JJF 2389-2026 水声材料声学性能参数测量系统（行波管法）校准规范

中华人民共和国国家计量技术规范水声材料声学性能参数测量系统(行波管法)校准规范SystemsofUnderwaterAcousticMaterials(TravellingWaveTubeMetho2026-04-02发布2026-10-02实施水声材料声学性能参数测量系统(行波管法)校准规范ParametersMeasurementSyst归口单位：全国声学计量技术委员会主要起草单位：中国船舶集团有限公司第七一五研究所参加起草单位：中国船舶集团有限公司系统工程研究院中国船舶集团有限公司第七二五研究所本规范委托全国声学计量技术委员会负责解释本规范主要起草人：李水(中国船舶集团有限公司第七一五研究所)易燕(中国船舶集团有限公司第七一五研究所)赵涵(中国船舶集团有限公司第七一五研究所)参加起草人：闫孝伟(中国船舶集团有限公司系统工程研究院)樊宁波(中国船舶集团有限公司第七二五研究所)I (1)2引用文件 3术语和计量单位 4概述 5计量特性 5.1声源稳定性 5.2行波场偏差 5.3声压反射系数测量偏差 5.4声压透射系数测量偏差 6校准条件 6.1环境条件 6.2测量标准及其他设备 7校准项目和校准方法 7.1校准项目 7.2校准方法 8校准结果的表达 8.1校准数据处理 8.2校准证书 8.3校准结果的不确定度评定 9复校时间间隔 附录B测量不确定度的评定示例 附录C标准样品性能参数标称值 附录D水声材料声学性能参数测量系统(行波管法) ⅡJJF1071—2010《国家计量校准规范编及定义》、JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范制定工作的基础性系列规范。本规范为首次发布。1水声材料声学性能参数测量系统(行波管法)校准规范本规范适用于频率范围为50Hz～4kHz、水温范围为5℃~35℃、静水压范围为0.5MPa～10MPa的水声材料声学性能参数测量系统(行波管法)的校准。2引用文件本规范引用下列文件：JJG449倍频程和分数倍频程滤波器检定规程JJF1001通用计量术语及定义JJF1034声学计量术语及定义JJF1059.1测量不确定度评定与表示JJF1446阻抗管校准规范(传递函数法)GB/T3102.7声学的量和单位GB/T3947声学名词术语GB/T14369声学水声材料样品插入损失、回声降低和吸声系数的测量方法GB/T32523声学水声材料样品声压反射系数、声压透射系数和吸声系数的测量行波管法凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位GB/T14369、GB/T32523界定的及以下术语和定义适用于本规范。本规范采用GB/T3102.7规定的量和单位。3.1水声材料underwateracousticmaterial在其中产生和传播平面行波，用于测量水声材料和构件样品，或校准水听器的充液波导管。注：行波管一般采用壁厚不小于管内半径的不锈钢圆管。23.3双水听器传递函数doublehydrophonestransferfunction给定频率和环境条件下，声场中水听器m和水听器n位置处的复声压之比。2m,n为水听器编号。3.4声压反射系数soundpressurereflectioncoefficient给定频率和环境条件下，水媒质中平面声波入射到无限大板状样品表面，其反射波声压与入射波声压之比。1符号为R。2实际测量时，在边缘效应可忽略的情况下，有限尺寸样品等效为无限大样品。3.5声压透射系数soundpressuretransmissioncoefficient给定频率和环境条件下，水媒质中平面声波入射到无限大板状样品表面，其透射波声压与入射波声压之比。1符号为T。2实际测量时，在边缘效应可忽略的情况下，有限尺寸样品等效为无限大样品。4概述水声材料声学性能参数测量系统(行波管法)(以下简称：测量系统)用于水声材料样品在模拟深水环境条件下的低频声学性能参数测量，测量参数为水媒质中的声压反射系数和声压透射系数，并导出回声降低、插入损失和吸声系数。其测量频率上限可以和水声材料声学性能参数测量系统(脉冲管法)的工作频率范围衔接，覆盖水声检测校准的常用频段。