计量基础知识介绍

1. 水声计量的任务

    水声科学技术研究和水声设备的研制、生产与使用都涉及许多水声量的测量、试验和分析。水声量值的准确与否关系到水声科学研究的水平,关系到水声设备的性能和质量。水声计量的基本任务是通过溯源、传递和测试确保水声量值的准确、可靠和一致。具体任务主要有:水声标准器和水声测量设备的检定或校准;基本水声量和水下电声参数的测量;水声计量标准装置、校准装置和测量系统的研究建立和保持;水声计量测试新方法和新技术的研究;参加国内、国际实验室间水声量值的比对校准等。

2. 水声计量的内容

    (1)水声基本量值的溯源和传递

    水声基本量值主要包括水声声压、质点振速、水声声强和功率。由于声强和声功率在一定条件下可由声压导出,因此基本量实际上主要是水声声压和质点振速。而目前使用最普遍的、国家已颁布计量器具检定系统的、且已具有溯源和量传条件的是水声声压。随着振速水听器的发展和广泛应用,今后也将法定地开展水媒质质点振速的溯源和传递工作。水声声压量的溯源和传递主要是通过标准装置对水声声压标准器的校准来完成的。

    (2)专用水声测量设备的校准

    水声测量设备是指系统化、组合化的水声研究或试验用水声测量设备,例如水下噪声信号测量分析仪、水下声强测量仪、鱼雷声靶、声纳性能实船测量设备等。为了确保测量或试验的准确可靠,这些设备须定期或不定期的进行水声校准。但我国目前还没有建立专门的校准装置,没有制定相应的校准规范。

    (3)水声技术工程参数的精确测量

    水声技术工程参数主要是指有关水下声波发射和接收特性的水下电声参数。主要包括水声发射器的等效电阻抗(电导纳)、发送电压(电流、功率)响应、输入电功率、输出声功率、电声效率、线性范围、声源级、指向性等;水声接收器(水听器)的自由场开路电压、加速度灵敏度、相位一致性、等效噪声压、动态范围、指向性等;水声材料构件的纵波声速和衰减系数、声压反射因数和透射因数、插入损失和回声降低、吸声系数、去耦系数等。

3. 水声量值传递系统

    我国目前只建立了水声声压量值的传递系统,水声声压的频率范围为1Hz5MHz。此传递系统由水声声压计量基准、水声声压计量标准和水声声压测量器具所组成。JJG 2017-2005《水声声压计量器具检定系统表》详细规定了传递设备、传递方法和要求。

    (1)水声声压器具检定系统

    我国于1987年首次颁布了JJG 2017-87《水声声压计量器具检定系统》。经过多年使用,最近又作了修订,于2005年颁布了修订过的JJG 2017-2005《水声声压计量器具检定系统》。它规定了水声声压计量基准经水声声压计量标准至工作计量器具之间的量值传递程序、量值传递方法和量值传递时的最佳测量能力。

    (2)水声声压计量基准

    水声声压基准用于复现和保存1Hz~5MHz频段内的水声声压单位量值,并通过水声声压计量标准向水声声压测量器具进行量值传递。水声声压计量基准包括:

     1)低频水声声压基准装置

    低频水声声压基准装置由带有压电补偿换能器的密闭测量腔、常数测量装置和配套测量仪器所组成。用双辐射零值法(也称压电补偿法)复现并传递低频水声声压,频率范围1Hz~2kHz,测量不确定度为U=0.5dB(k=2)

     2)自由场互易法水声声压基准装置

    自由场互易法水声声压基准装置也称中频水声声压基准装置,由形成自由声场条件的消声水池、坐标机构和配套测量仪器所组成。用自由场互易法复现并传递中频水声声压,频率范围2kHz~200kHz。当频率范围为2kHz~100kHz时,测量不确定度为U=0.7dB(k=2);当频率范围为100kHz~200kHz时,测量不确定度为U=0.9dB(k=2)

     3)高频水声声压基准装置

    高频水声声压基准装置由形成自由声场条件的高频消声水池、精密坐标机构和配套测量仪器所组成,用自由场互易法复现并传递高频水声声压,频率范围为0.1MHz~5.0MHz。当频率范围为0.1MHz~2.5MHz时,测量不确定度为U=0.9dB(k=2);当频率范围为2.5MHz~5.0MHz时,不确定度为U=1.1dB(k=2)

     (3)水声声压计量标准

    根据JJG 2017-2005的规定,我国的水声声压计量标准由低频水声声压标准装置、中频水声声压标准装置和高频水声声压标准装置组成,其整个频率覆盖范围为1Hz~5MHz

