1、中华人民共和国国家标准GB/T 15 611 1995 声学高频水昕器校准AcousticsCalibratlon of hlgh frequency hydrophone 本标准参照IEC866，198720MHz 准确度优于士10-稳定度优于士10-5C. 匹配网络(可调电感)11 000H d. 前置放大器和滤波器GB/T 1 5611 -1 995 连续可调连续可调可调作水昕器阻抗变换和信号放大用，应预先校准e. 数字存贮示波器频响范围20MHz 输入阻抗1Mnjj30 pF A/O变换8bit f. 电流变换器准确度优于士1%g. 标准无感电阻Ro准确度优于:!:l%h. 精密衰减器
2、量程。60dB 准确度优于士0.1dB 2.2.3 辅助换能器辅助换能器应是一个直径大于水中波长十倍的圆形平面活塞型换能器，且真直径对水昕器的直径之比大于5。辅助换能器的有效半径a，是等效活塞声源的半径。远场中声压振幅的空间分布非常接近于从半径为剧的活塞声源产生的声场。有效半径向的值1泣不大f敏感元件半径的+2%到5%确定有效半径的方法见附录岛。辅助换能器应具有互易性，可以按如下方法检查z成对地检查换能器，一个作发射，另一个接收。不改变二个换能器的位置，收、发功能互换，比较转移阻抗，三个值之走不应大于10%。如;性大于10%.说明起码有个换能器不合格。用第-个换能器来进行以t测试，可以发现哪一
3、个是不合适的。如果二个换能器结构是相同的，它们可能相同程度地线性或非线性。所以，应使用几种类型的换能器来进行检验。2.2.4 反射器反射器应由不锈钢圆盘构成，此困盘应有足够大的直径，使能反射来自辅助换能器的全部的声波，反射器的厚度应满足后表面的第一个反射在最低频率时不会和前表面直接反射的猝发声发生干涉。反射器的平面度应优于土10m，表面光洁度应优于士5m。2.2.5 声程在校准过程中，推荐声程的总长度(自易法时为2d.对于二换能器豆易为d+矶，通常取d=d1，参见图1)应在1.5 J1J 3倍的近场距离之间。2.2.6 测试水槽水槽应充分大，以保证辅助换能器和水昕器之间的距离至少是辅助换能器近
4、场距离的1.5倍。水槽的四周和水表面离换能器和水听器应有充分的距离以保证四壁反射信号与直达声分开。而且，口J能的话，这些表商应贴附吸声材料。水槽内充以新鲜蒸馆水或除气水，最好48h更换次或通过减压到GB/T 15611-1995 2000 Pa或加热到80C达1h的方法除去水中气泡。2.2.7 调整换能器、7(昕器及反射器应被安装在稳定、刚性的支架上并可进行适当的调整。为了保证测量的准确性，声中心的定向调整准确度要求优于士0.050换能器位置的调整精度要求优于士0.1ffiffio 2.3 校准程序对图1的校准装置，使用数字存贮示波器的方法进行水昕器的高频校准，如图l所示。a. 调整反射器，使
5、其表面与入射声波垂直，且满足1.52d/aD30 测出1，和U，值。b. 将反射器移开，调整待测水听器，使入射声波的轴线通过待测水听器声中心，且使d1=d，测出1，和U值。a、b步骤可通过观察示波器进行，调整反射器或水昕器，也可调整辅助换能祷，使接收信号电压达到最大。测量出1，、矶、U值后，按公式(2)可得水听器的表观自由场灵敏度。对图2的校准装置，使用精密衰减器的方法进行水昕器的高频校准，校准程序为a. 调整辅助换能器T和反射器R之间的距离d.使其满足1.52d/al3， b. 联动开关A置于test位置，开关B置于U，位置，开关C置于u位置，调整T的方位，使从反射器来的第一个回波达到最大，
