声学 水听器校准 第1部分：自由场水听器校准步骤 征求意见稿

5声学水听器水听器校准第1部分：自由场水听器校准步骤本文件规定了水听器以及可作为水听器（接收器）和/或发射器（换能器）使用的独立电声换能器声压水听器在低频下的校准请参考IEC60565-2[1]。水听器在高于1MHz频率时的校准请参考IEC62127-2[2]。–Chapter801:Acousticsandelectroacoustics/）.IEC60500:2017水声-水听器-1Hz~500kHz频率范围内的水听器特性（Underwateracoustics–6●IECElectropedia网址：/。ZPH电压的傅里叶变换ℱ[UH(t)]与通过发射器的驱动电流的傅··············································注2：因为电转移阻抗与所处的声场条件、静水压力、水温和连接到换能器的电缆长度有关，所以应指出这些条件水下电声换能器underwaterelectroacoustictrans水声换能器underwatertransduc7Mf对于规定的频率和以规定方向入射到水听器的平面波，水听器开路输出电压的傅里叶变换ℱ[UH(t)]与引入水听器前该平面波在水听器参考中心处的自由声场声压的傅··············································LMLM=20log10dB····························基准灵敏度为1V·µPa-1。注2：虽然换能器可以在三维空间中所有穿过其参考中心的平面上都是全向的，但可以仅在二维空间中的一个平面互易换能器reciprocaltra无论是电-机转换还是机-电转换，耦合系数都相同的线性、无源和可逆的电声8可逆换能器reversiblet水下声发射器underwatersoundproj把电信号转换成在水中传播的声信号的电声发送电流响应transmittingresponsetoSI变换ℱ[p(t)]与该点到发射器参考中心距离d的乘积与通过发射··············································发送电流响应级transmittingcurrentresLS,ILS,I=20log10dB·························增加了公式，合并了注释。]发送电压响应transmittingresponsetoSV9变换ℱ[p(t)]与该点到发射器参考中心距离d的乘积与发射器两端所施加电压的傅里叶变换ℱ[V(t)]之比。··············································发送电压响应级transmittingvoltagerespLS,VLS,V=20log10dB··················k注2：物理学不同领域可以取波数为2π/λ或1/λ,但在声学领域首选为2π/λ。在IEC60050-103:2009,10310-12中称波数[来源：IEC60050-726:1982,726-05-02，经修改，将“波导波长的或平面波波波长”，增加了“乘以2τ”,增加了注释。]注3：水听器包括标准水听器和测量水听器。标准水听器主要用于校准（例如在比较法校准中用于与被测水听器作注4：水听器主要用于接收信号，但是在互易法校准中，水听器作为互易换能器，不仅作为接收水听器，也作为声注5：集成有数字采集系统的水听器有时被称作数字水听器，但是最好将这种组合视为一个测量采集系统而不是单注6：如果水听器连接到电荷放大器，水听器的灵敏度有时用电荷灵敏度来表述，通过水听器的电容建立电荷灵敏指向性响应directionalre注1：用于归一化的灵敏度值为某一规定基准方向上的灵敏度，最常用的是换能器主轴方向上的灵敏度（IEC注4：可以在二维空间的一个平面内定义指向性响应。习惯上在IEC60500:2017所定义的换能器坐标系的三个平面（XY，XZ，YZ）中定义二维指向性响应。在三维空间中，可以在穿过换能器参考中心的所有平面上定义换Q换能器谐振峰尖锐度的度量，等于一个周期内最大存储能量D换能器的最大线性尺度fR（换能器的）谐振频率I电流IP通过发射器IT通过换能器的电流kf远场修正因子LS,I发送电流响应级LS,V发送电压响应级MH水听器的自由场接收灵敏度MP发射器（用作水听器时）的自由场接MR标准水听器的自由场接收灵敏度pa指向性测量中用于确定Rθ的基准方向的声压r声场中某点到声源的距离Rθ指向性因数SI发送电流响应SI,H水听器（用做发射器时）发送电流响应SI,P发射器发送电流响应SI,T互易换能器发送电流响应SV发射器发送电压响应T换能器三元组中的互易换能器UH水听器开路电压UPH发射器作为声源时的水听器开路电压UPT发射器作为声源时的换能器开UTH互易换能器作为声源时的水听器开路电压W带宽ZPH发射器和水听器的电转移阻抗ZPT发射器和互易换能器的电转移阻抗ZTH互易换能器和水听器的电转移阻抗λ水中声波波长ρ水的密度τ脉冲持续时间5.1校准的通用要求a)无需标准声学换能器的绝对校准b)使用已校准的标准声学换能器的相对校准该方法由于附加了标准换能器的不确定度，其精为有效校准，应满足以下通用要求[3]-[5]：a）声学自由场条件，要求最小化来自介质边界的声反射的影响（见5.2b）声学远场条件，要求从源到接收器之间具有足够的间隔距离（见5.3注1：对给定的测量装置，满足上述要求的最小距离取决于换能器的指向性、边界表面的反射系数和信号频率（高因素分别进行评估。水面经常是最近的边界。例如，对于间距5m的两个全向换能器，要使反射幅度满足上述注2：为连续信号实现声学自由场条件的另一种方法是在测试水池内表面敷设吸声材料。吸声材料的性能（反射损反射边界，除了池壁和底部以外，全消声水池还需在水面下悬浮敷设注3：有些校准方法使用混响水池和连续信号（或至少比水池的无回波时间长得多的信号）。这些方法利用信号处理技术补偿边界反射的影响，实现伪自由场条件，参见附当使用时间窗信号时，例如脉冲或者单频猝发注：通过限制信号持续时间并使用适当的时间窗，在有限尺度的水池中可以使用猝发或脉冲信号消除反射的影响。该方法令反射信号比直达信号来得足够晚，从而可以获得足法存在一个下限频率，低于该频率则无法用常规方法测量稳态信5.3远场要求差最小化。为此，发射器与水听器的间距应大于换能器的d>kf+···························· 其中Kf是可选的远场修正因子，用来保证在规定容差内声场满足球面衰注：当测量换能器的指向性响应时，选择发射器与水听器之间的距离大于由（9）和（10）给出的距离，不小于由（9）或（10）所给出距离中较大者的两倍，见附录D和5.4稳态条件要求该要求仅适用于时间有限信号。