     1)低频水声声压标准装置

    低频水声声压标准装置由低频标准水听器、密闭测量腔和配套测量设备所组成。其测量频率范围一般为1Hz~2000Hz。标准装置所基于的方法既包含了双辐射零值法、耦合腔互易法和振动液柱法在内的绝对法,又包含了密闭腔比较法和振动液柱比对法。其中双辐射零值法适用频率范围为1Hz~2000Hz,测量不确定度为U=0.5dB(k=2);耦合腔互易法适用频率范围为20Hz~2000Hz,测量不确定度为U=0.5dB(k=2);振动液柱法适用频率范围为20Hz~2000Hz,测量不确定度为U=0.6dB(k=2)密闭腔比较法适用频率范围为1Hz~2000Hz,测量不确定度为U=1.1dB(k=2);振动液柱比较法适用频率范围为20Hz~2000Hz,测量不确定度为U=1.1dB(k=2)

     2)中频水声声压标准装置

    中频水声声压标准装置由中频标准水听器、形成中频自由声场的消声水池以及配套测量设备所组成。其测量频率范围一般为2kHz~200kHz。标准装置所基于的方法既包含自由场互易法,又包含自由场比较法。其中用自由场互易法时,在2kHz~100kHz频率范围内的测量不确定度为U=0.7dB(k=2),在100kHz~200kHz频率范围内的测量不确定度为U=0.9dB(k=2);用自由场比较法时,在2kHz~100kHz频率范围内的测量不确定度为U=1.5dB(k=2),在100kHz~200kHz频率范围内的测量不确定度为U=2.5dB(k=2)

     3)高频水声声压标准装置

    高频水声声压标准装置由高频水听器、满足高频自由场条件的消声水池及其精密坐标机构和配套测量设备所组成。其测量频率范围一般为0.1MHz~5.0MHz。标准装置所基于的方法包含自由场互易法(绝对法)和自由场比较法(相对法)。用自由场互易法时,在0.1MHz~2.5MHz频率范围内的测量不确定度为U=0.9dB(k=2),在2.5MHz~5.0MHz频率范围内的测量不确定度为U=1.1dB(k=2);用自由场比较法时,在0.1MHz~5.0MHz频率范围内的测量不确定度为U=2.5dB(k=2)

    (4)水声声压工作计量器具

    水声声压工作计量器具,也即水声声压测量器具,主要包括精密测量水听器、测量水听器、发射换能器和水声声压测量设备。其中精密测量水听器既可溯源至绝对法水声声压标准装置,也可直接溯源至水声声压基准装置,两者有相同的不确定度。测量水听器、测量用发射器和水声声压测量设备则通过比较测量法溯源至相对法水声声压标准装置。

4. 水声计量技术规范

    水声计量技术规范是准确、可靠地做好水声量值溯源和传递工作的依据。我国自行制定的有关水声计量测试的技术规范主要有两大类,即国家计量检定规程(JJG)和国家标准(GB)。具体的包括如下:

    (1) 水声声压计量器具检定规程

    我国目前已颁布的水声声压计量器具检定规程有:JJG 2017-2005《水声声压计量器具检定系统表》;JJG 340-19991HZ~1000Hz测量水听器检定规程》;JJG 185-97500Hz~1MHz测量水听器检定规程》。正在制定《1Hz2000Hz标准水听器检定规程》和《2kHz~200kHz标准水听器检定规程》

    (2) 水声换能器(水听器)校准方法标准

    我国目前已颁布的有关水声换能器(水听器)校准方法国家标准有:GB/T 4130-2000《声学 水听器低频校准方法》;GB/T 3223-94《声学 水声换能器自由场校准方法》;GB/T 17251-1998《声学 水听器加速度灵敏度校准方法》

    (3)水下电声参数测量方法标准

    我国目前已颁布的有关水声换能器和水声材料构件电声性能参数测量家标准有:GB/T 7965-2002《声学 水声换能器测量》;GB/T 7969-2002《声学 水声发射器的大功率特性和测量》;GB/T 16165-1996《水听器相位一致性测量方法》;GB/T 5266-85《水声材料纵波声速和衰减的测量 脉冲管法》(此标准已修订为《声学 水声材料纵波声速和衰减系数的测量脉冲管法》,即将颁布);GB/T 14369-93《声学 水声材料样品插入损失和回声降低的测量方法》;GB/T 16406-1996《声学 声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》。

    另外,在水声计量测试中还常参考国际标准,其中主要是国际电工委员会标准IEC 60565-2006《水声—水听器—在0.01Hz1MHz频率范围内的校准》和美国国家标准ANSI SI.20-1988《水下电声换能器校准方法》。

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