4.2原理测量系统的原理框图如图1所示，由装有主、次发射换能器和水听器的充水行波管、测量电子仪器和辅助系统组成。测量系统工作时，位于行波管下端的主发射换能器发射连续正弦声波，垂直入射到样品下表面。采用主动消声技术，使位于行波管上端的次发射换能器发射特定幅值和相位的同频正弦声波，抵消入射到次发射换能器表面的声波，次发射换能器表面的等效声压反射系数接近于零，形成满足自由场测量所要求的行波声场。然后，采用双水听器传递函数法测量出样品的声压反射系数和声压透射系数。功率功率放大器2水听器43双路变温系统辅助系统功率放大器1机电系统多路信号采集器多路前放滤波器次发射换能器充水行波管接线盒样品图1测量系统的原理框图5计量特性5.1声源稳定性在测量系统工作频率范围内，1h内声源稳定性一般优于0.2dB。5.2行波场偏差在测量系统工作频率范围内，行波场偏差为次发射换能器表面的等效声压反射系数与标称值相比，应小于0.05。5.3声压反射系数测量偏差声压反射系数测量值与标称值的偏差不大于测量不确定度。5.4声压透射系数测量偏差声压透射系数测量值与标称值的偏差不大于测量不确定度。具体被校测量系统的工作频率范围、水温和静水压调节范围由用户给出，应至少包含、但不限于常用的测量频率点、测量水温和水压控制点。注：以上技术要求不用于合格判定，仅供参考。6校准条件6.1环境条件环境条件要求如下：a)室温：10℃~30℃;b)相对湿度：30%～90%;c)环境噪声和电磁干扰应满足校准检测实验室有关要求。46.2测量标准及其他设备6.2.1测量标准采用厚度为50mm的不锈钢(牌号1Cr18Ni9Ti)圆柱样品为测量参考标准，圆柱度应不大于0.5mm,平面度不大于0.5mm,样品与行波管内壁的间隙应不大于1.0mm。在水媒质中的声压反射系数和声压透射系数理论上可计算，作为校准时的标称值，精度优于0.03。其声学性能在不同静水压和水温下变化可忽略不计，标称值的计算见附录C。a)多路信号采集器的A/D分辨率至少为16位，采样率应不小于测量系统最高工作频率的10倍。b)多路前放滤波器增益不低于20dB,应能过滤测量频率范围以外的低频噪声和高频干扰信号，满足JJG449—2014对1级滤波器的要求。c)游标卡尺：量程不小于100mm,最大允许误差应不超过±0.1mm。d)温度计：在校准环境条件下，最大允许误差应不超过±0.2℃。e)压力表：在校准环境条件下，精度等级应为1级或优于1级。测量系统所含行波管和测量电子仪器应外观完整、无损坏，游标卡尺、温度计、压力表和电子仪器在校准或检定周期内校准结果满足要求或检定合格。7校准项目和校准方法7.1校准项目测量系统校准项目见表1。表1测量系统校准项目一览表校准项目计量特性的条款号校准方法的条款号12行波场偏差3声压反射系数测量偏差4声压透射系数测量偏差7.2校准方法7.2.1校准前准备a)打开行波管，将浸润清洗后的标准样品放到中央支架上，闭合、锁紧行波管；b)行波管内注入蒸馏水，首次注水或换水后应稳定至少48h,使管壁与水媒质充分浸润，达到温度平衡；c)通过抽真空或加压方式消除水媒质中所含的气泡；d)检查被校测量系统的发射换能器、水听器、电子仪器和辅助设备工作是否正常，应满足行波管声场信噪比不小于20dB的条件。57.2.2校准原理a)声源稳定性在某一校准频率工作时，选取全部水听器通道测量声源稳定性。调节信号发生器和功率放大器输出到适当值，调节前置放大器增益，避免过载。每隔10min采集一次水听器通道输出电压，连续检测1h,计算最大输出电压Usmax与最小输出电压Usmin之比，取对数即为测量系统的声源稳定性，按公式(1)计算：式中：Sp——测量系统的声源稳定性，dB;Usmax——水听器通道输出电压最大值，V;Usmin——水听器通道输出电压最小值，V。b)行波场偏差在某一校准频率工作时，将管中无样品时测得的次发射换能器表面等效声压反射系数R。和标称值δ。进行比较，由公式(2)计算行波场偏差δ,一般取δo=0.00,完成对测量系统行波场偏差的校准。式中：δ——测量系统的行波场偏差；R₀——次发射换能器表面等效声压反射系数测量值；δo——次发射换能器表面等效声压反射系数标称值。