对于连续信号，视换能器已注1：在测试水池中使用单频脉冲信号进行校准，常规方法是使用时间门控技术分离直达信号和来自边界和水面的可能具有更高的品质因数，从而减少了可用信号的长度（特别是谐振频率较低时）[4]-[6注2：如果水听器所产生的电压信号在可用的无回声时间内没有达到稳态条件，则不可直接测量稳态信号。这意味注3：如果在信号处理中应用窄带滤波（存在宽带噪声时可增加信噪比），将改变单频脉冲信号开始时的瞬态建立析的信号持续时间。出于这个原因，在单频脉冲信号校准中很少使用带宽窄于一注4：也可以用更先进的信号处理技术来确定所需的信号参数，从而不需要观察完整的稳态周期就可以估计稳态信相位，此外还有利用正交-互补单频猝发信号的方法（详见附录5.5设备要求与时间门控结合以消除反射。这种设施方便操作和精确定位设备（通过使用刚性支撑结构或定位系统）以及控制环境条件。然而，有限的尺寸限制了校准换能器的频率范围和类型。在较小的测试水池中测试大孔径高频发射器（高ka值换能器）会有困难，因为可能无法实现远场条件（见5.3）。小水池的无回波时间有限，可能无法观察高Q值换能器的稳态信号（见5.4注2：如果测试水池内衬有吸声材料，则可以在较小的测试水池内实现5.2要求的自由场条件，具体取决于吸声材料的有效性能（见5.2.1）。然而，当水面覆盖有吸声材料时，但定位和对准的精度可能会降低。缺乏对环境条件的控制可能带来其他问题1）水温的变化（日变化和季节变化）引起换能器性能变化和引入温跃层2）风和波浪作用引起换能器的相对运动3）来自附近自5.5.2仪器概述范围从200Hz到1MHz，但取决于具体应用，也可以是更窄的范围）内满足要求[4],[6],[10]。功率放大器为作为发射器的换能器提供足够的功率以在水听器位置处产生比测试设施中的环境噪注2：通常功率放大器为低输出阻抗（但有的功率放大器的输出阻抗可测量发射器的驱动电压需要电压测量仪器，例如，测量换能注：通常用高阻电压探头或经校准的衰减器所用的数字转换器应为一个模数转换器（ADC）或数字示波器，在校准期间用于采集和记录数字注2：可使用低通滤波器实现抗混叠功能，在数字化之前将信号的频率成分限制在采集系统的注1：通常用软件进行信号分析，包括时间加窗和信号振幅的计算，但其中一部分处理也可以用数字示波器的内置注2：尽管上述一些测量工作可以手动完成换能器之外还需要至少两个换能器（参见8通过使用经校准的水听器或发射器进行相对校准需要标注：为了覆盖宽频率范围，有可能需要若干不同换能器（对于发射器尤5.6定位与对准校准前应定义每个水听器和发射器的基准方向。上进行标记[10]。注2：基准方向可以取在规定频率下进行测量所得到的指向性响应最大的方向（准。如果认为被测换能器对支撑或安装类型敏感，则应在结果中给出安装布置准，任何安装都需要具有一定程度的刚性[10]。转轴上[4],[10]。还应注意尽量减少可能由支撑安装结构拾取并传导到换能器的结构噪5.6.4对准能器的基准方向相互对准[4],[10]。注1：可以采用特殊的安装杆或索具进行力学对准，或者使用自动定位系统（例如包含步进电机和控制器的系统）注2：对于相对主轴表现出明显指向性的换能器，可以通过在特定频率处寻找最大接收信号来对换能器进行声学对注3：为了通过搜索特定频率下的最大接收信号来实现两个换能器之间的声学对准，每个换能器安装需要至少两个支撑安装结构应能使发射器和水听器以确定的间距布放在水中，其不确定度优于2％。注1：间距可以通过多种方式进行力学测量。刚性支撑结构可以进行如下校准：换能器安装杆以预定间距悬挂在水注2：可以根据触发信号和到达水听器的直达信号之间的声传播延迟来计算间距。这假定了声速可以使用科学文献中的公式根据水温、深度和盐度计算出来[11]-[14]。请注意，一旦声波作用到换能器的敏感元件上换能器就开始注3：如果水听器本体尺寸相对于敏感元件较大，被本体散射的声波会与到达敏感元件的直达波产生干涉,从而引起应选择足够数量的频率进行校准，以确保在所需频率范围内很好地表征换能器性能。对于水听器，在灵敏度基本不随频率变化的低频范围，推荐5.8频率限制注1：对于给定的换能器对，校准时为满足远场条件所需的最小距离随频率增加而增大（见5.3）。在足够高的频率注2：水中吸收引起的声衰减随频率升高迅速增加，在1的间隔距离上，水中吸收引起的声衰减相对较小。在淡水中频率低于500kHz或在海水中频率低于300kHz，间距几米量级的修正值小于0.05dB，可以忽略不计。声波在水中的吸收衰减及其随温度、深度、PH值和盐度等注1：在有限尺寸的水池中使用单频猝发信号的一个主要限制是可用于测量的稳态信号的周期数过少，这取决于换窗中的信号周期数减少，最终导致传统手段无法确定稳态信率。对于大多数最小尺度在5m以上的水池，水听器校准的实用下限频率在1kHz量级，具体取决于声源换能器的Q值，它决定发送响应谐振峰的尖锐程度和斜率。决定校准下限频率的各注3：对于消声水池使用连续信号的情况下，消声性能随频率降低而下降，这将导致自由注4：混响水池自由场校准的下限频率可以通过使用更复杂的信号处理技术来扩展。这些技术不需要完整信号周期5.9声场干涉检查注2：如果观察到电转移阻抗（或灵敏度）随频率变化的图案中出现光滑的周期性波纹，表明可能存在声反射带来的相长、相消干涉。如果图中连续峰值之间的频率间隔是Δf，c是介质中的声信号之间的路径差Δd可以通过下式计算[1]：Δd=c/Δf。注3：由路径差为Δd的反射声信号引起的振荡，可以以频率间隔Δf对随频率变化的复转移阻抗进行滑动平均来消除。利用宽带信号在混响场中实现自由场校注：也可使用其他信号类型，例如宽带短脉冲或线性调频信号。这些信号需要利用层和放大器的唯一接地点，除此之外不应有其他接地算修正[2]。注：如果在特定水听器的整个校准过程中使用相同的电负载，则可以对灵敏度进注1：如果电缆和水听器在电气上表现为纯电容（对于电缆而言通常是这样，对于远低于谐振频率的水听器也是如此可以根据水听器和电缆的电容进行修正，详见附录C[注2：当水听器的电阻抗不是纯电容时，例如在接近谐振频率的时候，应使用水听器和延长电缆的复阻抗来计算负注3：如果在特定水听器的整个校准过程中使用同一根延长电缆，则可以对灵敏度进行修正而不必对每个测量电压使用带通滤波器可以降低宽带干扰噪声，但是带宽必须足够宽以实现信号不失真的通注1：电噪声可能会降低电测量的精度[3],注2：存在电噪声的情况下，可以通过重复测量进行相干平均来改善信噪比。