JJG 1182-2021 20Hz~1 kHz 矢量水听器-(高清原版）.pdf

中华人民共和国国家计量检定规程J J G1 1 8 22 0 2 12 0H z 1k H z矢量水听器V e c t o rH y d r o p h o n e s i nt h eF r e q u e n c yR a n g e2 0H z t o1k H z 2 0 2 1-1 2-2 8发布2 0 2 2-0 6-2 8实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布市场监管总局市场监管总局2 0H z 1k H z矢量水听器检定规程V e r i f i c a t i o nR e g u l a t i o no fV e c t o rH y d r o p h o n e si nt h eF r e q u e n c yR a n g e2 0H z t o1k H zJ J G1 1 8 22 0 2 1 归 口 单 位:全国声学计量技术委员会 主要起草单位:中国船舶重工集团公司第七一五研究所 参加起草单位:中国科学院声学研究所哈尔滨工程大学 本规程委托全国声学计量技术委员会负责解释J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局本规程主要起草人:费 腾(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)贾广慧(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)赵 涵(中国船舶重工集团公司第七一五研究所)参加起草人:莫喜平(中国科学院声学研究所)陈洪娟(哈尔滨工程大学)J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语和计量单位(1)3.1 质点加速度灵敏度(1)3.2 质点加速度灵敏度级(1)3.3 质点振速灵敏度(1)3.4 质点振速灵敏度级(2)3.5 质点位移灵敏度(2)3.6 质点位移灵敏度级(2)3.7 灵敏度级的频率响应(2)3.8 轴向灵敏度不对称性(2)3.9 横向抑制比(2)4 概述(2)5 计量性能要求(2)5.1 灵敏度级(2)5.2 灵敏度级的频率响应(3)5.3 指向性(3)6 通用技术要求(3)6.1 外观(3)6.2 标志和出厂资料(3)6.3 工作正常性(3)7 计量器具控制(3)7.1 检定条件(3)7.2 检定项目和检定方法(4)7.3 检定结果的处理(8)7.4 检定周期(8)附录A 检定证书和检定结果通知书的内页格式(9)A.1 检定证书内页格式(9)A.2 检定结果通知书内页格式(1 2)附录B 驻波管设计要求(1 3)J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局引 言本规程依据J J F1 0 0 22 0 1 0 国家计量检定规程编写规则所给出的规则编制,并按照J J F1 0 5 9.12 0 1 2 测量不确定度评定与表示的要求评定和表示测量不确定度。本规程使用的是驻波管绝对校准方法,与J J F1 3 4 02 0 1 22 0H z 20 0 0H z矢量水听器校准规范不同,该规程使用的是驻波管比较法。本规程为首次发布。J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局2 0H z 1k H z矢量水听器检定规程1 范围本规程适用于2 0 H z 1k H z频率范围内使用的矢量水听器的首次检定、后续检定和使用中检查。对于包含声压通道的矢量水听器类型,本规程只适用于检定其矢量通道。2 引用文件本规程引用了下列文件:J J G2 3 32 0 0 8 压电加速度计J J G4 4 92 0 1 4 倍频程和分数倍频程滤波器J J F1 0 0 1 通用计量术语及定义J J F1 0 3 42 0 2 0 声学计量术语及定义J J F1 3 4 02 0 1 2 2 0H z 20 0 0H z矢量水听器校准规范G B/T3 1 0 2.7 声学的量和单位G B/T3 2 4 01 9 8 2 声学测量中的常用频率G B/T3 9 4 7 声学名词术语凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规程;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规程。