T/SASC XXXXXXXX 13 附录A （资料性）“水声换能器混响声场互易校准方法”示例 本附录是对某型水听器进行混响声场互易校准，校准频率范围为：2kHz-20kHz。遵照本文件操作要求，在哈尔滨工程大学水声技术重点实验室的混响水池中完成校准实验。A.1 校准前的准备 A.1.1 混响水槽基本参数 混响水槽为长方体结构，尺寸为：长 9.0m、宽 3.2m、水深 1.7m。在室温环境下，取水的密度33=1.0 10 kg m，水中声速3=1.5 10 m sc。根据中断声源法测量的 1/3 倍频程中心频率混响时间如表A1 所示。表 A1 混响水池的混响时间60T 中心频率/kHz 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.3 8.0 10.0 12.5 16.0 20.0 混响时间/ms 457.1 438.8 437.4 443.4 448.7 446.1 450.8 436.3 435.9 436.1 435.3 根据混响时间计算混响水池的混响半径，结果见表 A2。表 A2 混响水池的混响半径cr 中心频率/kHz 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.3 8.0 10.0 12.5 16.0 20.0 混响半径/m 0.2717 0.2773 0.2777 0.2758 0.2742 0.2750 0.2736 0.2781 0.2782 0.2781 0.2784 根据混响时间计算混响水池的混响声场互易常数，结果见表 A3。表 A3 混响水池的混响声场互易常数rJ 中心频率/kHz 2.0 2.5 3.15 4.0 5.0 6.3 8.0 10.0 12.5 16.0 20.0 互易常数 2.716 2.218 1.763 1.379 1.096 0.8730 0.6839 0.5561 0.4451 0.3476 0.2784 A.1.2 水声换能器布放 发射换能器和接收水听器分布放在两个独立区域内，见图 A.1 和图 A.2 所示，采用随机扫描的方式运行。根据水声换能器布放要求和随机扫描操作的要求，将发射换能器和接收水听器的移动区域范围划分为：发射移动区和混响控制区，二者最小间距为 5m，区域边界距离水池池壁、水面的最短垂直距离为 0.4m。T/SASC XXXXXXXX 14 9m1.7m发射移动区混响控制区 图 A.1 水声换能器布放移动区域示意图 9m5m3.2m0.4m0.4m0.4m0.4m0.4m0.4m发射移动区混响控制区 图 A.2 水声换能器布放移动区域俯视图 A.1.3 混响声场的验证 发射换能器发出宽带平稳随机白噪声信号，接收水听器随机缓慢扫描，扫描时长为 120s。用 6 次独立重复测量的空间平均声压级进行标准不确定度的 A 类评定，测量不确定度小于 0.5dB。A.1.4 水声换能器线性范围的验证 采用调节功率放大器输出功率增益的方式，在动态范围内验证 F-J 换能器对的转移电阻抗，在校准频段内，最大线性误差 0.2dB。A.1.5 互易换能器互易性的验证 将发射换能器、互易换能器组成互为发射换能器-接收水听器对，测量转移电阻抗FHz和HFz相等的范围，二者之差小于 0.3dB。A.2 校准测量 发射换能器发出 2kHz-20kHz 低频宽带白噪声信号，发射换能器输入端的电流采用间接法测量，在功率放大器的输出端与发射换能器的输入端之间的低电位上串联一个1标准电阻，标准电阻的准确度优于0.1%，采用动态信号分析仪测量电阻两端电压，即得到发射换能器的输入电流。接收水听器两端输出电压直接由动态数据分析仪测量。T/SASC XXXXXXXX 15 按照校准原理的三步测量操作，根据随机扫描操作分别测量：发射换能器与互易换能器组合时：测量接收水听器的输出电压FJU；发射换能器与互易换能器组合时，测量互易换能器的输出电压FHU；互易换能器与接收水听器组合时：测量互易换能器的输入电流HJI，接收水听器平均输出电压HJU。A.4 校准测量结果 遵照本文件，在混响水槽中对发射换能器、互易换能器和接收水听器进行混响法互易校准。发射换能器发送电流响应级和接收水听器的接收灵敏度级如图 A.3 和图 A.4。图 A.3 发射换能器的混响声场发送电流响应互易校准结果 图 A.4 接收水听器的混响声场电压灵敏度互易校准结果 采用混响声场互易校准法的校准结果与自由场校准结果对比，发射换能器发送电流响应最大相差不超过 1.1dB，接收水听器测量结果最大相差不超过 1.2dB。A.5 校准测量不确定度分析 A.5.1 标准不确定度的 A 类评定 根据上述校准操作进行 6 次独立重复测量，接收水听器灵敏度级的测量标准差，见表 A.1。T/SASC XXXXXXXX 16 表 A.1 接收水听器灵敏度级测量标准差 频率/k 2 234 5 68 1112标准差/d 00000000000接收水听器最大标准差不超过 0.4dB，标准测量不确定度的 A 类评定小于 0.17dB。A.5.2 标准不确定度的 B 类评定(1)量HJ的系统测量不确定度 a.由测量设备引起的不确定度：采集器读数的准确度误差是双向的均匀分布，采用数据采集系统采集系统，引起的测量不确定度小于 0.2dB。测试仪器输入阻抗的影响小于 0.1dB。b.由校准条件的满足程度引起的测量不确定度 对于连续信号，混响声场的测量不确定度小于0.42dB。对于宽带噪声信号，测量不确定度小于0.25dB。换能器的非线性测量不确定度小于0.20dB。由信噪比造成的测量不确定度小于0.01dB。由电干扰噪声产生的测量不确定度小于0.10dB。由于以上各种系统测量不确定度都是互不相关的，采用标准测量不确定度计算方法进行综合，则对于连续信号，量HJ的测量不确定度：0.54dBHJ(2)量()FHFJ的系统测量不确定度 由于量()FHFJ的互易换能器接收水听器的混响声场灵敏度之比，在校准测量中，采用相同设备和相同校准条件，而且测量不确定度造成因素与(1)中相同，在计算过程中将单向性测量不确定度计算一次，将双向性测量不确定度计算 2 次，则对于连续信号，量()FHFJ的测量不确定度：()0.73dBFHFJ(3)混响声场互易常数rJ的系统测量不确定度 混响声场互易常数中包含：a.信号发生器输出频率不稳定引起的测量不确定度小于0.01dB；b.混响半径的测量采用不同方法引起的测量不确定度也不同。混响半径的测量不确定度来自于混响水池的尺寸、混响时间和声速的影响。混响水池的尺寸测量不确定度为0.02dB；混响时间的测量不确定度为0.1dB。因此，基于混响时间测量混响声场互易常数的测量不确定度小于0.25dB。(4)标准电阻R引起的测量不确定度小于0.10dB。综合以上 4 项，根据标准测量不确定度计算方法，接收水听器混响声场电压灵敏度的测量不确定度：2222 1 21()()()()0.47dB2JFHFJHJrMJR A.5.3 合成不确定度 合成标准不确定度为：T/SASC XXXXXXXX 17 222CAB 经计算，合成不确定度为0.5dB。扩展不确定度，取包含因子2k，则测量结果的扩展不确定度为：CUk 小于 1.0dB。