通用计量术语及定义JJF1034—2005声学计量名词术语及定义GB/T3102.7—1993声学的量和单位GB/T3223—1994声学水声换能器自由场校准方法GB/T3947—1996声学名词术语GB/T15611—1995声学高频水听器校准IEC62127-2:2007超声—水听器—第二部分:最高频率到40MHz的超声场校准(Ultrasonics—Hydrophones—Part2:Calibrationforultrasonicfieldsupto40MHz)使用本规程时,应注意使用上述引用文献的现行有效版本。3术语和计量单位本规程采用JJF1001—1998、JJF1034—2005、GB/T3947—1996中有关的术语和定义。本规程采用GB/T3102.7—1993中规定的量和单位。注:若没有特殊说明,本规程中所有的电压、电流、声压的量值均指有效值。3.1自易校准self-reciprocitycalibration仅利用互易换能器和一反射器进行的自由场互易校准。注:自易校准一般应用于高频水听器。3.2二换能器互易校准two-transducerreciprocitycalibration在由辅助换能器产生,并经自易校准定值的已知声场中进行水听器校准的方法。3.3表观发送电流响应apparenttransmittingcurrentresponse假定理想的平面波测量条件下,接收到的平面波声压与加到输入端电流的比值。符号:S单位:Pa·m/A3.4表观自由场[电压]灵敏度apparentfree-field[voltage]sensitivity假定理想的平面波测量条件下,水听器输出端的开路电压与在自由场中引入水听器前存在于其声中心位置处的声压之比。JJG1070—20112符号:M*单位:V/Pa3.5自由场[电压]灵敏度free-field[voltage]sensitivity水听器输出端的开路电压与在自由场中引入水听器前存在于其声中心位置处的声压之比。符号:M单位:V/Pa3.6自由场[电压]灵敏度级free-field[voltage]sensitivitylevel自由场[电压]灵敏度的量值与基准值之比的以10为底的对数乘以20。注:基准值为1V/μPa。符号:M单位:dB4概述标准水听器由压电或其他换能元件及相应结构组成,在声波作用下能产生与作用声压值成正比的开路电压值,用于检定测量水听器和测量水中声压。5计量性能要求5.1工作正常性5.1.1对不带前置放大器的标准水听器,在电缆端测得的绝缘电阻不应小于100kΩ(测试电压100V,或按照使用说明书要求),测得的电容值与使用说明书中提供的数值相差不应超过±20%。5.1.2对带前置放大器的标准水听器,当振动信号作用到水听器敏感元件时,电缆端应有相应的电压输出。5.2自由场[电压]灵敏度级标准水听器的自由场[电压]灵敏度级在参考频率处不应低于-268dB,与标称值的偏差不应超过±4.0dB(基准值:1V/μPa)。注:设定标准水听器的参考频率为1MHz。5.3自由场[电压]灵敏度级的频率响应标准水听器检定频率范围内的自由场[电压]灵敏度级与参考频率的灵敏度级相比不应超过±3.0dB。6通用技术要求6.1通用要求6.1.1标准水听器的特性和构造应适合于在液体媒质温度5℃~30℃的条件下进行测量。6.1.2标准水听器的表面应是光滑的、非多孔性的和能被液体媒质浸润的。6.2材料和结构6.2.1标准水听器暴露于液体媒质中的所有部件均应采用耐腐蚀的材料制作,其材料JJG1070—20113和结构应保证具有长期的使用稳定性。6.2.2敏感元件应有静电屏蔽,与电缆屏蔽连接,与暴露于液体媒质中的金属外壳绝缘;带前置放大器的标准水听器暴露于液体媒质中的金属外壳应与电缆的屏蔽连接。6.3标志和出厂资料6.3.1标准水听器应具有制造商的名称、产品型号和序列号等清晰且耐久的标志。外观应完好,无影响正常工作的机械损伤等。6.3.2标准水听器应附有单独的出厂资料。出厂资料应包括标准水听器自由场[电压]灵敏度级频率响应以及信号线、地线和屏蔽线的说明。带前置放大器的标准水听器还应有供电线的接线标记,并说明供电电压值;不带前置放大器的标准水听器还应有标称的电容值,使用时电缆长度应与检定时相一致。