２０１６年４月 宇航计测技术 Ａｐｒ．，２０１６ 第３６卷第２期 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｖｏ１．３６，Ｎｏ．２ 文章编号：１０００－７２０２（２０１６）０２—００６１—０３ 中图分类号：ＴＢ５６６ 文献标识码：Ａ 矢量水听器标准装置水声低频计量应用研究 卢治强 廖述常 于洪涛 （中国人民解放军９１３８８部队，广东５２４０２２） 摘 要 对矢量水听器标准装置在水声低频计量中的应用进行了研究，简要介绍了水声低频计量中矢量、 传统压电陶瓷两种类型水听器的测量原理，对矢量水听器标准装置和低频水声计量标准装置的适用对象、性能特 点进行了分析和比较。通过现场实测数据，对矢量水听器标准装置用于传统压电陶瓷水听器低频校准的可行性进 行了论证。论证结果表明，该矢量水听器标准装置除了可以用于矢量水听器的校准，也适用于传统压电陶瓷水听 器的测试或校准，可以弥补低频水声计量标准装置受被测件最大尺寸局限的不足。 关键词 矢量水听器水声计量低频驻波振动液法灵敏度 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｓｏｕｎｄ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｖｅｃｔｏｒ Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ＬＵ Ｚｈｉ—·ｑｉａｎｇ ＬＩＡＯ Ｓｈｕ·－ｃｈａｎｇ ＹＵ Ｈｏｎｇ··ｔａｏ （９１３８８ Ｕｎｉｔ ｏｆ ＰＬＡ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２４０２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｔ ｉｓ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓ ａｐｐｌｙ ｔｏ ｌｏｗ··ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎ·－ ｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｔｗｏ ｃｌａｓｓ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ．Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ａｐｐｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈｔ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｏｂｊｅｃｔ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ａｎｄ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｒｅｓｏｕｒｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｖｅｃｔｏｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｓｏｕｎｄ Ｌｏｗ·ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｌｉｑｕｉｄ－ｐｏｄｅｔｉｕｍ Ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ １ 引 言 大小受限的不足。理论分析和实测数据验证表明， 方法切实可行。 