6、通过改变联动开关A的位置，使R，两端的参考电压U，;fnu，交替显示在示波器上，调整精密衰减器的衰减量，使二者相等，由衰减器读数可得比值al = U/U.ef = 10-0.05、 开关C置于I的位景，通过改变联动开关A.使1，与流经Ro的电流Iref=Uref/Ro的信号交替显示在示波器上。调整精密衰减器的衰减量，使二者相等，由衰减器读数吨，可得比值al = 1,/1, = 10-0臼d. 移去反射器，调整辅助换能器T与水昕器H之间的距离(d，+d)=2d.使之满足1.5 (d，+d)/al3， e. 联动开关置于test位置，开关B置于U位置，开关C置于U位置，反复调整T和H的横向位置和方
7、位，使二者处于声学共轴状态，此时水昕糠的输出U达到最大值，改变联动开关A的位置，使U信号与U时信号交替显示在示波器上，调整精密衰减器，使二者相等，由衰减器的读数叫可得比值au = U;Uref = 10-0053 水听器的表观自由场灵敏度为M篝= 主生旦i主坠2缸Z丘!: 1/ al飞av川j几，I ( 3 ) 2.4 结果计算在计算校准结果时，需要对表观电压灵敏度迸行修正，修正因子为k.则水听器的自由场电压灵敏度为是值为zM=M晶_ k = (晶fl1G)rp)l!Z二一一A且nkuG, 4 ) ( 5 ) 式中:kU1 当辅助换能器作为接收换能器使用时，如果电负载条件如猝发声信号发生器的输
8、出阻抗)在发射和接收过程中没有改变，在接收过程中发射电路又没有被断开，信号电压乘以此因子等效于开路电压。kU1的值可以通过测量当换能器被个短路环取代时通过电路的电流1.得出.kU1 =1，/1矗G/T 15611-1995 ku 水听器产生的电压须乘以此因子方可得到等效开路电压。一般来说，前置放大器的输入阻抗远大于水听器输出电缆端的阻抗，因而无需对开路电压作修正;G, 在辅助换能器自易校准中考虑到声波从发射到接收的变化而进行的修正，G2 在水昕器处于辅助换能器的己知声场中进行校准时考虑相应变化而进行的修正，rp一一声压反射因数，对不锈钢和水，rp二O.937 , d 超声波在纯净的和除气水中的
9、衰减系数，a=2.2 X 10-14f2Hz-2m】，t23-C。修正因子k的计算见附录D，本标准特别推荐，当满足a 辅助换能器的直径和水听器的直径之比大于5.b. 校准时的总声程为辅助换能器近场距离的1.53. 0倍，即少d1.5工-;. S 3 ai 则修正因子h为l. 1/2 k O. 937Gc:千_ed曰式中G仅为归一化距离5的函数，如图3所示。1.5 2.0 2.5 3.0 1.0 。.9O.R 。.7。.6U.5 Gr修正因于)图3Gc值作为归一化距离的函数图2.5 校准的不确定度S J/l-it距离推荐的校准程序和简化的修正因于提供了在O.510 MHz频段内校准水昕器自由场电
10、压灵敏度的一种方法。这种方法的系统总不确定度小于1.5 dB，测量的统计不确定度小于1.5 dB。G/T 156111995 附录A平面波互易校准(补充件)互易换能器是满足如下机电互易条件的换能器gi= 式中V换能器在发射时辐射丽的均匀振速$I一一换能器在发射时的输入电流:U一一换能器在接收时由作用在声刚性换能器上的力F产生的开路电压。由发射换能器发送电流响应和接收换能器自由场灵敏度的定义gS二|号|，Mz|式中:Pu 在无干涉影响，发射换能器输入电流I时邻近发射换能器表面的声压$.( Al ) . ( A2 ) P.cc一-假定接收换能器被移走，位于原接收换能器声中心的未受干扰的平却波声场声