对于随机噪声，N个信号的平均将使信噪比提高√N（N的平方根）倍。定问题的原因并通过采取适当的接地（例如发射器驱动电缆引入的）在连续波信号的情况下，电串扰电平应至少比信号电平注：对脉冲信号，可以通过信号相减来显著降低干扰的影响。在信号到达之前近似拟合信号并一直延续到发射信号与声信号重叠期间，然后从重叠区域的总和信号中将其注：如果水听器集成了前置放大器，则不需要对延长电缆或测量仪器进行通过发射器的电流应由校准过的电流互感器（产生与驱动电流成注：虽然电流互感器是首选仪器，但也可以采用测量与发射器串联的经校准的小阻测量发射器的驱动电压应使用经校准的高阻抗示波器探头或经校准的衰减器将驱动电压降低约40迅速取出，换能器所有表面应都被湿润而不应看到残留的干燥区块[24]。注1：润湿换能器的目的是减轻气泡或残留空气附着在其表面上的影响。残留的空气和气泡会引起明显的声散射，并且会产生强烈共振，从而导致校准结果出现不可预测的误差。施加洗涤剂作为润湿剂降低水的表面张力并注2：残留空气有时可以表现为空气膜，在换能器表面呈现出银色光泽。换能器外壳上的任何凹槽（例如与垫圈或注3：将温暖的换能器浸入冷水中时，气泡附着在换能器表面的现象更加明显，因为较温暖的换能器对与换能器表面接触的较冷的水有轻微的加热效应，导致溶解的气体从溶a)在与现场使用条件相同的温度及深度下进b)考虑不同环境条件，基于先前的校准与温度和深度的关系，或通过有效的分析模型，对灵敏度注1：一些电声换能器的灵敏度可能随环境温度和浸没深度而变化（后者由于静水压力增加引起）[25]温度和深度范围内进行校准需要专门的设施，这样的设施相对较少[2注2：在室内设施中复现海洋中存在的环境条件（例如，水温或水深）不大可能。校准结果仅对当时的条件严格有注3：在开放水域进行校准的条件一般来说与预期最终应用的环境条件（水温或深度）不同。如果需要对最终应用注1：基于声学互易性进行校准的设置形式有很多[28]-法可应用于不同几何形状声场的其他设置，如平面波或柱面波，并且可用于在密闭耦合腔内进行声压校准注2：该方法是原级校准方法，不依赖于使用其他声学标准换能器。声学校准可追溯到电测量、长度测量和频率测常为等边三角形）。如果所有设备都同时浸入水中，换能器必须能转动以便在测量每个转移阻抗之前将它们的基准方向对准。注意如果同时浸入三个设备，则在使用两个设备进行测量时，另一个设备可能会产生散射在选择间隔距离时，应满足声学自由场条件（见5.2）和声学远场条件（见5.3）的要求。建议每次重复校准在不同的间隔距离（8.注：为简单起见，图1中所示测量的每个阶段的设备间距可以在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次测量电转移阻抗，应满足换能器安装（5.6.3）和换能器对准（5.6.4）注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字注2：如果需要，可以使用经校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中注3：如果使用非常高的频率，水的吸收衰减不可以忽略，应该对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.1在每个频率下，水听器自由场接收灵敏度MH的模应根据以下公H|=√··························在每个频率下，互易换能器自由场接收灵敏度MT的模应根据以下T|=√·····························I,P|=√·············································I,T|=√·····································如果需要，发射器或换能器的发送电压响应（SV）应根据以下公式计ZP——测量得到的该设备的电阻抗（见附录B）。注：当换能器不能用作声源时，发送响应没注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时应注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水互换前后电转移阻抗的幅度（即比较|Z|PT和|Z|TP，其中P和T都是互易的）[3],[4],[40]。注1：离开换能器组合，无法确定单个换能器本身是否具有互易性。上述核查方法可以很好地检验一个换能器对的注2：对于在其工作频率范围内使用的性能良好注3：差异大于10％表示至少有一个换能器可能不是互易的。在互易性验证中使用第三个互易换能器可以揭示哪个注4：如果互易性验证检查中的换能器结构相同，它们可能具有相同程度的非线性但仍然表现出互易性。因此，理注5：如果多个换能器是互易的，可以提高校准的统计学精度。如果发射器也可以用作水听器，则可以通过两种方注6：如果使用三个以上的换能器进行校准，并且两个或多个换能器是互易的，则不确定度将会降低，因为可以使应考虑是否满足球面波声场的假设，任何偏离的注：球面波声场可以进行以下验证：改变发射器和水听器之间的距离，比较电转移阻抗大小。参阅附录E。如果水6dB开始直到所用的最大值，转移阻抗的大小偏差应保持在5％以内。在换能器三元组中包含标与标准换能器已知灵敏度的良好一致性意味着被测换能器的测试结果具有更注：互易性校准中，可以获得所有三个换能器的绝对灵敏度。在校准一为确定水听器灵敏度的相位，应采用图2所示的测量设置[44]-[46]。该设置旨在最小化由于定位误差引起的相位误差。在该设置中，三个换能器P、T和H位于一条直线，其中H位于P和T之间，使得d2=d1+d3。将P指向H和T，将它们的基准方向对准。通过P的输入电流和H的输出电压确定复电转移阻抗ZPH。将水听器连同吊架重新安装在框架上，围绕其参考中心旋转，使T指向H，并且使H和T参考中根据8.3.6的说明用测量的电转移阻抗计算水听器自由场灵敏度的模和相位[注1：通过该方法确定MH相位的难度在于准确地确定声速和测为1.0mm的距离误差会带来大约12注3：校准中采用的安装形式最好与水听器用于现场测量应依次测量并按下式计算各个复电转移阻抗（以ZPH为例，见3.2ZPH=························注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字注2：如果需要，可以使用校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的注3：如果使用非常高的频率，则应针对水的吸收衰减对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.