矢量水听器标准装置主要用于矢量水听器接收 灵敏度、声学指向性的校准，为定量评价矢量水听器 ２校准原理简介 声学性能提供依据。通过研究，试图把“矢量水听 器标准装置”拓展用于传统压电陶瓷水听器的校 ２．１矢量水听器低频校准原理 准，以弥补用于传统压电陶瓷水听器校准的低频水 采用“驻波法”对矢量水听器进行校准。 · 该 声计量标准装置校准腔体体积小、被测水听器尺寸 方法采用不锈钢管作为校准腔，在校准腔的底部安 收稿日期：２０１５—０７—２５，修回日期：２０１６一Ｏｌ—ｌ６ 作者筒介：卢治强（１９７８一），男，工程师，主要研究方向：水声计量测试。 宇航计测技术 ２０１６矩 装发射换能器，被校矢量水听器通过与接收灵敏度 值已知的标准水听器进行比较，根据各自输出的开 路电压数值可计算出被校矢量水听器的接收灵敏 度，校准原理如图１所示。 校准腔 被校矢量水听器 标准水听器 图１驻波法校准原理示意图 在ｉ贝０量被校矢量水听器的开路电压 。 后，被 校矢量水听器的接收灵敏度 。 的计算公式如下 ｕ ｓｉｎｅ ０Ｍ ｐｇｒ：Ｍ。’ 。 式中： ——标准水听器的自由场灵敏度，ｄＢ（ｒｅｆ： １Ｖ／ｐ￣Ｐａ）；Ｕｐｓ，——被校矢量水听器的开路电压，Ｖ； ——标准水听器的开路电压，Ｖ；ｄｏ——标准水听 器的入水深度，ｍ；ｄ——被校矢量水听器的入水深 度，ｍ； ——波数，ｋ ＝２ ／ｃ 频率，Ｈｚ；ｃ—— 媒质中声速，ｍ／ｓ。 ２．２传统压电陶瓷水听器低频校准原理 低频水声计量标准装置采用“振动液柱法”对 传统的压电陶瓷水听器进行校准，校准原理如图２ 所示 ，主要由充水的开口圆金属校准腔（其管壁 为刚硬边界条件）和管底的振动激励器组成， 为校 准腔液柱的高度，ｈ为被测水听器的入水深度，口为 被测水听器与校准腔内边缘的距离。 图２振动液柱法校准原理示意图 被测压电陶瓷水听器的接收灵敏度Ｍｅ＝ ｅ。 ／ｐ。，是通过直接测量被测水听器开路输出电压 ｅ。 和间接测量作用在水听器上的实加声压ｐ 求得 的，而声压ｐ 又是利用介质的声阻抗和边界条件以 及声源的参数求出的。 ３ 两套标准装置性能比较 通过对两套标准装置技术性能进行比较，包括 技术参数、测量范围、扩展不确定度等，可以得出它 们之间的优势和局限性，具体见表１和表·２。 表１ 矢量水听器标准装置性能 技术参数名称 测量范围 扩展不确定度 声压灵敏度 ２０Ｈｚ～２ｋＨｚ ２．０ｄＢ（ｋ＝２） 灵敏度校准范围 ≥－２１０ｄＢ（ｒｅｆ：１Ｖ／Ｉ￣Ｐａ） 被测件最大尺寸 ３００ｍｍ ， 表２低频水声计量标准装置性能 技术参数名称 测量范围 扩展不确定度 接收灵敏度 ２０Ｈｚ ２ｋＨｚ ０．６ｄＢ（ｋ：２） 灵敏度校准范围 ≥一２１０ｄＢ（ｒｅｆ：１Ｖ／ＩｘＰａ） 被测件最大尺寸 ４２ｍｍ 通过表１、表２所列技术参数，对两套标准装置 的性能进行比较，不难得出如下结论： （１）校准声压灵敏度时，两套标准装置的测量 频率范围相同。 （２）“矢量水听器标准装置”适用的被校件最大 尺寸远远大于“低频水声计量标准装置”。 （３）“矢量水听器标准装置”的扩展不确定度大 于“低频水声计量标准装置”。 （４）在对尺寸较大的压电陶瓷水听器接收灵敏 度进行校准，且对扩展不确定度要求不高时，可以考 虑使用矢量水听器标准装置来完成。 ４校准数据对比和分析 以同一只标准水听器作为被测压电陶瓷水听 器，型号为Ｂ＆Ｋ８０１４，分别用低频水声计量标准装 置和矢量水听器标准装置对其接收灵敏度进行校 第２期 矢量水听器标准装置水声低频计量应用研究 －６３· 准。通过现场实测的校准数据，分析和验证矢量水 听器标准装置是否适用于开展传统压电陶瓷水听器 校准工作。 ４．１低频水声计量标准装置校准结果 使用振动液柱法进行校准，校准的频点按照三 分之一倍频程进行选取Ｈ．５］，校准数据见表３。其 中 为测量频率（单位：ｒｌｚ），Ｍｐ为被测水听器的接 收灵敏度（单位：ｄＢ）。 