11kHz～10kHz矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)規(guī)范(自由場(chǎng)比較法)本規(guī)范適用于常壓下1kHz～10kHz頻率范圍內(nèi)使用的矢量水聽(tīng)器的校準(zhǔn)，本規(guī)范引用下列文件：JJG185—1997500Hz～1MHz測(cè)量水聽(tīng)器JJF1001—2011通用計(jì)量術(shù)語(yǔ)及定義JJF1034—2005聲學(xué)計(jì)量名詞術(shù)語(yǔ)及定義JJF1340—201220Hz～2000Hz矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)規(guī)范GB3102.7—1993聲學(xué)的量和單位GB/T3947—1996聲學(xué)名詞術(shù)語(yǔ)凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術(shù)語(yǔ)和計(jì)量單位JJF1001—2011、JJF1034—200及以下術(shù)語(yǔ)和定義適用于本規(guī)范。本規(guī)范采用GB3102.7—1993規(guī)定的量和單位。3.1矢量水聽(tīng)器vectorhydrophone輸出電壓與質(zhì)點(diǎn)振速或聲壓梯度成比率的水聽(tīng)器，其指向性圖具有與余弦函數(shù)相似形狀的特性，并且該特性不隨頻率的改變而變化。3.2軸向靈敏度不對(duì)稱(chēng)性axialdeviationofsensitivity矢量水聽(tīng)器矢量通道的自由場(chǎng)電壓靈敏度級(jí)兩極大值之差。[JJF1340—2012,定義3.5]3.3橫向抑制比lateralrejectionratio矢量水聽(tīng)器矢量通道極大值與極小值之差。2帶有聲壓通道的矢量水聽(tīng)器，在矢量通道的極大值正方向上，矢量通道和聲壓通道矢量水聽(tīng)器用于測(cè)量媒質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速或聲壓梯度，也稱(chēng)振速水聽(tīng)器或聲壓梯度水聽(tīng)器。在聲波作用下，矢量水聽(tīng)器產(chǎn)生與媒質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振速或聲壓梯度值成正比的開(kāi)路電壓值。根據(jù)敏感元件材料的不同，矢量水聽(tīng)器可以分為壓電式、壓阻式、光纖式等；根據(jù)拾振原理的不同，又可分為同振式和壓差式等，通常的矢量水聽(tīng)器內(nèi)部還包含聲壓矢量水聽(tīng)器由靈敏元件、水密包覆層、支撐結(jié)構(gòu)、前置放大器和電纜等組成。在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽(tīng)器的自由場(chǎng)電壓靈敏度級(jí)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)電壓靈敏在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽(tīng)器的自由場(chǎng)振速靈敏度級(jí)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)振速靈敏在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽(tīng)器的自由場(chǎng)聲壓梯度靈敏度級(jí)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聲壓梯度靈敏度級(jí))一般在-253dB～-183dB之間[以1V/(μPa·m-1)為參考]。在校準(zhǔn)的頻率范圍內(nèi)，被校矢量水聽(tīng)器的橫向抑制比一般不低于20dB,軸向靈敏a)環(huán)境溫度：10℃~30℃;b)相對(duì)濕度：30%～90%;c)媒質(zhì)溫度：5℃~30℃。6.2測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備6.2.1標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器3電壓靈敏度級(jí)不應(yīng)小于一220.0dB,校準(zhǔn)的不確定度不應(yīng)大于0.7dB(k=2)。消聲水池為六面消聲，長(zhǎng)、寬、深尺寸不應(yīng)小于(15×10×10)m。坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置能帶動(dòng)被校矢量水聽(tīng)器在校準(zhǔn)聲場(chǎng)內(nèi)做水平回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)角度范圍應(yīng)大影響應(yīng)小于0.5dB,對(duì)相位影響不應(yīng)超過(guò)±2°;回轉(zhuǎn)裝置應(yīng)能進(jìn)行回轉(zhuǎn)角度讀取，分辨在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，能產(chǎn)生連續(xù)正弦信號(hào)或脈沖調(diào)制正弦信號(hào)。