JJF 2388-2026 水声材料声学性能参数测量系统（自由场法）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(自由场法)校准规范2026-04-02发布2026-10-02实施水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)校准规范ParametersMeasurement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：哈尔滨工程大学中国船舶集团有限公司系统工程研究院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：肖妍(哈尔滨工程大学)闫孝伟(中国船舶集团有限公司系统工程研究院)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声压反射系数测量偏差 5.3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水声材料声学性能测量的自由场宽带压缩脉冲叠加法 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(自由场法)校准规范本规范适用于测量频率范围为500Hz～500kHz、常温、常压下的水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)的校准。2引用文件本规范引用了下列文件：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GB/T3102.7声学的量和单位GB/T3223声学水声换能器自由场校准方法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。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均匀各向同性媒质中，边界影响可以忽略不计的声场。3.3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。21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。3.4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。[来源：GB/T14369—2011,3.4]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4.1用途水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)用于水声材料大面积样品在自由场环境下的声学性能参数测量，自由场环境包括可满足测量频率范围内自由场条件的消声或非消声水池、消声水罐和外场水域等，测量参数为水媒质中的样品声压反射系数和声压透射系数，可导出回声降低、插入损失和吸声系数。4.2原理水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)的组成框图如图1所示(以下简称测量系统),水池上方配置有升降回转装置，用来安装发射换能器、水听器和样品。计算机安装有测量软件，用来完成电子仪器控制、信号采集与处理、声学计算、测量结果保存和输出。采用人工读数测量时，信号采集器可用示波器替代。发射换能器水听器1(测量反射信号)d₂L(测量透射信号)任意信号图1水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)组成框图3应用正弦脉冲法测量时，换能器发射脉冲调制正弦波，通过示波器测量声场中放入样品之前与放入样品之后的直达参考声信号、样品反射和透射声信号幅值。应用宽带脉冲叠加法测量时，换能器发射宽带脉冲信号，可采用反滤波压缩处理来满足宽带测量要求(详见附录D)。运行测量系统软件采集与处理声场中放入样品之前的直达参考声信号、放入样品之后直达和样品反射叠加声信号，以及样品透射声信号，最后得到样品的声压透射系数和声压反射系数，也可参考GB/T14369的定义计算出插入损失、回声降低和吸声系数。本规范推荐使用宽带脉冲叠加法。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。5.3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由用户给出，应至少包含、但不限于常用的测量频率点。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)水温：5℃~30℃;d)环境噪声和电磁干扰应满足校准检测实验室有关要求。6.2测量标准及其他设备6.2.1测量标准采用厚度为5mm、平面度不大于0.1mm的不锈钢(牌号1Cr18Ni9Ti)矩形样品为测量参考标准，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，并作为校准时的标称值，最大允许误差不超过±0.03。其声学性能在不同水温下的变化可忽略，标称值的计算见附录C。标准样品尺寸应满足下列要求：a)采用正弦脉冲法测量时，样品最小尺度l应大于最低测量频率水中波长的5倍；b)采用宽带脉冲叠加法测量时，样品最小尺度l应大于最低测量频率水中波长的2倍，大于换能器发射主波束—6dB宽度。