6.3.3非供操作者使用的部件,应采用密封或标记的方法加以保护,以免影响标准水听器的准确度。7计量器具控制计量器具控制包括首次检定、后续检定和使用中的检查。7.1检定条件7.1.1环境条件检定环境条件要求如下:1)室温:10℃~30℃2)液体媒质温度:5℃~30℃3)相对湿度:30%~90%7.1.2计量标准及主要配套设备如下:1)电流取样器:电流取样值的最大允许误差不应超过±2%。2)数字示波器:双通道以上,垂直偏转系数误差不超过±1.5%,采样频率至少比信号频率高4倍。3)信号发生器:应具有频率、幅度都可以独立调节的正弦脉冲信号输出通道;频率示值误差不应超过±0.02%;最大输出电压不低于1V(峰值),电压示值误差不应超过±1%。4)前置放大器:输入阻抗应大于标准水听器电阻抗的100倍;增益误差不应超过±0.1dB。5)滤波器:带通滤波,带外衰减斜率不应小于48dB/oct。6)功率放大器:输出阻抗与发射换能器阻抗相匹配,输出信号总失真(THD+N)不应超过2%。7)辅助换能器:为平面、圆形活塞型换能器,并能产生与理论平面活塞声源相符合的声场,其直径应至少比工作频率相应的水中声波波长大10倍,并应具有互易性,互易换能器的互易性偏差应优于±1.0dB,非线性偏差应优于±0.5dB;换能器互易性JJG1070—20114和非线性检验见附录B的规定。8)反射器:反射器为不锈钢圆盘,应具有足够大的直径,以截取辅助换能器发射的整个超声波束;同时,反射器也应有足够大的厚度,以保证即使在最低校准频率下辅助换能器或水听器也能够接收到一定周期的直达波。反射器的表面平面度误差应不超过±10μm,粗糙度误差应不超过±5μm。9)定位装置:辅助换能器、水听器、反射器应有准确的位置和角度调节装置。辅助换能器、水听器的横向位置调节误差应不超过±0.1mm,角度调节误差应不超过±0.05°。10)测试水槽:二换能器互易校准装置的测试水槽应保证辅助换能器与反射器之间器半径,λ为波长),为消除或减小声反射的影响,可在槽壁上铺设吸声材料。从换能的距离至少能达到器半径,λ为波长),为消除或减小声反射的影响,可在槽壁上铺设吸声材料。从换能中1,换:器到反射器的距离,d1为水听D·λ1.5<2<3a111)绝缘电阻表:测试电压100V,或与说明书要求一致,绝缘电阻测量最大允许误差不应超过±10%。12)电容表:电容值测量范围不应小于2nF~20μF;电容测量最大允许误差不应超过±5%。13)温度计:温度测量范围不应小于0℃~50℃,温度测量最大允许误差不应超过±1℃。14)卷尺:长度不小于1m,长度测量的最大允许误差不应超过±0.5%。7.2检定项目标准水听器的首次检定、后续检定和使用中检查项目见表1。表1标准水听器的首次检定、后续检定和使用中检查项目一览表项目首次检定后续检定使用中检查外观检查+++工作正常性绝缘电阻++-电容++-信号检验+++自由场[电压]灵敏度级++-自由场[电压]灵敏度级的频率响应++-注:检查。2.“+”表示需检项目,“-”表示不需检项目。JJG1070—201157.3检定方法7.3.1外观检查标准水听器应符合6.3.1的要求。出厂资料应符合6.3.2的要求。7.3.2工作正常性将不带前置放大器的标准水听器置于水中,用绝缘电阻表测量标准水听器电缆末端的绝缘电阻值,用电容表测量标准水听器的电缆末端的电容值,结果应符合5.1.1的要求。对于带前置放大器的标准水听器,将水听器的电缆末端接到示波器上,用一小的振动信号传递给标准水听器,观察示波器上的显示波形,结果应符合5.1.2的要求。7.3.3自由场[电压]灵敏度级7.3.3.1检定装置二换能器互易法用检定装置组成框图如图1所示。在该检定装置中,信号发生器产生特定频率的正弦填充脉冲,经功率放大器放大后驱动辅助换能器产生检定所需要的声场;电流取样器产生一个和发射电流信号成正比的电压信号;反射器用于反射辅助换能器产生的声波;水听器在声波的作用下产生输出电压信号。发射电压、发射电流和接收电压信号分别经过前置放大器和滤波器后,由数字示波器进行数据分析,以通过公式计算出测量结果。