最大輸出幅度不應(yīng)小于1V有效值，在校準(zhǔn)期間內(nèi)輸出幅度變化不應(yīng)超過(guò)±0.1%,頻率示值誤差不應(yīng)超過(guò)±0.1%,在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，測(cè)量放大器的輸入阻抗比水聽(tīng)器的阻抗至少高100倍，動(dòng)態(tài)范圍不應(yīng)小于60dB,增益誤差不超過(guò)士0具備與計(jì)算機(jī)通訊的接口，采樣頻率應(yīng)高于1MHz,幅度測(cè)量最大允許誤差不應(yīng)超過(guò)±1%,滿足2級(jí)要求的1/3或1/1倍頻程濾波器。在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，通道隔離度應(yīng)優(yōu)于60dB。在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，電壓取樣系數(shù)為0.01或者0.1,電流取樣系數(shù)為0.1或者1在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，輸出阻抗與發(fā)射換能器阻抗相匹配，最大輸出功率不應(yīng)小于50W,輸出波形總失真(THD+N)不應(yīng)大于2%。在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)，發(fā)射換能器各頻帶發(fā)射源級(jí)應(yīng)大于背景噪聲15dB。工作電壓100V,絕緣電阻測(cè)量最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于±10%。電容值測(cè)量范圍1nF～100μF,電容測(cè)量最大允許誤差應(yīng)優(yōu)于±5%。量程不應(yīng)小于3m,最小分度1mm,優(yōu)于2級(jí)。4矢量水聽(tīng)器的校準(zhǔn)項(xiàng)目見(jiàn)表1。編號(hào)項(xiàng)目名稱(chēng)計(jì)量特性的條款號(hào)校準(zhǔn)方法的條款號(hào)1電壓靈敏度級(jí)23聲壓梯度靈敏度級(jí)4矢量-聲壓通道的相位差5a)矢量水聽(tīng)器的外觀應(yīng)完好，并有明顯的通道工作方向標(biāo)識(shí)，無(wú)影響正常工作的機(jī)械損傷等，被校矢量水聽(tīng)器應(yīng)有明顯的信號(hào)線、地線和供電線的標(biāo)記，并說(shuō)明供電電b)用無(wú)腐蝕作用的洗滌劑擦洗被校矢量水聽(tīng)器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的表面，在媒質(zhì)中浸泡至少1h;c)對(duì)于不帶前置放大器的矢量水聽(tīng)器，用電容測(cè)試儀測(cè)量輸出端的電容值，用絕d)按照矢量水聽(tīng)器的安裝要求，固定于坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置上，將發(fā)射換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和被測(cè)矢量水聽(tīng)器放置在水下同一深度，并用卷尺測(cè)量發(fā)射換能器和被校矢量水聽(tīng)器之間的距離dpx,以及發(fā)射換能器和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器之間的距離dp;e)按照?qǐng)D1所示連接各儀器設(shè)備、發(fā)射換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器及被校矢量水聽(tīng)器f)開(kāi)啟所有校準(zhǔn)用儀器設(shè)備，并預(yù)熱15min以上；g)在實(shí)際工作狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)發(fā)射換能器的激勵(lì)和停止，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器和被校矢量水聽(tīng)器開(kāi)路輸出電壓的信噪比，其值不應(yīng)小于15dB;h)調(diào)整信號(hào)源的輸出電壓幅度或者功率放大器的增益，使在校準(zhǔn)工作頻率范圍內(nèi)i)通過(guò)坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置調(diào)節(jié)被校矢量水聽(tīng)器的方向，使被校矢量通道的輸出值為7.2.2電壓靈敏度級(jí)、振速靈敏度級(jí)和聲壓梯度靈敏度級(jí)校準(zhǔn)裝置的框圖如圖1所示。5接口總線J?