c)声压反射系数测量偏差在某一校准频率工作时，将测得的标准样品声压反射系数测量值R,与其标称值R,进行比较，由公式(3)计算出测量偏差δR,完成对测量系统声压反射系数测量偏差的校准。式中：δR——测量系统的声压反射系数测量偏差；Rp——标准样品声压反射系数测量值；R——标准样品声压反射系数标称值。d)声压透射系数测量偏差在某一校准频率工作时，将测得的标准样品声压透射系数测量值T,与其标称值T进行比较，由公式(4)计算出测量偏差δT,完成对测量系统声压透射系数测量偏差的校准。6式中：T——标准样品声压透射系数测量值；T₅——标准样品声压透射系数标称值。7.2.3校准步骤校准程序流程如图2所示。频率输入频率输入水温控制有水压控制否声源稳定性校准有测量参数校准开始校准开启测量系统新水温点有无无无是图2校准程序流程图所有频率点校准完毕后，可根据需要调节压力点和水温，继续全频段的测量，通常按先改变水温再改变压力的顺序进行校准，步骤如下：a)开启测量系统，预热30min;b)运行测量软件，输入测量信息，设置校准频率，记录当前的水温和水压；c)调节功率放大器1和2的输出增益到合适值，用示波器监测功率放大器的输出信号，保证信号不失真；d)调节多路前放滤波器增益，保证不低于20dB的输出信号信噪比，且仪器不e)按7.2.2a)所述的校准原理，完成声源稳定性的校准；f)运行测量模块，进行信号发射、采集，建立管中无样品时的行波场；g)按7.2.2b)所述的校准原理，完成行波场偏差的校准；h)建立管中有标准样品时的行波场，完成声压反射系数和声压透射系数测量偏差7的校准；i)控制系统调节水压到下一个校准压力点，重复b)～h)过程；j)控制系统调节水温到下一个校准水温点，重复b)～i)过程；k)完成所有水温点、水压点的校准以后，对行波管进行泄压、放水操作；1)通过辅助系统打开行波管，取出标准样品；m)数据处理，出具校准报告。8校准结果的表达8.1校准数据处理所有的数据应先计算，后修约。所出具的声源稳定性校准数据修约至一位小数，行波场偏差、声压反射系数和声压透射系数校准数据修约至两位小数。8.2校准证书经校准后，应出具测量系统校准证书。校准证书应包括的信息及推荐的校准证书的内页格式参见附录A。8.3校准结果的不确定度评定测量系统校准结果的测量不确定度按JJF1059.1的要求评定，测量不确定度评定的示例参见附录B。9复校时间间隔测量系统的复校时间间隔建议为1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此被校测量系统的单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。8附录A校准证书的内容a)标题，如“校准证书”;b)校准实验室的名称和地址；c)进行校准的地点(如果不在实验室内进行校准);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识；e)客户的名称和地址；f)被校对象的描述和明确标识；g)进行校准的日期；h)如果与校准结果的有效性或应用有关时，应对被校样品的抽样程序进行说明；i)校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号；j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明；k)环境条件的描述；1)校准结果及其测量不确定度的说明；m)对校准规范的偏离的说明；n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识；o)校准结果仅对被校对象有效的声明；p)未经校准实验室书面批准，不得部分复制证书的声明。9A.2推荐的测量系统校准证书的内页格式见表A.1。表A.1测量系统校准证书的内页格式一、声源稳定性和行波场偏差频率/声源稳定性行波场偏差最大输出电压最小输出电压测量不确定度δ测量不确定度二、声压反射系数和透射系数的测量偏差相对湿度：%注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户指定的频率。