图1检定装置组成框图7.3.3.2检定步骤1)检定前做如下准备:a)用卷尺测量标准水听器的电缆长度;b)在水槽里注入清洁水或其他液体媒质;c)使用对橡胶和金属无腐蚀作用的洗涤剂擦洗换能器和反射器表面,在检定所用液体媒质中浸泡30分钟;JJG1070—20116d)辅助换能器、水听器安装在定位装置上,反射器通过底座稳定地置于水槽底面。反射器最好置于辅助换能器近场距离N1的1.5倍处。进行角度调节时,最好保持辅助换能器和水听器的声中心位置不变。反射器应能围绕平行于其表面且垂直于水听器和辅助换能器声中心连线的轴转动约10°;e)为了使换能器与液体媒体温度和压力达到平衡,在开始测量之前,换能器应在检定水域的检定深度处至少放置15分钟;f)按照附录A的要求确定辅助换能器的有效半径;g)必要时,可按附录B规定对辅助换能器的互易性和非线性进行检查,其结果应符合7.1.2中7)的要求。2)按图1所示组成检定装置,开启所有仪器设备,并预热15分钟。3)设定信号发生器频率为1MHz。4)根据频率选择合适的辅助换能器。5)把功率放大器的放大量调节到适宜值。6)被检水听器的输出波形应无明显畸变。7)拨动开关K置于1位置,调整反射器位置,使辅助换能器与反射器之间距离d满足1.5<(2dλ/a12)<3;调整反射器角度,使其表面与入射声波垂直,此时接收到的回波信号应达到最大值,测量此时辅助换能器的回波电压U。8)测量辅助换能器的发射电流I1,按式(1)和式(2)计算辅助换能器的表观发送电流响应S:S=(1)JP=(2)式中:U—自易校准时辅助换能器接收回波的开路电压信号,V;I1—辅助换能器的激励电流信号,A;JP—平面波互易常数,W/Pa2;A—辅助换能器的有效辐射面积,m2;ρ媒质密度,kg/m3;c液体媒质中声波传播速度,m/s。d;调整待测水听器位置,使水听器声中心通过入射声波的轴线。9)保持发射状态不变,移开反射器,d;调整待测水听器位置,使水听器声中心通过入射声波的轴线。10)拨动开关K置于2位置,测量待测水听器输出的开路电压u,由式(3)得到水听器的表观自由场[电压]灵敏度M*:M*(3)11)对表观自由场[电压]灵敏度进行修正,按式(4)计算水听器的自由场[电压]灵敏度:M=k·M*(4)JJG1070—20117式中:k修正系数,其计算按附录C规定进行。12)自由场[电压]灵敏度的量值与基准值之比的以10为底的对数乘以20,即得到自由场灵敏度级M,基准值M0为1V/μPa:M=20lgu-10lgI1-lgU+10lgJP+20lgk(5)13)记录有关测量数据及计算结果,计算自由场[电压]灵敏度级与标称值之差,结果应符合5.2的要求。14)重复步骤7)到13),直到有6组数据。7.3.4自由场[电压]灵敏度级的频率响应自由场[电压]灵敏度级频率响应的检定装置和检定方法与自由场[电压]灵敏度级相同,按0.5MHz、1MHz、2MHz、3MHz、4MHz、5MHz改变信号发生器频率,选择合适的辅助换能器,重复7.3.3.2步骤4)到12)进行测量。自由场[电压]灵敏度级的频率响应由各检定频率点上的自由场[电压]灵敏度级构成。计算频率响应与参考频率灵敏度级之差的结果应符合5.3的要求。7.4检定结果的处理经检定合格的标准水听器发给检定证书,检定不合格的标准水听器发给检定结果通知书,并注明不合格的项目。检定证书的内页格式参见附录D中的D.1,检定结果通知书的内页格式参见附录D中的D.2,测量不确定度的评定实例见附录E。7.5检定周期标准水听器的检定周期一般不超过1年。JJG1070—20118附录A换能器有效半径的计算辅助换能器的有效半径,可通过声压振幅沿声轴方向随距离的变化曲线来确定。而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的1/10,并且,猝发声应足够长以达到稳态测试条件。将实验确定的声场分布和理想活塞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a1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:(A.1)=2sin[(Z2+a12-Z]e-α′d(A.1)式中:P—从换能器表面开始沿声轴方向距离为Z处的声压振幅,Pa;λ液体媒质中声波波长,m;a1—声源有效半径,m;Ptr—λ液体媒质中声波波长,m;a1—声源有效半径,m;α′振幅衰减系数;d—辅助换能器与水听器之间距离,m。