3 术语和计量单位J J F1 0 0 1、J J F1 0 3 4、G B/T3 9 4 7和J J F1 3 4 02 0 1 2界定的及以下术语和定义适用于本规程。本规程采用G B/T3 1 0 2.7中规定的量和单位。3.1 质点加速度灵敏度 a c c e l e r a t i o ns e n s i t i v i t yMa矢量水听器输出端的开路电压与作用在其接收表面上实际质点加速度的比值。单位:V/(ms-2)。3.2 质点加速度灵敏度级 a c c e l e r a t i o ns e n s i t i v i t y l e v e lMa质点加速度灵敏度的量值与基准值之比的以1 0为底的对数乘以2 0。单位:d B。注:基准值为1V/(ms-2)。3.3 质点振速灵敏度 p a r t i c l ev e l o c i t ys e n s i t i v i t yMv矢量水听器输出端的开路电压与作用在其接收表面上实际质点振速的比值。1J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局单位:V/(ms-1)。3.4 质点振速灵敏度级 p a r t i c l ev e l o c i t ys e n s i t i v i t y l e v e lMv质点振速灵敏度的量值与基准值之比的以1 0为底的对数乘以2 0。单位:d B。注:基准值为1V/(ms-1)。J J F1 3 4 02 0 1 2,定义3.3,有修改3.5 质点位移灵敏度 p a r t i c l ed i s p l a c e m e n t s e n s i t i v i t yMd矢量水听器输出端的开路电压与作用在其接收表面上实际质点位移的比值。单位:V/m。3.6 质点位移灵敏度级 p r e s s u r es e n s i t i v i t y l e v e lMd质点位移灵敏度的量值与基准值之比的以1 0为底的对数乘以2 0。单位:d B。注:基准值为1V/m。3.7 灵敏度级的频率响应 s e n s i t i v i t yr e s p o n s e在工作频率范围内,矢量水听器灵敏度级的最大值和最小值之差。3.8 轴向灵敏度不对称性 a x i a l d e v i a t i o no f s e n s i t i v i t y矢量水听器矢量通道的接收灵敏度两极大值之差。单位:d B。注:也称为指向性不对称性或最大值不均匀性。J J F1 3 4 02 0 1 2,定义3.53.9 横向抑制比 l a t e r a l r e j e c t i o nr a t i o矢量水听器矢量通道极大值与极小值之差。单位:d B。注:也称为凹点深度。J J F1 3 4 02 0 1 2,定义3.64 概述矢量水听器用于测量媒质质点加速度、质点振速或质点位移等矢量参数。在声波作用下,矢量水听器产生与媒质中质点加速度、质点振速或质点位移值成正比的开路电压值。根据敏感原理不同,矢量水听器可以分为质点加速度矢量水听器、质点速度矢量水听器和质点位移矢量水听器等;根据拾振原理的不同,又可分为同振式和压差式等。一般应用的矢量水听器可以包括声压(标量参数)通道。矢量水听器一般由灵敏元件、水密包覆层、支撑结构、前置放大器和电缆等组成。5 计量性能要求5.1 灵敏度级5.1.1 质点加速度灵敏度级在工作频 率 范 围 内,被 检 矢 量 水 听 器 的 加 速 度 灵 敏 度 级 在-1 9d B-3d B2J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局r e1V/(ms-2)之间。5.1.2 质点振速灵敏度级在工 作 频 率 范 围 内,被 检 矢 量 水 听 器 的 质 点 振 速 灵 敏 度 级 在2 3d B7 3d Br e1V/(ms-1)之间。5.1.3 质点位移灵敏度级在工作 频 率范 围 内,被 检 矢 量 水听 器 的 质 点 位移 灵 敏 度 级 在9 9d B1 1 5d B(r e1V/m)之间。5.2 灵敏度级的频率响应在工作频率范围内,被检矢量水听器灵敏度级频率响应应不超过5d B。注:检定频率按1/3倍频程。5.3 指向性在检定的频率范围内,被检矢量水听器的横向抑制比应不低于2 0d B,轴向灵敏度不对称性应不超过1d B。