测量不确定度的评定示例B.1测量模型当行波管中行波场建立后，可由简化后的公式(B.1)～公式(B.7)计算样品的声压反射系数R,和声压透射系数T:将测量得到的声压反射系数Rp和声压透射系数T分别与标准样品的标称值R和T进行比较，由公式(B.8)和公式(B.9)计算出测量偏差，完成对测量系统的校准。δR=|R—R₅|rp——样品的声压反射系数复数量；Tp——样品的声压透射系数复数量；H₂₁——1号水听器和2号水听器位置声压的传递函数；H₃₁——1号水听器和3号水听器位置声压的传递函数；k——行波管水媒质中的声波波数，m⁻¹;L₁2——1号水听器和2号水听器之间的距离，m;L₁——1号水听器到样品下表面的距离，m;L₃——3号水听器到样品下表面的距离，mU₁——1号水听器通道输出的电压幅值，V;U₂——2号水听器通道输出的电压幅值，V;U₃——3号水听器通道输出的电压幅值，V;41——1号水听器通道输出的电压相位，rad;43——3号水听器通道输出的电压相位，rad;Rp——标准样品声压反射系数的测量值；Tp——标准样品声压透射系数的测量值；R.——标准样品声压反射系数的标称值；T,——标准样品声压透射系数的标称值；定度分别与Rp和T相同。B.2传递公式和声压透射系数虽然是间接测量量，但因为测量公式极为复杂，不可能通过计算不确定度传递公式来计算声压反射系数和声压透射系数的合成标准不确定度。影响其测量不确定度的因素中，水听器之间、水听器到样品的距离取决于机械结构精密度，可以忽略，测量不确定度主要来源于双水听器传递函数的测量。先对双水听器传递函数的和公式(B.6)、公式(B.7),得到声压反射系数和声压透射系数的测量值范围，从而获取由双水听器传递函数引入的测量不确定度。作为间接测量量的双水听器传递函数，采用不确定度传递公式计算其测量不确定度。公式(B.3)、公式(B.4)中各直接测量量都互相独立，互不相关，不确定度传递公式可简化为：其中灵敏系数分别为：B.3测量不确定度的来源与评定B.3.1测量重复性引入的测量不确定度分量在相同测量条件下对标准样品重复测量6次，以实验标准偏差作为测量重复性引入的测量不确定度分量，测试数据及实验标准偏差结果见表B.1和表B.2。RT声压反射系数测量结果的实验标准偏差：在100Hz时，实验标准偏差为0.009。声压透射系数测量结果的实验标准偏差：在100Hz时，实验标准偏差为0.008。由重复测量引入的测量不确定度分别为：B.3.2双水听器传递函数引入的测量不确定度以测量频率为100Hz时为例，l₁₂为1.2m,L₁为0.8m,L₃为0.8m。水中声速取26℃时声速，为1500m/s。表B.3～表B.10为声压反射系数、声压透射系数6次测试过程中，U₁、U₂、U₃、41、42、4表B.31号水听器通道输出电压幅值6次测试结果表B.42号水听器通道输出电压幅值6次测试结果表B.53号水听器通道输出电压幅值6次测试结果表B.61号水听器通道输出电压相位6次测试结果表B.72号水听器通道输出电压相位6次测试结果表B.83号水听器通道输出电压相位6次测试结果计算各灵敏系数为：双水听器传递函数H₂1和H₃1的测量不确定度主要来源于：a)信号采集系统的量化误差引入的测量不确定度。信号采集器接收最大信号为10V,模/数转换器为16bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(-1/2,1/2)。所以，区间的半宽度。取k=√3,则信号采集系统量化误差引入的测量不确定度为：u₁(U₁)=u₁(U₂)=u₁(U₃)=a/√3=0.b)功率放大器稳定性引入的测量不确定度。一般对功率放大器的稳定性要求是：在1h内信号幅值波动不超过±1%。假设其为均匀分布，k=√3,所以引入的测量不确定度为：u₂(U₁)=0.02×U₁/√3=0.u₂(U₂)=0.02×U₂/√3=0.u₂(U₃)=0.02×U₃/√3=0.c)信噪比引入的测量不确定度。本系统的信噪比一般不低于20dB。信噪比为：经DFT计算得到信号在测量频率f的幅值，满足正态分布，取k=2。取U=2V,计算得标准偏差为0.20V。所以，信噪比引入的测量不确定度为：d)声场不均匀性引入的测量不确定度。测试时行波管中声场与严格意义上的行波场有差异，两段管体连接处的测量支架以及样品和行波管管壁的间隙都会对声场造成干扰，一般可假设声场不均匀性在0.5dB以内，最大变化量5.8%,满足正态分布，取k=2。