JJG1070—20119附录B换能器互易性和非线性的检验方法B.1换能器非线性的检验换能器的线性范围是其输入、输出比值保持不变时输入量变化的范围。此比值对于发射器是输入电流I与其在距离d处产生的声压之比,对于水听器是作用其上声压pd与输出开路电压U之比。检验线性范围的方法是测定按图B.1排列的换能器对(F-J)的电转移阻抗ZFJ随输入电流I变化的范围。当频率大于等于500kHz时,ZFJ的变化不应超过±0.3dB。若满足此条件,则认为二换能器F、J在此范围内都是线性的,其非线性偏差将不超过±0.3dB。图B.1换能器非线性检验时换能器对的布置若电转移阻抗ZFJ随输入电流I发生变化,则需改变距离d或更换一换能器以判断是发射器(F)还是水听器(J)呈现非线性,或此二换能器均非线性。对于互易换能器应同时测定用作发射器时和用作水听器时的非线性。B.2互易换能器互易性的检验互易换能器互易性的检验方法是测定按图B.2排列的换能器对(F-H)的电转移阻抗ZFH和ZHF相等的范围。当频率大于等于500kHz时不应超过±0.5dB。若满足此条件,则认为二换能器均为互易换能器,若不满足则应逐个调换换能器以判断是换能器(F)还是(H)不互易,或是二换能器都不互易。图B.2互易换能器互易性检验时换能器对的布置注:在检验互易换能器的互易性时,不能用在结构上完全一样的两个换能器来检验,以避免由于二换能器的线性或非线性相同而无法根据ZFH和ZHF来判断换能器的互易性。JJG1070—201110附录C修正因子k的计算修正因子k的通用计算公式见式(C.1):12k=12 KG2(C.1)式中:G1—在辅助换能器自易校准中,即辅助换能器既作发射又作接收的情况下,考虑声波从发射到接收的变化而进行的修正;G2—水听器处于辅助换能器声场中进行校准时,即辅助换能器发射、水听器接收的情况下,考虑相应变化而进行的修正;K1—辅助换能器的开路接收电压的修正值。辅助换能器作为接收换能器使用时,如果电负载条件(如功放的输出阻抗)在发射和接收过程中没有改变,信号电压乘以此修正因子等效于辅助换能器的开路电压。如发射和接收时的电负载条件不变,此值可由激励电流I1与短路电流Ik的比值确定,按式(C.2)计算:K1=(C.2)K—水听器开路电压的修正值。水听器产生的电压乘以此修正因子即可得到等效开路电压。由于在实际测量中水听器仍需要接入相同的电负载,因而在一般情况下,无须对开路电压作修正,即K=1;—,rp=0.937;α′时蒸馏水的声衰减系数α′=2.2×10-14f2/当辅助换能器与水听器的直径比大于5,且总声程长度为辅助换能器近场长度的1.5~3倍时,修正因子k可表示为式(C.3):k=GCeα′d(C.3)式中:GC—辅助换能器非平面波声场衍射效应的修正值,其值仅为归一化距离S的1半径,d为辅助换能器与反射图C.1非平面波声场衍射效应修正因子GC与归一化距离S的关系曲线JJG1070—201111如果辅助换能器和水听器的直径比或声程长度不能满足上述要求,则需要按照式(C.1)计算修正因子k。图C.2给出了根据理想活塞换能器导出的相对于各种接收和发射换能器直径之比的归一化距离与相对声压20lg|p/p0|(单位为dB)的关系曲线。G1值可从图上直径比为1的对应曲线上获得;G2值可从相应的直径比的曲线上获得,一般这个比值应小于0.2。