6 通用技术要求6.1 外观6.1.1 矢量水听器外观应完好,无影响正常工作的机械损伤等情况;其与水接触的表面应是光滑的并且能被水浸润。6.1.2 对于具有一维通道的矢量水听器,检定通道方向应有明显的标记;对于具有二维或三维矢量通道的矢量水听器,每一个矢量通道的检定方向应有特定的标记便于区分。6.2 标志和出厂资料6.2.1 矢量水听器应具有制造商的名称、产品型号和产品序列号等清晰且耐久的标志。6.2.2 矢量水听器应附有出厂说明书。说明书一般包括矢量水听器灵敏度级频率响应以及信号线、地线和屏蔽线的说明。带信号调理器或前置放大器的矢量水听器应标明放大倍数、供电线的接线标记和供电电压值。6.3 工作正常性当有振动信号作用到矢量水听器表面时,其输出端应有相应的电压输出。7 计量器具控制计量器具控制包括首次检定、后续检定和使用中检查。7.1 检定条件7.1.1 环境条件a)环境温度:1 03 0;b)水介质温度:53 0;c)相对湿度:3 0%9 0%。7.1.2 计量器具及主要配套设备7.1.2.1 参考加速度计在2 0H z 1k H z频率范围内,参考加速度计(含适调放大器)的灵敏度不低于1mV/(ms-2),其测量不确定度满足J J G2 3 32 0 0 8的要求。3J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局7.1.2.2 驻波管在2 0H z 1k H z频率范围内,发射换能器在驻波管中辐射声波形成的驻波声场信噪比不应小于2 0d B,驻波管内声场声压在检定期间内变化不应超过0.1d B,径向声场分布不均匀性不大于0.7d B,其他要求见附录B。7.1.2.3 信号源在2 0H z 1k H z频率范围内,最大输出电压有效值不应小于1V,线性度优于2%,频率示值误差不应超过0.1%。7.1.2.4 交流数字电压表在2 0H z 1k H z频率范围内,交流电压测量最大允许误差不应超过1%,最大量程不小于1V。7.1.2.5 前置放大器在2 0H z 1k H z频率范围内,输入阻抗不应小于1 0 0 M,动态范围不应小于6 0d B,增益误差不应超过0.1d B。7.1.2.6 滤波器在2 0H z 1k H z频率范围内,满足J J G4 4 92 0 1 4对1级滤波器的要求。7.1.2.7 电子开关在2 0H z 1k H z频率范围内,串扰不应大于-6 0d B,插入损失不应大于0.1d B。7.1.2.8 功率放大器在2 0H z 1k H z频率范围内,阻抗匹配的条件下,最大输出功率不应小于5 0 W,输出幅度线性度优于1%,谐波失真度不大于2%。7.1.2.9 回转装置回转装置能绕水平轴做垂直回转,回转角度应大于3 6 0,角度示值误差不应超过1。回转装置浸没在水介质中的部分对声场的幅度影响应小于0.1d B;回转装置应能进行回转角度读取,分辨力不小于0.5。7.1.2.1 0 直尺量程不应小于3 0 0mm,最小分度为1mm。最大允许误差不应超过0.1 0mm。7.2 检定项目和检定方法7.2.1 检定项目水听器的首次检定、后续检定和使用中检查项目见表1。表1 检定项目一览表检定首次检定后续检定使用中检查质点(加速度/速度/位移)灵敏度级+灵敏度级的频率响应+指向性+-注:1“+”表示需检定项目,“-”表示不需检定项目。2 不同敏感原理的矢量水听器仅检定与之对应的灵敏度级。4J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局7.2.2 检定方法7.2.2.1 灵敏度级矢量水听器的灵敏度级在图1所示的检定装置上进行检定。图1 检定装置组成框图腔体内充有蒸馏水,被检矢量水听器置于距水面深度h处。由于管中为驻波声场,根据驻波声场声压分布理论,被检矢量水听器的质点加速度灵敏度Ma如公式(1)所示:Ma=se aUgS2c o s(k l)U0S1c o s(k h)(1)式中:se a 标准加速度计灵敏度,V/(ms-2);U0 标准加速度计开路电压,V;Ug 矢量水听器输出开路电压,V;S1 发射换能器辐射面的面积,m2;S2 驻波管声管横截面的面积,m2;l 驻波管中水介质的深度,m;h 矢量水听器的入水深度,m;k 波数,k=2 f/c,f为测量频率(H z),c为水中声速(m/s)。矢量水听器的质点加速度敏度级可以表示为:Ma=2 0l g(Ma/Ma r e f)(2)式中:Ma r e f=1V/(ms-2)。