表３低频水声计量标准装置接收灵敏度校准数据 ｆ／Ｈｚ Ｍｐ／ｄＢ ｆ／Ｈｚ Ｍｐ／ｄＢ ，／Ｈｚ Ｍｐ／ｄＢ ２０．０ —２Ｏ６．２ ８０．Ｏ 一２０６．２ ３１５．０ —２０６．０ ２５．０ —２Ｏ６．２ ｌ００．０ —２Ｏ６．２ ４００．０ —２ｏ６．Ｏ ３１．５ —２０６．１ １２５．０ —２Ｏ６．１ ５００．０ —２０５．９ ４０．０ —２Ｏ６．Ｏ ｌ６ｏ．Ｏ 一２Ｏ６．１ ６３Ｏ．Ｏ －２０５．９ ５Ｏ．０ —２０６。２ ２ｏ０．Ｏ 一２Ｏ６．Ｏ ８０ｏ．０ —２ｏ５．９ ６３．Ｏ 一２Ｏ６．２ ２５０．０ —２Ｏ５．９ １ Ｏ００．０ —２Ｏ６．１ ４．２矢量水听器标准装置校准结果 使用驻波法进行校准，校准的频点同样按照三 分之一倍频程进行选取，接收灵敏度校准数据见表 ４。 · 表４矢量水听器计量标准装置接收灵敏校准数据 ｆ／Ｈｚ Ｍｐ／ｄＢ ｆ／Ｈｚ Ｍｐ／ｄＢ ，／Ｈｚ ｄＢ ２０．Ｏ 一２Ｏ４．４ ８Ｏ．０ —２ｏ４．６ ３ｌ５．Ｏ －２０５．３ ２５．Ｏ 一２Ｉ ．５ ｌｏｏ．Ｏ 一２０４．８ ４００．０ －２０５．３ ３１．５ —２０４．４ １２５．０ —２ｏ４．９ ５０ｏ．Ｏ －２０５．３ ０４．０ —２Ｏ４．９ ｌ６ｏ．０ —２Ｏ５．４ ６３０．０ —２０５．２ ５Ｏ．Ｏ 一２Ｏ４．８ ２ｏｏ．Ｏ 一２０５．４ ８０ｏ．Ｏ 一２Ｏ５．３ ６３．Ｏ 一２Ｏ４．９ ２５０．０ —２Ｏ５．２ １ Ｏ００．０ －２０５．５ ４．３校准结果的验证 使用传递比较法进行验证，对两套装置的测量结 果进行比较。用标准水听器作为比较的标准器具，分 别用两套标准装置测量标准水听器的典型频率点 ２０．０Ｈｚ、６３．０Ｈｚ、１００．０Ｈｚ和１６０．０Ｈｚ的声压灵敏度， 低频水声计量标准装置的测量结果为 ，矢量水听 器标准装置的测量结果为 ， 为两套装置测量 结果之差，测量数据及比较结果如表５所示。 表５典型频率点接收灵敏度测试数据分析表 ＼频率（Ｈｚ） ２Ｏ．０ ６３．０ ｌ０ｏ．０ ｌ６ｏ．Ｏ 灵敏度（ 蚂， 一２０６．２ —２０６．２ —２Ｏ６．２ —２Ｏ６．１ Ｍｎ 一２ｏ４．４ —２ｏ４．９ —２０４．８ —２０５．４ Ｉ ＡＭｊ）ｌ １．８ １．３ １．４ ０．７ 根据传递比较法的要求，当 ≤Ｕ／３时（ 、 分别为低频水声计量标准装置和矢量水听器计量标 准装置的扩展不确定度），两套装置的测量结果之 差的绝对值ｆ△ Ｉ应小于矢量水听器计量标准装置 的扩展不确定度（ ＝２．ＯｄＢ，ｋ＝２） ］。 从表５的分析结果可知，两套标准装置最大的 测量结果之差的绝对值为１．８ｄＢ。在使用频率范围 内，两套装置测量结果的偏差均未超过允许的误差 极限范围（２．０ｄＢ）。因此，使用矢量水听器标准装 置校准传统压电陶瓷水听器的技术可行性得到验 证。 ５结束语 矢量水听器标准装置主要用于矢量水听器的 校准。现场测量数据说明，该装置也适用于传统压 电陶瓷水听器的测试或校准，可以弥补低频水声计 量标准装置受被测件最大尺寸局限的不足，被测件 最大尺寸由原来的４２ｍｍ扩大至３００ｍｍ，对挖掘和 拓展矢量水昕器计量标准装置的能力具有重要意 义。 参考文献 ［１］ＪＪＦ １３４０－２０１２ ２０Ｈｚ一２ ０００Ｈｚ矢量水听器校准规范 ［ｓ］．北京：中国质检出版社． ［２］费腾，徐平．矢量水听器的低频相位校准方法［Ｊ］．声 学与电子工程．２００６年增刊：８５—８６． ［３］ＪＪＧ １０１８－２００７ １Ｈｚ～２ｋＨｚ标准水听器［Ｓ］．北京：中 国质检出版社． ［４］ 国防科工委科技与质量司组织编写．声学计量［Ｍ］． 北京：原子能出版社，２００２． ［５］郑士杰、袁文俊等编著．水声计量测试技术［Ｍ］．哈尔 滨工程大学出版社．１９９５． ［６］ 国防科工委科技与质量司组织编写．计量技术基础 ［Ｍ］．北京：原子能出版社．２００２．