11、压。其在此声压作用下换能器产生一输出开路电压U。对于平面波，在发射换能器前面的声压和表面振速V之间的关系为:P1r-抖二V. ( A3 ) 式中，p水的窗度，C-7中声传播速度。假定声波在发射和接收换能器之间传播元损失和衍射影响，如无限平面波在无损耗介质中传播样:P二Prec= P 作用在接收换能器表面面积为A上的力为zF = 2AP 因而在假定的平面波条件下，比债M UI 2A S P2; - tJ p .( A4 ) .( A5 ) .( A6 ) 仅决定于换能器的面积A，此比值被定义为平面波E易常数JpoJp己知，测量U和I可宦接确定p，因而，M和5也随之被确定。注2如果11，U1是发射
12、、接收个碎发声(脉冲被反射器反射)的真实换能器的输入电流和接收电压，M1 U111 吉了y-U p M j .St是假定理想平面被测试条件下，自由场灵敏度和换能器发送电流响应的表观值。所以从(A2)和(A7l式可得S(拉尸( A7 ) ( A8 ) GB!T 15611-1995 在本标准规定的频率范围内的任何实际测试，真正的平面波条件不可能实现，所以P，r和接收换能器敏感元件表面上的平均声压P，之间的差值必须修正。附录B辅助换能器有效半役的计算(补充件)辅助换能器的有效半径a，可通过声压振幅沿声输方向随距离的变化曲线图来确定。而此声场分布可以通过使用一个水昕器测量辅助换能器产生的声场来获得。
13、此处，水昕器敏感元件的直径应等于或小于辅助换能器敏感元件直径的十分之一，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aj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:P!p=21叶(Z+ a俨一叶1式中，P一一从换能器表面开始沿声轴方向距离为Z处的声压振幅，Pa;P一一平面波声压振幅Pn=P C V ,Pa; a，一一声源半径，ffi;Z 轴向距离，m，dl 振帽衰减系数。注g获得这种吻合的一种方法(目前为英国NPL使用)如下=如果Y，(Z，)=20logloV，vi是由水听器产生的信号电压振帽Y，
14、(Z，)如下定义z2010g0 128叶(Z+ ai川站内|争兄Y，(Z，)- Y,(Z,) - _l_ 2: Y , (Z,) - L; y , ,(Z,) n ;=1 il 参数2:Xi相对于向求极小值。. ( Bl ) 这个拟合程度仅用于1.5Z皿Z3Zm范围，Zm是最远处的4个声压极大值，离换能器表面所处位置的Z值。已经确定向后，通过计算Xm(Zm)的值检查作为代替真实声场号|入的理论模式是否成功。如果Xm(Zm)的量值小于0.5dB，那么说明引入的模式是成功的。-个比较通用的修正因子是附录C修正因子k的计算(补充件n副dk = (晶rT1G1rp)1I2.，:二?.( Cl ) 1-
15、1 r kuG 式中，G, 在辅助换能器自易校准中考虑到声波从发射到I接收的变化而进行的修正;G, 在水昕器处于辅助换能器的己知声场中进行校准时考虑相应变化而进行的修正zGB/T 15611-1995 下面给出了根据理想活塞声源导出的相对于各种接收和发射直径之比的归一化距离与IP/P，I之比的对数图。G，值对应于辅助换能器既作发射又作接收的情况，可从图上与直径比为1对应曲线上获得。G，值对应于辅助换能器发射，水昕器接收的情况，可从合适的直径比的曲线上获得，本标准推荐这个比值应小于0.2。r, 声压反射因数，对于水与不锈钢介面，r，=O.937. IP/P.ldB 6 3 。3 6 。2 3 归一位距离4 5 S 图C1不同尺寸的换能器归一化距离与平均声压的关系图中参数为接收换能器直径与发射换能器的直径比)附加说明z本标准由全国声学标准化技术委员会提出。本标准由中国科学院声学研究所、中国船舶工业总公司715所、上海交通大学、中国船舶工业总公司721厂负责起草。本标准主要起草人朱厚卿、王月兵、寿文德、袁文俊、郑进鸿。