在每个频率下，水听器自由场接收复灵敏度M··································H|=√······························································位精度的限制。图2给出了一个可以最小化定位误差的特注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水注2：关于降低由于水听器和发射器声中心间距误差导致的相位测量不确定度，以及确定声中心与参考中心相对偏9使用标准换能器的自由场比较法校准种校准需要使用一个已校准的水听器或发射器[3]-[6]。注：比较法通常比原级校准方法（例如自由场互易法）的不确定度更大地引入额外的B类不确定度分量。关于不确定度评估的更9.2比较法校准的类型9.2.1使用标准水听器进行水听器校准接收灵敏度。辅助发射器无需校准，只需在校准期间保持稳9.2.2使用标准发射器进行水听器校准9.2.3使用标准水听器进行发射器校准9.3使用标准水听器进行水听器校准9.3.1声场要求在选择间隔距离时，应满足声学自由场条件（见5.2）和声学远场条件（见5.3）的要求。注：当被测水听器与标准水听器在声场中同一位置进行比较时，可以小于器都暴露于相同的声压，其中任何一个都不能产生声压梯度响应。为此，两个水听器的结构和尺寸应完全9.3.3换能器准备、安装和对准在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次电转移阻抗测量，应满足换能器安装（见5.6.3）和换能器对准（见5.6.4）的要求。9.3.4信号类型被测水听器的自由场接收灵敏度的模|MH|应根据被测水听器的开路电压UH与标准水听器的开路电建议至少进行4次重复测量。如果使用两个不同的标准水听器，建议每个进行注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水听器的标准偏差在其工作范9.3.8验证和检查在校准期间应检查测量信号的失真。如果存在明显的失真，则应降低发射器的驱动电平。使用两个不同的标准水听器进行重复测量将减小自上次原级校准以来标准水听器灵敏度随时间变注意在实际校准期间信号电平应保持在线性注1：信号失真可以表现为频谱中明显的高次谐波。理想情况注2：如果标准水听器在与原级校准期间明显不同的环境条件下使用，则可能会导致灵敏度发生变化并增加校准不9.3.9不确定度器，总体不确定度（95％置信度）可在715％范围内。注：比较法通常比原级校准方法（例如自由场互易法）免地引入很大B类不确定成分[43]。关于不确定度评估9.4使用标准发射器进行水听器校准9.4.1声场要求9.4.3换能器的准备、安装和对准在开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次电转移阻抗测量，应满足换能器安装（见5.6.3）和换能器对准（见5.6.4）的要求。9.4.4信号类型注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字注2：如果需要，可以使用校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的注3：如果使用非常高的频率，则应针对水的吸收衰减对每个电转移阻抗进行修正，详见.6接收灵敏度的计算应利用d、UPH和IP的测量值以及已知的标准发射器的发送电流灵敏度的模SI,P，按下式计算水听·············································注1：在重复校准中使用不同间隔距离有助于评估方法中一些假设（自由场条件，球面波场等）的符合度，因为对于自由场中的球面波而言，灵敏度不随间距改变（高频时注2：缺乏良好的重复性表明校准存在问题。原因可能有：信噪比较差，存在声反射，定位和对准精度不良，换能器或仪器的性能稳定性不良。若仔细操作，水听器的标准偏差在其工作范9.4.8验证和检查使用标准水听器核查发射器的性能将减小自上次原级校准注1：注意在实际校准期间信号电平应保持在线性范围内。信号失真可以表现为频谱中明显的高次谐波。理想情况注3：如果标准发射器在与原级校准期间明显不同的环境条件下使用，则可能会导致灵敏度发生变化并增加校准不），9.4.9不确定度注：使用标准发射器进行水听器校准通常比原级校准（例如自由场互易的不确定度将不可避免地引入很大的不确定度成分。发射器的稳定性9.5使用标准水听器进行发射器校准9.5.1声场要求选择间隔距离时，应满足声学自由场条件（见5.2）和声学远场条件（见5.3）的要求。9.5.3换能器的准备、安装和对准开始测量之前，应满足换能器浸泡（见7.1）和润湿（见7.2）的要求。对于每次电转移阻抗测量，应满足换能器安装（见5.6.3）和换能器对准（见5.6.4）的要求。9.5.4信号类型注1：为获得最高精度，可以用同一通道测量水听器电压和发射器驱动电流（测量通道包括放大器、滤波器和数字注2：如果需要，可以使用校准的衰减器来均衡代表发射器电流的电压和水听器电压，这将减小由于测量通道中的注3：如果使用非常高的频率，应考虑水对声波的吸收衰减，进而对每个电转移阻抗进行修正，详见5.8.1和附录E。9.5.6发送响应的计算I,P|=······················9.5.7验证和检查使用两个不同的标准水听器进行重复测量将减小自上次原级校准以来标准水听器灵敏度随时间变加校准不确定度。相关的环境条件包括浸入深度、水温和安装9.5.8不确定度注：使用标准水听器进行发射器校准通常比原级校准（例如自由场互易的不确定度将不可避免地引入很大的不确定度成分。与水听器校准发射器的发送电流响应（TCR）的结果应应根据相关ISO/IEC指南[43]评估不确定度。有关水听器和发射器校准不确定度来源的指导，的环境条件，包括可能影响灵敏度的所有条件[9],[47]-[51]。——浸泡时长和润湿过程；注1：对于纯粹用于校准目的的标准水听器，宜每年进行一次重新校准。如果水听器也用于现场测量并且使用强度较大，通常需要缩短校准间隔（参见IEC60500注2：关于适当校准周期的确定取决于未能及时发现水听器或发射器灵敏度发生变化的风险大小。如果在全面原级器作为三元组中的一元，在其部分频率范围内工作用于对另一个换能A.1一般原理被测换能器（水听器或发射器）在指定平面中绕轴旋转，同时测量接收信号随角度的变化[3]-[6]。