標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器p發(fā)射換能器F矢量水聽(tīng)器x將發(fā)射換能器F、標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器P及被校矢量水聽(tīng)器X按圖2所示的排列放入校準(zhǔn)聲場(chǎng)中，當(dāng)發(fā)射換能器的水平指向性起伏小于2dB時(shí)，可以采用圖2(a)的聲場(chǎng)排列方式，一般推薦采用圖2(b)的聲場(chǎng)排列方式，以減小由于水聽(tīng)器的指向性造成的測(cè)試誤差。測(cè)量換能器對(duì)F-P時(shí)發(fā)射換能器的發(fā)射電流和標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器的開(kāi)路電壓，按照公Urp標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器P的開(kāi)路電壓，V;測(cè)量換能器對(duì)F-X時(shí)發(fā)射換能器的發(fā)射電流和被校矢量水聽(tīng)器的開(kāi)路電壓，按照公式(2)計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗模|ZrxI6式中：drx發(fā)射換能器F與被校矢量水聽(tīng)器X聲中心之間的距離，m;drp發(fā)射換能器F與若測(cè)量時(shí)使Ip=I',則公式(3)變?yōu)榛蛴眉?jí)表示為M?=M?+20lgUrx-20lgUrp+20lgdr被校矢量水聽(tīng)器的振速靈敏度級(jí)和聲壓梯度靈敏度級(jí)由公式(6)和公式(7)給出。校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。式中：校準(zhǔn)頻率為1/3倍頻程中心頻率，或根據(jù)客戶的指定。7.2.2.2校準(zhǔn)步驟a)按照7.2.1進(jìn)行校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備；7c)將電子開(kāi)關(guān)切換至標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器輸出通道J?,使用數(shù)字示波器測(cè)量發(fā)射換能器F的激勵(lì)電流與標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器P的開(kāi)路電壓，按照公式(1)計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗模|Zrp|;d)將電子開(kāi)關(guān)切換至被校矢量水聽(tīng)器信號(hào)輸出通道J,使用數(shù)字示波器測(cè)量發(fā)射換能器F的激勵(lì)電流與被校矢量水聽(tīng)器X的開(kāi)路電壓，按照公式(2)計(jì)算轉(zhuǎn)移阻抗模 f)重復(fù)步驟b)～e),直至完成所有頻率點(diǎn)校準(zhǔn)；g)保持兩次測(cè)試的發(fā)射電流相等，按照公式(5)～公式(7)分別計(jì)算被校矢量如圖1所示，矢量水聽(tīng)器置于校準(zhǔn)聲場(chǎng)中接收聲壓，使用數(shù)字示波器測(cè)量矢量通道v.和信號(hào)源的輸出信號(hào)，通過(guò)FFT計(jì)算兩者的相位差qv;同理測(cè)量矢量水聽(tīng)器聲壓通道相對(duì)于信號(hào)源輸出信號(hào)的相位差qp。矢量水聽(tīng)器矢量-聲壓通道的相位差按公式(8)計(jì)算。校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。qv——矢量水聽(tīng)器矢量通道相對(duì)于信號(hào)源輸出信號(hào)的相位差，()。校準(zhǔn)頻率為1/3倍頻程中心頻率，或根據(jù)客戶的指定。a)按照7.2.1進(jìn)行校準(zhǔn)前的準(zhǔn)備；c)將電子開(kāi)關(guān)切換至被測(cè)矢量水聽(tīng)器信號(hào)輸出通道，測(cè)量其相對(duì)于信號(hào)源輸出信d)將電子開(kāi)關(guān)切換至被測(cè)矢量水聽(tīng)器的聲壓輸出通道，測(cè)量聲壓通道相對(duì)于信號(hào)f)重復(fù)步驟b)～e)直至完成所有頻率點(diǎn)校準(zhǔn)；g)按照公式(8)計(jì)算被校矢量水聽(tīng)器的矢量-聲壓通道的相位差。指向性是換能器的靈敏度隨入射聲波方向變化而改變的特性，通常用指向性圖表示。通過(guò)坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)被校矢量水聽(tīng)器在校準(zhǔn)聲場(chǎng)中水平回轉(zhuǎn)，同步測(cè)量矢量水聽(tīng)器被測(cè)通道的開(kāi)路電壓以及當(dāng)時(shí)的角度，開(kāi)路電壓值按照公式(9)進(jìn)行歸一化處理，8u:’各角度對(duì)應(yīng)的矢量水聽(tīng)器被測(cè)通道的歸一化值；u;——各角度對(duì)應(yīng)的矢量水聽(tīng)器被測(cè)通道的開(kāi)路電壓，V;umin——矢量水聽(tīng)器矢量被測(cè)通道的開(kāi)路電壓最小值，V;umax——矢量水聽(tīng)器矢量被測(cè)通道的開(kāi)路電壓最大值，V。