46.2.2其他设备a)卷尺：量程不小于10m,最大允许误差应不超过±1cm;b)温度计：在校准环境条件下，最大允许误差应不超过±0.2℃;c)测量水听器：校准频带内接收灵敏度应不小于-210dB,频率响应起伏应不大于±1.0dB,应具有良好的时间和温度稳定性；d)测量放大器：输入阻抗应不小于测量水听器电阻抗的100倍，校准频带内稳定性不大于0.05dB;e)数字示波器：校准频带内垂直偏转系数误差极限应不超过±3%。测量系统所含测量仪器应外观完整、无损坏，温度计和电子仪器在校准周期内检验合格。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。校准项目计量特性的条款号校准方法的条款号工2声压反射系数测量偏差3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)按要求准备测量仪器、发射换能器、水听器和被测标准样品；b)样品表面应先擦拭干净，在水中浸泡至少24h,使其表面充分浸润；c)按图1布置声场，连接仪器，记录各项距离和深度，记录水媒质的温度；d)检查被校测量系统的仪器和设备工作是否正常。7.2.2校准原理a)声源稳定性在某一校准频率工作时，选取测量水听器、测量放大器和数字示波器测量声源稳定性。调节测量系统的信号发生器和功率放大器输出到适当值，调节测量放大器增益，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,计算最大输出电压与最小输出电压之比，取对数，即为声源的稳定性，由式(1)计算：式中：Sp——测量系统的声源稳定性，dB;5Usmax——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)声压反射系数测量偏差在校准频率范围内，将测量得到样品的声压反射系数测量值R,与标称值R进行比较，由式(2)计算出测量偏差δR。式中：δR——在某一频率，标准样品声压反射系数测量偏差；Rp——在某一频率，标准样品声压反射系数测量值；R——在某一频率，标准样品声压反射系数标称值。c)声压透射系数测量偏差在校准频率范围内，将测量得到样品的声压透射系数测量值Tp与标称值T进行比较，由式(3)计算出测量偏差δT。式中：δT——在某一频率，标准样品声压透射系数测量偏差；T,——在某一频率，标准样品声压透射系数测量值；T₅——在某一频率，标准样品声压透射系数标称值。7.2.3校准步骤步骤如下：a)按图1布置声场，声源稳定性校准时用测量水听器替代水听器1或水听器2,记录水下部分各项距离、水深和水温；b)调节升降回转机构，使发射器和水听器的声中心在同一直线上，能使声波垂直入射标准样品；c)开启测量系统和其他校准设备，预热30min;d)运行系统测量软件，输入测量信息，设置校准频率，应选取不少于5个1/3倍频程中心频率(含上下限频率);e)调节功率放大器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；f)调节测量放大器增益，保证不低于20dB的输出信号信噪比，且不过载；g)根据声源稳定性校准原理，利用数字示波器多次读出测量水听器通道输出电压，计算得到声源稳定性；h)运行测量软件，实施仪器控制、信号采集与处理，完成样品入射波、反射波和透射波的测量，最后完成声学性能参数测量偏差的计算；i)数据处理，出具校准报告。68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。对声源稳定性的校准结果修约至一位小数，对声压反射系数和声压透射系数测量偏差的校准结果修约至两位小数。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JF1059.1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。7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。8A.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声源稳定性最大输出电压最小输出电压测量不确定度二、声压反射系数和透射系数的测量偏差测量不确定度测量不确定度校准条件：相对湿度：%校准依据：JJF2388—2026《水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)校准规范》测量不确定度：注：校准频率按1/3倍频程，或根据客户指定的频率。9测量不确定度的评定示例B.1声压反射系数测量模型被测试样的声压反射系数按式(B.1)进行计算：式中：Rp——被测试样的声压反射系数，无量纲值；pi——反射测量水听器接收到的直达信号输出，V;p.——反射测量水听器接收到的反射信号输出，V;L——发射换能器到反射测量水听器的距离，m;d₁——反射测量水听器到样品的距离，m。B.2声压反射系数传递公式因被测量R,为间接测量量，所以采用不确定度传递公式计算测量不确定度。式(B.1)中各直接测量量都相互独立，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声压反射系数不确定度分量的来源和评定B.3.1测量重复性引入的测量不确定度分量以校准频率2.0kHz～20kHz为例，选取1600mm×1200mm×5mm厚不锈钢板作为标准样品，通过对样品进行独立的6次测量(n=6),测量声压反射系数的6次测试数据及实验标准偏差结果见表B.1。