A.2测量实施的类型该方法的缺点是无法自动调整信号电平和进行A.4声场要求对于所有测量，应满足声学自由场条件（见5.2）和稳态条件（见5.4）的要求。A.5定位和对准A.6信号类型A.7.1发射器A.7.2水听器考中心的轴旋转，同时在确定的角度、以所需的角度分辨率、按照6.3测量水听器上的Vref——用于归一化的基准电压。注1：基准电压可以在水听器基准方向或发射器主轴方向上测量，但最常用的是取在所有角度上所测量的电压的最注2：对于发射器，通常在换能器主轴上或其附近获得最大信号。对于小型且相对全向的水听器，可以任意选择基A.9不确定度定度通常约为0.5dB（置信度为95。角偏向损失在10dB～30dB之间时，预指向性响应通常以图形方式呈现，采用二维极注：指向性图案在XY平面中的角度为方位角φ;在YZ平面中的角度以θ表示，以Y轴为基准方向；类似地，在XZ平面中的角度以X轴为基准方向。如果响应在XA.11指向性因数d——球体的半径，球心为水听器的参考中心（见3.25ds——球体表面的微面积元。A.12指向性指数压电式电声换能器的电阻抗由如下成分组成[3],[4],[6]：●纯电阻抗（通常指阻滞阻抗），它代表换能器辐射面静止时的纯电阻抗，包括电容（阻滞电容），但也可能包括来自介电损耗的漏电阻。●动态阻抗，包括：——发射器辐射面振动时的力阻抗。压电效应通过机电耦合使主动元件的质量、刚度和阻尼表现为——周围介质对换能器影响所产生的声辐射阻抗。●了解换能器的工作特性（例如谐振频率和品质因数●通过匹配网络实现发射器与功率放大器的阻抗匹配（最大化功率传输）；●计算发射器的电声效率；●对发射器工作状态下的故障进行诊断（换能器异常经常表现出阻抗特性的变化）；●对放大器或延长电缆的电负载进行修正。=Z0expjθZ=expj·········································································和测量阻抗时，换能器应浸入水中并满足声学自由），结合时间门控技术来实现自由场条件（见5.2和附录E）。阻抗的实部和虚部分别以电阻R和电抗X表示，它们的之间的关系如下[3],[4],[6]：和X=Z0SinθZ··························Y=········································································和··························和···················可以将阻抗和导纳随频率的变化趋势以图形表示出来以便于观察[3],[4],[6]。在换能器的谐振区域，电换能器的品质因数通常也通过阻抗测量得到，其为谐振点相对带宽的倒数。若谐振点带宽为∆f，它为电导相对谐振点处的最大值下降一半所对应两点的频率差，谐振频率为fR，则Q值可以由下式计·····················其中Re和Im表示对应复阻抗的实部和虚部。·······························和·······························对于没有集成前置放大器的水听器，在附加延长电缆末端测量复阻抗和灵敏度，可以用式（C.4）和（C.5）进行修正。只需要测量带有延长电缆的水听器的复阻抗以及单独延长电缆的复阻抗，就可以得到水听器在原配电缆末端的复阻抗和开路灵敏度[3],[23]。在低射频频率（几百千赫兹或更高），任何附加延长电缆都可以被视为一个双端网络[16]，通过开································ZH´——水听器连同延长电缆的复阻抗；ZOC——单独延长电缆在自由端开路时的复阻抗；水听器在原配电缆末端的开路灵敏度M0可以根据在延长电缆末端测量的开路灵敏度MC按下式得到[23]：利用式（C.4）可以通过测量附带延长电缆的水听器的复阻抗和开路和短路状态下单独延长电缆的复阻抗得出水听器的复阻抗。类似地，利用式（C.5）可以通过相同的阻抗测量以及测量附带延长电缆的水听器的开路灵敏度得出单独水听器在其原配电缆与水听器测试不同，使用延长电缆测量换能器的发送响应时通低于谐振频率的水听器以及诸如低频情况下的延长电缆之类的负载。此时，如果连接器在内的水听器的电缆末端电容，而CL为负载电容，则修正简化为[2],[23]：································用远场准则进行判定[7]-[9]。图D.1给出了利用瑞利积分的数值模拟结果[54]，用于比较源到接收器距离）变化的情况，其中参数kr=D2/λ=4a2/λ时相差约0.27dB，其中D=2a为换能器直径。如果偏差相同，活塞接收器所需的远场距离为r≈9a2/λ。布放换能器时，应按下式确定充分满足球面扩展所需的间距r：································测量换能器的指向性响应时，发射器和水听器的间距应大于式（D.1）所给出的距离，并且同时满最后所取间距应大于式（D.1）或（D.2）所给距离中较大者的两倍，参见[4E.1概述是可以使用连续波信号，但这些设施缺乏环境控制、设备布放困难且成本相对较高[4]。够的宽带吸声。即便如此，吸声材料可用于减少水池的总体混响发信号的函数发生器，让发射信号分别扫过测量所需的每个频率[3],[4],[6],[10],[47]-[51]。如果忽略多次反射，第N个边界回波相对于直达波的到达时间由TN表示，声速为c，则各个回波测量对最小间距的要求更严格，建议间距至少为所述最小间距的两倍，参见））如果一个换能器位置最优化布设的特定水池的无回波时间由T表示，信号频率为f，则反射波到达之前可用于分析的信号周期数等于fT。要经过Q个谐振周期，信号才能达到其最终稳态值的约96），无法使用常规测量技术进行准确校准[3],[4],[6]。实际情况不可能完全满足理想条件[4]。20倍时高2dB。有时将等于脉宽倒数的2倍的带宽称为基本带宽。基于以上讨论，脉冲持续时间τ应满足以下条件：a）τ≤TN以使直达信号与反射信号分离；过观测示波器上的接收信号核查混响情况，在将要发射脉冲之前在测量频率上不应有信号），或者以恒压驱动发射器，水听器的接收电压将与间距成反比，于是电压与间距的乘积恒定不变[40]。上果变化大于±5%说明存在其他问题（例如边界反射应该进一步研究。意味着所测量的灵敏度与校准中所取的发射器与水听器间距有一定依赖性[55],[56]。带有集成前置放大器的水听器也会出现这种现象，因为前置放大器较大的体积所产生的反射信号会被水听器接收。