图C.2平均声压与不同尺寸换能器的归一化距离S的关系(图中参数为接收换能器与发射换能器的直径比)12附录D检定证书和检定结果通知书的内页格式D.1检定证书内页格式检定结果共页第页前置放大器供电电压:V电缆长度:m一、外观检查:二、工作正常性绝缘电阻(V):kΩ电容量:pF信号检验:三、自由场[电压]灵敏度级:dB(f=1MHz)与标称值的偏差:dB四、自由场[电压]灵敏度级的频率响应(基准值:1V/μPa):频率MHz灵敏度级dB频率MHz灵敏度级dB与参考频率的灵敏度级的最大偏差:dB检定环境条件:室温:℃相对湿度:%液体媒质温度:℃检定依据:JJG1070—20110.5MHz~5MHz标准水听器(二换能器互易法)使用标准装置名称:测量不确定度:说明:13D.2检定结果通知书内页格式检定结果共页第页前置放大器供电电压:V电缆长度:m一、外观检查:二、工作正常性绝缘电阻(V):kΩ电容量:pF信号检验:三、自由场[电压]灵敏度级:dB(f=1MHz)与标称值的偏差:dB四、自由场[电压]灵敏度级的频率响应(基准值:1V/μPa):频率MHz灵敏度级dB频率MHz灵敏度级dB与参考频率的灵敏度级的最大偏差:dB检定环境条件:室温:℃相对湿度:%液体媒质温度:℃检定依据:JJG1070—20110.5MHz~5MHz标准水听器(二换能器互易法)使用标准装置名称:测量不确定度:检定结果通知书中应标明不合格的项目,对不能继续进行检定的项目加以说明。14附录E测量不确定度评定实例E.1引言标准水听器的主要计量性能为自由场[电压]灵敏度级。下面对二换能器互易法的测量结果进行不确定度评定。E.2自由场[电压]灵敏度级测量不确定度的评定E.2.1数学模型标准水听器的自由场灵敏度级按式(5)计算,为便于测量不确定度的评定,设定α1=20lgu-10lgI1-10lgUα2=10lgJP=10(lgA-lgρ-lgc)α3=20lgk=10(lgK1+lgG1-lgrp)+20lgeα′d-20lgK-20lgG2则式(5)可变换成以下形式:M=α1+α2+α3(E.1)式中:M—灵敏度级,dB;u—被检标准水听器开路电压值,V;U—自互易校准时回波电压值,V;I1—辅助换能器的激励电流值,A;ρ测量媒质的密度,kg/m3;A—辅助换能器的有效辐射面积,m2;c声波传播速度,m/s;k修正系数,k1212KG2;K1—辅助换能器开路电压修正因子;K—水听器开路电压修正因子;G1—辅助换能器在自互易校准中衍射损失修正因子;G2—辅助换能器对水听器校准中衍射损失修正因子;rp—声波从液体媒质入射到反射器表面时的反射系数;α′声波在液体媒质中的振幅衰减系数;d—辅助换能器到反射器的距离,m。根据不确定度的传递方法,由式(E.1)可以得到水听器灵敏度级的B类合成标准不确定度传递公式为:uB(M)=uB(α1)2+uB(α2)2+uB(α3)2(E.2)E.2.2标准不确定度的A类评定A类标准不确定度主要来源于测量的重复性,在相同测量条件下对灵敏度(二换能器互易法)重复测量6次,得到的结果如表E.1所示。JJG1070—201115表E.1灵敏度(二换能器互易法)的测量数据f/MHzM1/dBM2/dBM3/dBM4/dBM5/dBM6/dBMavg/dBsn/dB0.5-221.2-221.9-221.8-222.5-222.0-221.9-221.90.421-223.8-223.9-223.8-224.0-224.1-223.0-223.80.392-223.1-223.2-223.4-224.0-223.6-224.1-223.60.413-223.8-223.8-224.5-223.8-223.6-223.8-223.90.314-225.6-225.0-224.9-224.3-224.3-224.3-224.70.535-222.9-224.5-222.6-222.8-224.0-224.7-223.60.93由表E.1可知,测量重复性最大偏差发生在5MHz,为0.93dB,则测量平均值的标准偏差为:s=0.93dB/6≈0.38,.重复性所引起的不确定度分量为:E.2.3标准不确定度的B类评定自由场[电压]灵敏度的B类不确定度主要来源于:1)电压读数误差引入的不确定度分量电压测量通道误差不超过±0.15dB,以正态分布考虑,取k=2,则电压读数引入的不确定度分量为:uB1=0.15dB/2=0.075dB2)电流测量误差引入的不确定度分量电流测量误差不超过±2dB,以正态分布考虑,取k=2,则电流测量引入的不确定度分量为:uB2=0.2dB/2=0.1dB3)换能器有效面积测量引入的不确定度分量换能器有效面积引入的不确定度分量为:换能器有效面积测量引入的偏差不超过±0.3dB,