矢量水听器质点振速灵敏度Mv可以通过公式(3)计算:Mv=2 fse aUgS2c o s(k l)U0S1c o s(k h)(3)5J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局 矢量水听器的质点振速敏度级可以表示为:Mv=2 0l g(Mv/Mv r e f)(4)式中:Mv r e f=1V/(ms-1)。矢量水听器质点位移灵敏度Md可以通过公式(5)计算:Md=(2 f)2se aUgS2c o s(k l)U0S1c o s(k h)(5)矢量水听器的质点位移灵敏度级可以表示为:Md=2 0l g(Md/Md r e f)(6)式中:Md r e f=1V/m。检定频率一般为1/3倍频程频率标称值,或根据客户的指定。7.2.2.2 指向性指向性是换能器的灵敏度随入射声波方向变化而改变的特性,通常用指向性图表示。通过垂直回转装置带动被检矢量水听器在声场中回转,同步测量矢量水听器被检通道的开路电压以及实时角度,开路电压值按照公式(7)进行归一化处理,并据此绘制矢量水听器的指向性图。u i=uium a x(7)式中:u i 各角度对应的矢量水听器被检通道开路电压的归一化值;ui 各角度对应的矢量水听器被检通道的开路电压,V;um a x 矢量水听器矢量被检通道开路电压的最大值,V。指向性图通常用极坐标图的形式表示,径向坐标表示响应。径向坐标可以是线性坐标,也可以是对数坐标,在指向性图的明显位置上有清晰的表述。检定频率一般为被检器具的上限频率、下限频率及中值频率。在指向性数据中找到开路电压最大值与最小值,按照公式(8)计算横向抑制比:Wd=2 0l g(um a x/um i n)(8)式中:Wd 横向抑制比,d B;um a x 矢量水听器矢量被检通道开路电压的最大值,V;um i n 矢量水听器矢量被检通道开路电压的最小值,V。在指向性数据中找到开路电压最大值所对应的角度,然后在与这个角度相差1 8 0 方向上的4 5 范围内找到第二个极大值,按照公式(9)计算轴向灵敏度不对称性。Sd=2 0l g(um a x 1/um a x 2)(9)式中:Sd 轴向灵敏度不对称性,d B;um a x 1 矢量水听器矢量被检通道开路电压的最大值,V;6J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局um a x 2 矢量水听器矢量被检通道开路电压的第二个极大值,V。7.2.3 检定装置2 0H z 1k H z矢量水听器检定装置组成如图1所示,该装置由驻波管(含发射换能器)、计算机、信号源、功率放大器、标准加速度计、垂直回转装置、电子开关、前置放大器、滤波器和交流数字电压表等构成。7.2.4 检定前的准备a)开启所有检定用仪器设备,并预热1 5m i n以上;b)用蒸馏水充满驻波管,并排除腔内气泡;c)检查矢量水听器外观,应满足6.1和6.2的要求;d)用无腐蚀作用的洗涤剂擦洗被检矢量水听器的表面,在水中浸泡至少1h后,按照矢量水听器的安装要求,将其固定于回转装置上,并用直尺测量被检矢量水听器的入水深度h和液柱高度l;e)按照图1所示连接各仪器设备、驻波管及被检矢量水听器;f)在实际工作状态下,通过对发射换能器的激励和停止,分别测量标准加速度计和被检矢量水听器开路输出电压的信噪比,其值不应小于2 0d B;g)调节功率放大器的增益,在检定工作频率范围内,确保被检矢量水听器的开路电压不发生饱和失真。7.2.5 检定步骤7.2.5.1 灵敏度级根据7.2.4进行检定前的准备,具体检定流程如图2所示。图2 矢量水听器灵敏度级检定流程图a)通过垂直回转装置调节被检矢量水听器的角度,使被检矢量通道的输出值为最大;b)调节信号源产生所需频率的信号;7J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局c)将电子开关切换至被检矢量水听器信号输出通道Ji(i=1,2,3,分别对应矢量X、Y、Z通道),通过电压表读取被检矢量水听器该通道的开路电压Ug;d)将电子开关切换至标准加速度计输出通道,通过电压表读取标准加速度计的开路电压U0;e)按照公式(1)公式(3)计算被检矢量水听器的灵敏度级;f)重复步骤c)e),直至完成所有频率点检定;g)记录相关测量数据;h)计算灵敏度级的频率响应。