较弱的材料制成，建议使用自由溢流管材作为水听器测试夹具并避免使用充气结c）对信号进行快速傅里叶变换（FFT）并获取信号频率处频谱的幅度，计算信号长度同样取整数d）对信号进行“窄带”离散傅里叶变换（D），dB/m[17]-[22]。高频传播损失的增加使大间距情况下的信噪比（包括各种因素的贡献）。如果在校准时使用水之外的其他介质，则需要获得其吸收特性[57]。微型水听器，应考虑采用IEC62127-2给出的替代方法，包括基于与经校准的标准换能器或水听器进行能器[2]。还有一种原级校准方法是用光学干涉仪测量声场（参见附录I）。换能器的输出声压与频率的平方成正比（尽管在第的测量，则下限频率可以进一步扩展[58],[59]。通过更复杂的信号处理技术可以扩展混响水池中自由场校准的下限频率[60]。其中一些方法试图在个信号模型，该模型可以从直接观测到的很少（甚至完全没有）的稳态响应中估计出稳态幅度和相位的具有瞬态抑制特性的信号驱动换能器，从而先例[61],[62]。还有一种方法是使用宽带短脉冲信号，单一脉冲即可覆盖一个很宽的频率范围且可以通过器对信号频谱成分进行均衡，但是在千赫兹频率以下，信噪比可能会降低[6],[60]。通带之外，于是可以将直达信号与反射信号分离[2],[63],[64]。还有其他一些方法利用伪随机噪声信号在扩散场中进行校准[6],[60],[65],[66]。抗ETI进行平均来消除反射的影响，进而得到自由场转移阻抗在测量水池有效频率范理想情况下，各次重复测量应真正独立，每次重复校准之前将水听器从水中取出再重新如，测量中的任何系统偏差都可以被视为B应从各个不确定度成分获得合成不确定度[43]。在合成之前，所有成分都应以标准不确定度表示。不确定度的合成需要建立一个模型将校准结果与测量的或涉及到的不确定度的所有不确定度报告应以扩展不确定度表述，此时，还应说明置信如百分比）而不是以分贝（dB）表示。扩展不确定度的最终结果既可以用百分比表示，也可以根据需注1：用分贝表示不确定度可能带来不对称分布（例如，+1.自由场互易法校准特有的不确定度来源[404)声波频率的不确定度（计算互易参数所需6)标准水听器校准的不确定度（比较法校准中的主要）；用标准发射器对水听器进行校准的比较法特有的不确10)任何关于发射器声场的假设的不确定度，例如，球面波声场假设（标准发射器比较法比标准13)标准发射器的不稳定（即自14)比较法校准时与标准发射器绝对校准时的环境条件不同会导致标准发射器灵敏度改变（例如所有上述方法共有的不确定度来源[4],[40]-[43]：15)稳态条件不充分，特别是在使用单频猝发信号的情况下（换能器的谐振频率和品质因数以及）；20)水听器安装结构的声散射（或由安装结构拾取和传导的振动）；21)接收电压测量的不确定度，包括测量仪器的不确定度（电压表、数字转换器等22)所用的任何放大器、滤波器和数字转换器增益的不确定度；23)驱动电流或电压测量的不确定度；24)测量系统非线性带来的不确定度（使用经校准的衰减器均衡测量信号可以显著降低该不确定25)所用的任何电信号衰减器的不确定度；27)对延长电缆和前置放大器的负载效应进行修正的不确定度；28)附着在换能器上的气泡或空气（应通过适当的润湿和浸泡使其最小化）；29)环境条件，例如水温和浸入深度（如果在校准结果中指定条件并且说明校准仅对所述条件有灵敏度MT和发送电流响应SI,T均未知，但假设其具有互易性。b)根据互易原理，MT与SI,T的商等于自由场互易参数J。知量：即自由场互易参数[33]-[35]。如果两个量的商和积均已知，则可以解出这两个量。基准方向上距参考中心距离d处产生的声压p为：··························该换能器组合的电转移阻抗的模|ZPH|PH|=····························得到该换能器组合的电转移阻抗的模|ZPT|：对于互易换能器，自由场灵敏度的模对发送电流响应的模的商等于参考距离为T|2=····························I,T|2=···························利用式（G.5）和（G.9）导出水听器灵敏I,p|2=··························射、T接收，第二次T发射、P接收，分别获得转移阻抗|ZPT|和|ZTP|。在同一频率下两次测量转移阻抗值的差异注2：如果使用三个以上的换能器进行校准，并且如果两个或多个换能器是互易的，则不确定度将会降低，因为可将测量进行扩展就可以确定自由场灵敏度的相位[44],[45]。复电转移阻抗ZPH为：ZPH=exp[jk(d0−d1)]·····················································(G.13)类似地，复电转移阻抗ZPT和ZTH为：ZPT=exp[jk(d0−d2)]······················································(G.14)ZTH=exp[jk(d0−d3)]·····················································(G.15)采用复球面波互易参数，式（G.7）对应的复数形·····································M=exp[jk(d1+d3−d2)]············································(G.20)SP=exp[jk(d1+d2−d3−2d0)]····································(G.21)为了避免这种情况，将三个换能器P、H和T排成一条直M=···················································水听器接收灵敏度的模|MH|用式（G.10）计算，相位θH按下式计算：·························行校准[67]-[76]。行波管的壁厚很厚以保持声学刚性。如果管壁的刚性不够可以进行修正[74]。率。声管无法在其横截面上维持均匀声压的临界点对应于可用于校准的上限频率[75]。严重，会影响测量灵敏度的结果[75]。如果声管可以加压和控制水温，则可以模拟实际海洋环境条件下的温度和静水压力进行校准[75]。该技术还可以进一步扩展用于测量材料特性，如插入损失等[76]。水听器的原级校准[80]-[84]，部分相关描述可参见IEC62127-2:2013[2]的附录F。电压和声压计算其自由场灵敏度[77]。该方法可用于测量水听器自由场复灵敏度[45],[82],[84]。