由此引入的测量不确定度为：e)信号采集相位误差引入的测量不确定度。测量系统的采样率为40kHz,假设其为均匀分布，取k=√3,则信号采集相位误差引入的测量不确定度为：双水听器传递函数H₂1、H₃1的测量不确定度来源汇总见表B.11。标准不确定度符号l2功率放大器稳定性引入的测量不确定度34声场不均匀性引入的测量不确定度5由此可计算各直接测量量的测量不确定度分别为：u(U₁)=√u²(U₁)+u2(U₁)+u3(U₁)+u²(U₁)=0.258Vu(U₂)=√u²(U₂)+u²(U₂)+u3(U₂)+u²(U₂)=0u(φ2)=u5(φ2)=0.000rad代入公式(B.10)和公式(B.11),可得双水听器传递函数的测量不确定度：双水听器传递函数的测量下限为：双水听器传递函数的测量上限为：函数引入的测量不确定度分量为：B.4合成标准不确定度计入测量重复性引入的测量不确定度后，可得声压反射系数和声压透射系数的合成标准不确定度为：综上所述，声压反射系数的合成标准不确定度为0.05,声压透射系数的合成标准不确定度为0.03。B.5扩展不确定度取包含因子k=2,不失一般性，取声压反射系数和声压透射系数的扩展不确定度为：UR=k·u(Rp)=0.10标准样品性能参数标称值查《声学材料手册》可知：不锈钢(牌号1Cr18Ni9Ti)在校准频率范围内、在常温、常压条件下，声速c₀为5790m/s,密度po为7910kg/m³。管中水媒质的声速cw由经验公式(C.1)得到，取密度pw为1000kg/m³。水媒质中厚度为h的不锈钢参考样品声压反射系数、声压透射系数的标称值R和T理论上可由公式(C.2)～公式(C.7)R.=|rpT,=|zph——标准样品的厚度，m/s;k——标准样品中的声波波数，m⁻¹;m——标准样品与水媒质的特性阻抗之比，即相对特性阻抗；rp——标准样品的复声压反射系数；R——标准样品声压反射系数的标称值；tw——水媒质的温度，℃;T——标准样品声压透射系数的标称值；Tp——标准样品的复声压透射系数；Po——标准样品的密度，kg/m³;Pw——水媒质的密度，kg/m³。计算得到水媒质常温20℃下标准样品(厚度h=50mm)声压反射系数和声压透射系数标称值，如表C.1所示。表C.1标准样品声学性能参数标称值反射系数R,透射系数T₃反射系数R,透射系数T₃D.1系统组成测量系统原理框图如图1所示，由行波管、发射换能器、水听器、测量电子仪器和辅助系统组成。(1)行波管行波管为不锈钢材质，壁厚应均匀，内壁应光洁，管壁厚度与管内半径之比应不小于1.0。管内应充除气水，样品安装于行波管中部。根据波导理论，行波管内沿管轴方向传播平面波的条件和测量频率有关，测量频率上限f₁取决于行波管内半径a,由公式(D.1)表示：当发射换能器表面的振速分布中心对称时，测量频率上限f可提高，由公式(D.2)表示：式中：fi——测量频率上限，Hz;Cw——行波管水媒质中的声速，m/s;a——行波管内半径，m。测量频率下限由行波管内声场信噪比决定，应满足信噪比不小于20dB的条件。在某一校准频率工作时，声管中行波场建立后，采集3号水听器和4号水听器位置声场的声压，计算水听器组的传递函数H₄₃,由公式(D.3)、公式(D.4)计算次发射换能器表面的声压反射系数R₀:式中：ro——次发射换能器表面的声压反射系数复数值；Ro——次发射换能器表面的声压反射系数；H₄₃——4号水听器和3号水听器位置声场的复声压传递函数；kw——行波管水媒质中的声波波数，m⁻¹;l₃4——3号和4号水听器的间距，m;L₄——4号水听器到次发射换能器表面的距离，m。将测量得到的次发射换能器表面的声压反射系数R₀和全吸声面反射系数标称值δ。进行比较，满足公式(D.5):(2)发射换能器发射换能器包括主发射换能器和次发射换能器，应符合下列要求：a)发射换能器应采用平面活塞型发射换能器，次发射换能器外径与行波管内径之间的间隙应不大于2mm;b)在校准频率范围内，发送电压响应[级]应不小于120dB,或发送电流响应[级]应不小于125dB;c)在变温、变压测量条件下，应有良好的温度稳定性及压力稳定性；d)主发射换能器、次发射换能器安装时应与行波管之间采用去耦设计，使发射换能器与管体的耦合振动最小。(3)水