表B.1(续)测量重复性引入的测量不确定度等于6次测试的实验标准偏差，测量频段内平均值为0.01。B.3.2测量不确定度分量的其他来源测试时，保持发射换能器到样品距离L=1.90m,反射水听器到样品距离d₁=0.08m。声压反射系数是一个相对参数，可以通过假设p为10V,由式(B.1)和表B.1的样品声压反射系数的6次测试结果得到2kHz～20kHz频段p.结果，如表B.2所示。其中，2kHz频率下，p=1.379V;20kHz频率下，p:=8.380V。以校准频率为20kHz时为例，计算可得不确定度传递公式中的各灵敏系数：声压反射系数测量不确定度的其他来源：a)数字示波器的量化误差引入的测量不确定度。测量示波器接收最大信号为10V,模/数转换器为8bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(-1/2,1/2)。所以，区间半宽a=10V/2⁸≈0.039V。p;和p.测试时会引入该分量，k=√3,则数字示波器量化误差引入的测量不确定度为：u₁(p.)=u₁(p.)=a/√3=0.0b)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(p:)=0.02×p:/√3=0.1u₂(p:)=0.02×p:/√3=0.0c)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：经离散傅里叶变换(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。对于本次测试，取最小的信号幅值，2kHz的反射信号幅值最小，计算标准偏差为0.138V。所以，信噪比引入的测量不确定度为：d)水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度。由于有无样品两次测量水听器灵敏度的起伏引入的测量不确定度。一般情况下水听器灵敏度起伏为±0.1dB,最大变化量2.3%,假设满足正态分布，取k=2,水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度为：e)声场不均匀性引入的测量不确定度。平面发射阵的辐射声场只能近似严格意义上的平面波，此外，水听器本身声散射及测试使用支架声散射都会引起声场起伏，一般可假设声场不均匀性在0.3dB范围内，最大变化量3.5%,满足正态分布，取k=2。由此引入的测量不确定度为：f)水听器位置偏移引入的测量不确定度。反射测量中因水听器位置偏移，由叠加法引入的反射声波信号偏离0.2dB之内，最大变化量2.3%。满足正态分布，取k=2。由此引入的测量不确定度为：g)距离测量精度引入的测量不确定度。距离测量的精度为1cm,均匀分布，所以其测量不确定度为：u₇(L)=u₇(d₁)=0.01m/√3≈0.B.4声压反射系数合成标准不确定度声压反射系数的测量不确定度来源汇总见表B.3。符号1测量重复性引入的测量不确定度2数字示波器的量化误差引入的测量不确定度3功率放大器稳定性引入的测量不确定度u2(p.)45水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度u(p.)6声场不均匀性引入的测量不确定度us(p.)us(p.)7水听器位置偏移引入的测量不确定度8由此可计算声压反射系数各直接测量量的测量不确定度分别为：u(p;)=√u(p;)+u2(p;)+us(pu(p:)=√u²(p:)+u2(p.)+u²(p:)+u²(p:)+u3(p:)+u²(p.)=0.234V代入式(B.2),可得由各直接测量量引入的测量不确定度：计入测量重复性引入的测量不确定度后，可得声压反射系数的合成标准不确定度为：B.5声压反射系数扩展不确定度取包含因子k=2,则声压反射系数的扩展不确定度：B.6声压透射系数测量模型被测试样的声压透射系数按式(B.3)进行计算：式中：T——被测试样的声压透射系数，无量纲值；pr——透射测量水听器接收到的透射信号输出，V;Pi——透射测量水听器接收到的直达信号输出，V。B.7声压透射系数传递公式因被测量声压透射系数为间接测量量，所以采用不确定度传递公式计算其合成标准不确定度。式(B.3)中各直接测量量都相互独立，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.8声压透射系数不确定度分量的来源和评定B.8.1测量重复性引入的测量不确定度分量选取1600mm×1200mm×5mm厚不锈钢板作为标准样品，通过对样品进行独立的6次测量(n=6),测试数据及实验标准偏差结果见表B.4。表B.4(续)测量重复性引入的测量不确定度等于6次测试的实验标准偏差，测量频段内平均值为0.02。B.8.2测量不确定度分量的其他来源因为本系统是通过程序直接获取声压透射系数结果的，不显示过程数据，声压透射系数是一个相对参数，可以通过假设p为10V,由式(B.3)和表B.4的样品声压透射系数的6次测试结果，可得到2kHz～20kHz频段p.结果，如表B.5所示。其以校准频率点20kHz为例，计算可得不确定度传递公式各灵敏系数：声压透射系数测量不确定度的其他来源：a)数字示波器的量化误差引入的测量不确定度。测量示波器接收最大信号为10V,模/数转换器为8bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(-1/2,1/2)。所以，半区间a=10V/2⁸=0.039V。