（通常称为“薄膜”）同时涂覆极薄的光学反射层（几十纳米其反射来自干涉仪的光束。干涉仪测量薄膜的运动并可据此计算声压。干涉仪可以是外兹以上频率可能成为重要的不确定度来源[77]。对于外差干涉仪需要采取抗振、防震测量。而且因为通常通过低频光学干涉条纹进行响应校准，故光电二极管检测器的频率响应非常重要[80]。法的对比[71]-[76]。单频脉冲法更低的频率范围[85]-[90]。在水池混响场中的电转移阻抗（以下称为ETI）是频率的函数间，则可以以频率间隔Δƒ（其中Δƒ=1/Δt的影响。该处理方法可以得到自由场ETI频响的估计。在实用中，通常抑制前三个明显可以发射噪声信号并利用傅里叶变换。另一种方法是交替发射两个线性调频（LFM）信号（正弦和余如果预期的自由场ETI响应随频率变化很快，存在陡峭的峰和谷，平均如果预期的自由场ETI频响比较平坦，平均操作的误差可以忽略，因此可混响场ETI进行修正。具有频率依赖的量包括发射器电流和这种后处理称为复滑动加权平均法（CMWA）[85]-[89]。测a)发射器和水听器在水池中的布设应该与单频脉冲法校准时相同，并且在测量期间保持不变。如果最优化布设发射器和接收器，则应该使首达反射波相对直达信号的时延最大化。直达信号的时延tdb)发射一个（或一对）宽带连续信号，并且计算混响场中的复ET获得特定频段的自由场ETI，测量带宽应该在该频段的上下两端各超出加权平首先确定发射器电流的瞬时频谱Si(ƒ)和水听器输出电压的瞬时频谱Ri(ƒ)，通常通过对时域信号进和发射器电流与接收器电压的互谱Ri(ƒ)Ri(ƒ)*。·······························当使用傅里叶变换时，例如快速傅里叶变换（FFT所获得的频谱分辨率有限且与被处理的时域的持续时间必须很长。线性调频（LFM）信号可以无需FF据样本。发射的LFM信号可以表示为由实部和虚部组成的复数，典型情况是在发射时，以余弦和正弦LFM信号交替激励发射器，其间以大于水池的采集记录发射器电流Icos(t)和Isin(t)以及接收器输出电压Ucos(t)和Usin(t)。基于这些信号构建复电流I(t)=Icos(t)+jIsin(t)和U(t)/I(t)，所得Z(t)中的时间变量t可以根据LFM信Zrf(f)=Z(t)|t⟶f·······························································(J.2)频率变化率，以较慢的频率变化率进行更多测量可以改善不确定度。与LF变化且不一致，这也可能增加校准的不确定度。平稳噪声信号克服了LFM信号的这一缺点。[1]IEC60565-2,Underwateracoustics-Hydrophones-Calibrationofhydrophones-Part2:Proceduresforlowfrequencypressurecal[2]IEC62127-2,Ultrasonics—Hydrophones—Part2:Calibrationforultraso[3]ANSIS1.20:2012,ProceduresforCalibrationAmericanNationalStandardsInstitute,2012[4]BOBBER,R.J.Underwaterelectroacousti[5]URICK,R.J.Principlesofunderwatersoundfor[6]GIANGRECO,C.Mesuresacoustiquesappliquéesauxantennessonar.Lavoisier:Paris,1[7]SABIN,G.A.Calibrationofpistontransducersatmarginaltestdista36,p.168[8]SOROKIN,V.I.Determinationofthesensitivityofcylindrcalibrations.Sov.Phys.Acoust,1973,vol.19,p.274[9]FOOTE,K.G.Discriminatingbetweenthenearfieldandthefar-fieldofacoustictransducers,J.Soc.Am,2014,vol.136,p.1511-1517BOTHA,KRÜGERD.Aninternationalkeycomparisonoffreefieldhydrophonecalibrationsinthefrequency[12]BILANIUK,N.andWONG,GSK.SpeedofsoundinpurewaterasafunctionoftempeSoc.Am.,1993,vol.93,p.2306latitudefortheaccuratecalccalculationofsoundspeedinalloceans.[J.Acoust.Soc.Am.124(5),2774-2783(202009,vol.126,p.2117[15]ISAEVA.E.,MATVEEVA.N.,SMELOhydrophonecalibrationwithrespecttothefieldinahydroacoustictankbythereciprocitymethod.AcousticalPhysics,2004,vol.50,p.535-543[16]ISAEVA.E.Thesensitivityandcharacteristicsizeofahydrophoaresourcesofreflections.MeasurementTechniques,2005,vol.48,p.1227-1234constitution.Proc.Phys.Soc.,1949,vol.62,p.129-141p.493,andJ.Acoust.Soc.Am.,1962,vol.34,p.864[19]FISHERF.H.andSIMMONSV.P.Soun[20]FRANCOISR.E.andGARRISONG.R.Souwaterandmagnesiumsulfatecontributions.J.Acoust.Soc.Am.,72,1982,p.896–907Boricacidcontributionandequationfortotalabsorption.J.Acoust.Soc.Am.,1982,vol.72,p.1879–1890[22]AINSLIEM.A.andMcorrectingthecomplexelectricalimpedanceandopenaddedextensioncable”.2007,Meas.Sci.Technol.vol.1878,p.389-394ofhydrophonestandardsusedininternationalcomparisons.Metrologia,36,1999,p.281-295inFree-FieldHydrophoneRespo2002,p.799andSMITHIM.Amodelforcharacterisingthefrequencydependeofunderwateracoustictransducersfromhistoricalcal[28]BALLANTINE,S.Proc.Inst.RadioEngineers,17,1929,p.929-951[29]MACLEAN,W.R.Absolutem1940,p.140theelectro-acousticreciprocitytheorem,I.JAcoustSocAm,17,1945,p.109theelectro-acousticreciprocitytheorem,II.J.Acoust.Soc.[32]EBAUGH,P.,andMUESER,R.E.Thepracticalapplicationofthecalibrationofunderwatersoundtransducers.J.Acoust.Soc.Am.,19,1947,p.6951956,p.705[34]SIMMONS,B.D.,andURICK,R.J.Planewavereciprocitofelectroacoustictransducersatclosedistances.J.Ac[35]BOBBER,R.J.Generalreciprocityparameter.J.Acoust.Soc.Am,[37]CARTENSEN,E.L.Self-reciprocitycali1947,p.961[38]SIMMONS,B.D.,andURICK,R.J.Planewavereciprocityparameofelectroacoustictransducersatclosedistances.J.Aco[39]PATTERSON,R.B.Usingtheoceansurf[40]ROBINSON,S.P.andmethodofthree-transducerspherical-wavereciprocity.NPLReportRSA(EXT)054,NationalPhysicalacoustictransducerbythemethodoffree-fieldreciprocity,NPLReportMS9,Natifree-fieldcalibrationofhydrophonesbythethree-transducersphericalwavereciprocitymethod,PofINTERNOISE2016,p.7073-7082,Hamburg,August,2016.ISBNOnline978-3-939296-11-9fmeasurementdata-GuidetotheexpressionofunceMetrologycalibrationofhydrophonesinthefrequencyrange10fthesensitivityphase-frequencycharacteristicsofhydrophonesbythereciprocitymethod.MeasurementTechniques,2013,vol.56(6),p.706-711hydrophonecalibrationsinthefrequencyrange10kHzto315kHz.Metrologia,1999,vol.36,p.2ARussian-Chineseinternationalcomparisonofhydrophonecalibrationmethods.Metrologip.297-303f09004offree-fieldhydrophonecalibrationsinthefrequencyrange250Hzto8kHz.Metrologia,2015,[51]MALARKODIA.,LATHAG.,ATMANANDM.A.,ISAEVA.E.,MATVEEVA.N.,SHCHERBLIUKN.G.,MANNF.,C.JANSEN,3–500kHzFrequencyRangeMeasurementTechni1948,20,p.387[53]KENDIG,P.M.andMUESER,R.EJ.Acoust.Soc.Am,1947,vol.19,p.691[55]ISAEVA.E.Optimizationoftheunderwatersfree-field.MeasurementTechniques,2007,vol.50(1),p.85-90[56]ISAEVA.E.Amodifiedprocedureofthereciprocitymethodforcalibratinghydrophonesinafree-field.MeasurementTechniques,2007,vol.50(12),p.1320-1325T.G.WANGL.S.DIXJ.K.andJ.Acoust.Soc.Am,vol125(5),2009,p.2918-2927thecalibrationofhydrophonesandprojectorsinlaboratorytesttanksinthefrequencyrange250Hzto5kHz.Meas.Sci.Technol.2018,29,085001,httpstounderwaterelectroacoustictransducercalibration.J.Acoust.Soc.Am.,1995,vol.98,p.270-279[60]ROBINSON,S.P.Reviewo[61]PIQUETTE,J.C.Methodfortransducertransientsuppression.I:Theory.J.Acoust.Soc92,p.1203-1213[62]PIQUETTE,J.C.Methodfor1992,vol.92,p.1214-1221[63]HEYSER,R.Acousticalmeasurementsbytime-delayspectrometry.J.AudioEng.Soc.,1967,vol.15,p.[64]LUDWIG,G.andBRENDEL,K