指向性圖通常用極坐標(biāo)圖的形式表示，徑向坐標(biāo)表示響應(yīng)。徑向坐標(biāo)可以是線性坐標(biāo)，也可以是對(duì)數(shù)坐標(biāo)，在指向性圖的明顯位置上有清晰的表述。校準(zhǔn)頻率為1/3倍頻程中心頻率，或根據(jù)客戶的指定。校準(zhǔn)步驟如下：c)將電子開(kāi)關(guān)切換至被校矢量水聽(tīng)器信號(hào)輸出通道；d)通過(guò)坐標(biāo)回轉(zhuǎn)裝置將矢量水聽(tīng)器按照一定角度間隔轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度間隔不應(yīng)大于2°,在指向性最大值和最小值附近，轉(zhuǎn)動(dòng)角度的間隔不應(yīng)大于1°;e)記錄當(dāng)前的回轉(zhuǎn)角度值；f)通過(guò)數(shù)字示波器測(cè)量當(dāng)前矢量水聽(tīng)器的輸出開(kāi)路電壓h)記錄回轉(zhuǎn)的角度及其對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓測(cè)量數(shù)據(jù)，按照公式(9)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，繪制為極坐標(biāo)圖，極坐標(biāo)圖格式參考附錄A;i)根據(jù)記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算橫向抑制比、軸向靈敏度不對(duì)稱(chēng)性，并記錄到記錄表中，記錄表格式參考附錄A。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)8.1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)應(yīng)先計(jì)算，后修約。出具校準(zhǔn)數(shù)據(jù)按如下要求修約：a)聲壓靈敏度級(jí)、振速靈敏度級(jí)和聲壓梯度靈敏度級(jí)的測(cè)量結(jié)果，修約到b)矢量-聲壓通道相位差的測(cè)量結(jié)果，修約到0.1°;c)橫向抑制比和軸向靈敏度不對(duì)稱(chēng)性的測(cè)量結(jié)果修約到0.1dB。經(jīng)校準(zhǔn)的矢量水聽(tīng)器應(yīng)出具校準(zhǔn)證書(shū)。校準(zhǔn)證書(shū)至少應(yīng)包括以下信息：a)標(biāo)題，如“校準(zhǔn)證書(shū)”;b)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的名稱(chēng)和地址；c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(diǎn)(如果不在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn));9d)證書(shū)的唯一性標(biāo)識(shí)(如編號(hào)),每頁(yè)及總頁(yè)數(shù)的標(biāo)識(shí)g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期；h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性應(yīng)用有關(guān)時(shí)，應(yīng)對(duì)被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說(shuō)明i)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識(shí)，包括名稱(chēng)及代號(hào)1)校準(zhǔn)結(jié)果及其測(cè)量不確定度的說(shuō)明；m)對(duì)校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說(shuō)明o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對(duì)被校對(duì)象有效的聲明；p)未經(jīng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室書(shū)面批準(zhǔn)，不得部分復(fù)制證書(shū)的聲明校準(zhǔn)結(jié)果的測(cè)量不確定度按JJF1059.1—2012的要求評(píng)定，測(cè)量不確定度評(píng)定的矢量水聽(tīng)器的復(fù)校時(shí)間間隔建議為一年。