7.2.5.2 指向性检定步骤如下:a)按照7.2.4进行检定前的准备;b)调节信号源产生所需频率的信号;c)将电子开关切换至被检矢量水听器信号输出通道;d)通过坐标回转装置将矢量水听器按照一定角度间隔转动,转动角度间隔不应大于2;在指向性最大值和最小值附近,转动角度的间隔不应大于1;e)记录当前的回转角度值;f)通过交流数字电压表测量当前矢量水听器的输出开路电压;g)重复步骤c)f),直至回转完成;h)记录回转的角度及其对应的开路电压测量数据,按照公式(7)对测量数据进行归一化处理,绘制为极坐标图,极坐标图格式参考附录A;i)根据记录的测量数据,按照公式(8)计算横向抑制比;按照公式(9)计算轴向灵敏度不对称性,并记录到记录表中,记录表格式参考附录A。7.3 检定结果的处理经检定合格的矢量水听器出具检定证书,检定不合格的矢量水听器出具检定结果通知书,并注明不合格的项目。检定证书的内页格式参见A.1,检定结果通知书的内页格式参见A.2。7.4 检定周期矢量水听器的检定周期一般不超过1年。8J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局附录A检定证书和检定结果通知书的内页格式A.1 检定证书内页格式证书编号 检 定 结 果 前置放大器供电电压:V 电缆长度:m被检通道:一、质点(加速度/速度/位移)灵敏度级:d B(f=1k H z,基准值:)与上次检定值的偏差:d B(基准值:)灵敏度级的频率响应f/H zM/d Bf/H zM/d B 注:检定频率为1/3倍频程频率标称值,或根据客户的指定。共 页 第 页9J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局 二、指向性:被 检 通 道:检 定 频 率:H z(检定频率一般为被检器具的上限频率、下限频率及中值频率。)横 向 抑 制 比:d B轴向灵敏度不对称性:d B检定条件:室 温:相对湿度:%水 温:检定依据:J J G1 1 8 22 0 2 12 0H z 2k H z矢量水听器测量不确定度:使用检定装置名称:共 页 第 页01J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局 三、检定结果的测量不确定度:(k=2)检定环境条件及地点:室 温水 温相对湿度%地 址 检定使用的计量(基)标准装置:名 称测量范围不确定度计量(基)标准证书编号有效期至 检定使用的标准器:名 称测量范围不确定度/准确度等级/最大允许误差检定/标准证书编号有效期至 说明:共 页 第 页11J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局A.2 检定结果通知书内页格式证书编号 检 定 结 果 前置放大器供电电压:V 电缆长度:m一、灵敏度级:d B(f=1k H z)(基准值:)与标称值的偏差:d B灵敏度级的频率响应:f/H zM/d Bf/H zM/d B 二、检定结果的测量不确定度:(k=2)检定环境条件及地点:室 温水 温相对湿度%地 址 检定使用的计量(基)标准装置:名 称测量范围不确定度计量(基)标准证书编号有效期至 检定使用的标准器:名 称测量范围不确定度检定/标准证书编号有效期至 检定结果通知书中应标明不合格的项目,对不能继续进行检定的项目加以说明。共 页 第 页21J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局附录B驻波管设计要求驻波管示意图见图B.1。驻波管为垂直开口向上的厚壁刚性腔体,腔体一般采用不锈钢加工,腔体内充满蒸馏水,发射换能器安装在驻波管底部,垂直向上发射声波。发射换能器通常为平面活塞型换能器,其辐射面积不应小于驻波管底面积的1/9,在驻波管中辐射声波形成的驻波声场信噪比不应小于2 0d B。为保证腔体内声场的均匀性,被检件的最大尺寸不应大于腔体半径,为保证腔体足够刚硬,2t/D不应小于0.4。图B.1 驻波管示意图管内的声场必须是均匀而且稳定的,径向声场起伏应不大于0.7d B,驻波管的工作频率范围上限(fB)应满足公式(B.1)的要求:fB1.8 4c/(D)(B.1)式中:fB 工作频率上限,H z;c 测量媒质中的声速,m/s;D 驻波管的等效直径,m。测量媒质中的声速可由公式(B.2)计算得到。c=c01+2E0ED2t(B.2)式中:c0 测量媒质中的自由场声速,m/s;E 驻波管用材料的杨氏模量,N/m2;E0 测量媒质的体积弹性模量,N/m2;t 驻波管管壁的厚度,m。J J G1 1 8 22 0 2 1市场监管总局市场监管总局