pi和p.测试时会引入该分量，取k=√3,则数字示波器量化误差引入的测量不确定度为：u₁(p;)=u₁(p.)=a/√3=0.023Vb)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，取k=√3,所以引入的测量不确定度为：u₂(p;)=0.02×p:/√3=0.1u₂(p.)=0.02×p₁/√3=0.0c)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。对于本次测试，取最小的信号幅值，20kHz的透射信号幅值最小，只要20kHz的透射信号信噪比不小于20dB,就能保证其他信号满足信噪比要求。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。计算得20kHz时标准偏差为0.573V。所以，信噪比引入的测量不确定度为：d)水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度。由于有无样品两次测量水听器灵敏度的起伏引入的测量不确定度。一般情况下水听器灵敏度起伏为±0.1dB,最大变化量2.3%,假设满足正态分布，取k=2,水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度为：e)声场不均匀性引入的测量不确定度。平面发射阵的辐射声场只能近似严格意义上的平面波，此外，水听器本身声散射及测试使用支架声散射都会引起声场起伏，一般可假设声场不均匀性在0.3dB范围内，最大变化量3.5%,满足正态分布，取k=2。由此引入的测量不确定度为：B.9声压透射系数合成标准不确定度声压透射系数的测量不确定度来源汇总见表B.6。符号1测量重复性引入的测量不确定度2数字示波器量化误差引入的测量不确定度3功率放大器稳定性引入的测量不确定度表B.6(续)符号3功率放大器稳定性引入的测量不确定度45水听器灵敏度起伏引入的测量不确定度u4(p.)u(p.)6声场不均匀性引入的测量不确定度us(p.)由此可计算各直接测量量测量不确定度分别为：代入式(B.4),可得由各直接测量量引入的测量不确定度：计入测量重复性引入的测量不确定度后，可得声压透射系数的合成标准不确定度为：B.10声压透射系数扩展不确定度取包含因子k=2,则声压透射系数的扩展不确定度：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c。为5790m/s,密度po为7910kg/m³。水媒质的声速cw由经验式(C.1)得到，密度pw为1000kg/m³。水介质中厚度为h的不锈钢标准样品声压反射系数、声压透射系数的标称值R,和T,理论上可由式(C.2)～式(C.7)计算得到。k——水媒质中的声波波数，1/m;m——样品相对水媒质的特性阻抗；Po——标准样品钢板的密度，kg/m³;Pw——水媒质的密度，kg/m³;rp——标准样品声压反射系数的复数量；Tp——标准样品声压透射系数的复数量；R——标准样品声压反射系数的复数量幅值，简称声压反射系数；T₅——标准样品声压透射系数的复数量幅值，简称声压透射系数。计算得到水介质常温20℃下参考样品(厚度h=5mm)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标准样品性能参数标称值频率/kHz频率/kHz附录D水声材料声学性能测量的自由场宽带压缩脉冲叠加法D.1宽带脉冲压缩原理如图1所示，令信号源输出一宽带窄脉冲信号，如果测量系统的发射部分没有瞬态抑制处理，那么由于换能器Q值的缘故，辐射的声脉冲信号会有一定的瞬态时间，其频谱接近系统的频率响应函数H(f)。考虑使换能器发出的声信号为一个理想的尖脉冲信号，在测量频率范围内具有非常平坦的频谱。设想从信号源输入功放的信号不是近似δ(t)函数的方波而用频谱为1/H(f)的信号代替，则水听器接收到的声信号频谱可约等于1,在时域上可表现为很窄的尖脉冲，这一过程也称为反滤波。实际效果是对原来未作信号处理的输出声脉冲进行了压缩，使它接近我们希望的测量用信号，一般用最小平方标准来衡量这种接近的程度，其数学模型如图D.1所示。反滤波器测量系统反滤波器图D.1最小平方反滤波模型a(t)为反滤波因子，h(t)为测量系统冲激函数。因为测量系统是物理可实现系统，即当n<0时，h(n)=0;同时，系统的冲激响应具有最小相位特征，它的能量主要集中在[0,m]之间，令b(n)为h(n)的最小相位信号，有b(—1)=…=b(—m)=0,经推导可得到反可以不是δ(t),而是其他波形[如方波z(t)],输出也可以得到希望的压缩波形，此时方程(D.1)右边的b(n)用它和z(n)的互相关函数rb(n)代替。D.2测量方法按图D.1所示布置声场，水声材料声学性能参数测量系统(自由场法)所用水域应能保证满足测量频率范围内的声场条件，水池升降回转机构的承重应能满足吊挂发射换能器和标准样品，并具有一定的安全冗余；升降误差不应超过±1mm,回转误差不应超过±0.1°。声场布置、发射换能器、水听器的技术要求可参考引用文件宽带压缩脉冲叠加法测量时，反射测量中水听器1放置在离样品表面较近的位置，水听器1接收到的信号为直达信号和样品反射信号的叠加，即pa(t)=pi(t)+p(t)。通过先单独测量没有样品时的直达信号p;(t),然后在时域上进行相减处理的方法得到样品反射信号，即p₂(t)=pa(t)一p(t)。由式(D.2)～式(D.4)对直达信号pi(t)、样品反射信号p