然而，復(fù)校使用情況(使用部位的重要性、環(huán)境條件、使用頻率)、使用人員、儀器本身質(zhì)量等諸多因素，儀器使用者可根據(jù)實(shí)際使用情況并綜合考慮測(cè)量質(zhì)量的要求決定復(fù)校的時(shí)間校準(zhǔn)證書(shū)的內(nèi)容A.1推薦的矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)證書(shū)的內(nèi)頁(yè)格式矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)證書(shū)的內(nèi)頁(yè)格式注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。三、聲壓梯度靈敏度級(jí)[以1V/(μPa·m-1)為參考]:注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指注：校準(zhǔn)頻率按1/3倍頻程，或根據(jù)客戶的指定。五、指向性：(徑向坐標(biāo)對(duì)數(shù)刻度)姿王形王出形姿王形王出形4!上二義照壹軸向靈敏度不對(duì)稱(chēng)性：% ℃校準(zhǔn)依據(jù)：JJF1588—20161kHz～10kHz矢量水聽(tīng)器校準(zhǔn)規(guī)范(自由場(chǎng)比較法電壓靈敏度級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量不確定度：振速靈敏度級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量不確定度：聲壓梯度靈敏度級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量不確定度：相位校準(zhǔn)測(cè)量不確定度：指向性校準(zhǔn)測(cè)量不確定度：使用校準(zhǔn)裝置名稱(chēng)：電壓靈敏度級(jí)測(cè)量不確定度的評(píng)定示例B.1測(cè)量模型電壓靈敏度級(jí)計(jì)算公式見(jiàn)(B.1):M?=M?+20lgUrx-20lgUrp+20lgdrx-201gdep(B.1)B.1.1靈敏系數(shù)由公式(B.1)可求得各輸入量對(duì)電壓靈敏度級(jí)的靈敏系數(shù)為：B.2不確定度的A類(lèi)評(píng)定采用統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定不確定度。采用自由場(chǎng)比較法在1kHz～10kHz頻段對(duì)VHS56-1矢量水聽(tīng)器各進(jìn)行了6次獨(dú)立校準(zhǔn)，電壓靈敏度級(jí)重復(fù)測(cè)量的數(shù)據(jù)如表B.1所示，其中不確定度取實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值，即u?=0.33dB。表B.1電壓靈敏度級(jí)的測(cè)量數(shù)據(jù)一181.4一179.1一172.7序號(hào)123456B.3不確定度的B類(lèi)評(píng)定B.3.1不確定度的B類(lèi)評(píng)定主要來(lái)源1)標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器校準(zhǔn)引入的不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器校準(zhǔn)結(jié)果偏差不應(yīng)超過(guò)±0.70dB,k=2,則標(biāo)準(zhǔn)水聽(tīng)器校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：因其靈敏系數(shù)c(M?)=1,故其對(duì)應(yīng)的不確定度分量為：2)電壓讀數(shù)誤差引入的不確定度分量數(shù)字示波器的示值誤差不應(yīng)超過(guò)±1.0%,以Urx為例，由表B.2可知，數(shù)字電壓表示值算術(shù)平均值為253.1mV,則絕對(duì)誤差為±2.53mV,以均勻分布考慮，取k=√3,則測(cè)量Urx時(shí)數(shù)字電壓表示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u(Urx)=2.53mV//3=1.故其對(duì)應(yīng)的不確定度分量為：同理可得測(cè)量Urp時(shí)數(shù)字電壓表示值誤差引入的不確定度分量為：uRg=-0.05dB。3)信號(hào)發(fā)生器頻率指示誤差引入的不確定度認(rèn)為可忽略不計(jì)。4)距離測(cè)量引入的不確定度分量對(duì)距離測(cè)量的示值誤差不應(yīng)超過(guò)士1.0%,以drx為例，由表B.2可知，深度測(cè)量值的算術(shù)平均值為1.01m,則絕對(duì)誤差為±0.0101m,以正態(tài)分布考慮，取k=1.96,則測(cè)量drx時(shí)深度測(cè)量的示值誤差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：u(drx)=0.0101m/1.96=0.00515