GB/T 4130-2017 声学 水听器低频校准方法

ICS17.140

A59OB

中华人民共和国国家标准

GB/T4130—2017

代替GB/T4130—2000

声学水听器低频校准方法

Acoustics—Lowfrequencycalibrationmethodsofhydrophones

2017-11-01发布2018-05-01实施

发布

GB/T4130—2017

目次

前言in

i范围1

2规范性引用文件1

3术语和定义、符号1

3.1术语和定义1

3.2符号2

4静水压激励法3

4.1校准原理3

4.2校准装置4

4.3校准条件5

4.4校准频率范围5

4.5校准方法5

4.6测量不确定度6

5压电补偿法6

5.1校准原理6

5.2校准装置6

5.3校准条件7

5.4校准频率范围8

5.5校准方法8

5.6测量不确定度8

6耦合腔互易法8

6.1校准原理8

6.2校准装置9

6.3校准条件10

6.4校准频率范围10

6.5校准方法10

6.6测量不确定度11

7振动液杆法11

7.1校准原理11

7.2校准装置12

7.3校准条件12

7.4校准频率范围13

7.5校准方法13

7.6测量不确定度13

8标准水听器比较法13

8.1校准原理13

8.2密闭腔标准水听器比较法14

T

GB/T4130—2017

8.3振动液柱标准水听器比较法16

附录A（规范性附录）水听器电压耦合损失的测定18

附录B（资料性附录）等效高度的测定20

附录C（资料性附录）压电补偿换能器特征常数Kc的测量方法22

附录D（资料性附录）不同温度和静水压力下几种液体的密度和声速值23

附录E（资料性附录）耦合腔体积的测定24

附录F（资料性附录）耦合腔互易法校准结果不确定分析25

参考文献29

n

GB/T4130—2017

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刖弓

本标准按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。

本标准代替GB/T4130—2000«声学水听器低频校准方法》。本标准与GB/T4130—2000相比,

主要技术变化如下：

——频率范围由1Hz〜3.15kHz扩展到0.01Hz~3.15kHz（见第1章）；

——增加了术语和定义、符号一章（见第3章）；

——增加了静水压激励法（见第4章）；

——增加了振动液柱比较法（见&3）。

本标准由中国科学院提出。

本标准由全国声学标准化技术委员会（SAC/TC17）归口。

本标准起草单位：中国船舶重工集团公司第七一五研究所、中国科学院声学研究所。

本标准主要起草人:陈毅、徐卓华、黄勇军、费腾、莫喜平、张军。

本标准所代替标准的历次版本发布情况为：

——GB/T4130—1984.GB/T4130—2000。

I

GB/T4130—2017

声学水听器低频校准方法

1范围

本标准给出了用静水压激励法、压电补偿法、耦合腔互易法、振动液柱法、标准水听器比较法校准水

听器声压灵敏度的校准原理、校准装置、校准条件和校准方法。

本标准适用于0.01Hz-3.15k;Hz频率范围内水听器声压灵敏度的校准。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T3102.7—1993声学的量和单位

GB/T3947—1996声学名词术语

3术语和定义、符号

3.1术语和定义

GB/T3102.7—1993和GB/T3947—1996界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1.1

水听器hydrophone

用于接收水声信号的电声换能器。

注：由于工作原理、特性及构造等的不同，有声压、声压梯度、无向、指向、压电、光纤等水听器。

[GB/T3947—1996,定义7.81]

3.1.2

标准水听器standardhydrophone

用作水声计量的、性能稳定并经过绝对校准的换能器。常作为建立水中声压基准用的标准器，并借

此传递声压量值。

[GB/T3947—1996,定义7.82]

3.1.3

水听器开路电压open-circuitvoltageathydrophone

Uoc

当水听器输出端没有电流通过时,在该端呈现的电压。

注1：当水听器包含前置放大器时，开路电压是指在前置放大器输出端呈现的电压。

注2：水听器开路电压用伏表示。

3.1.4

水听器声压灵敏度pressuresensitivityofahydrophone

Mp

水听器的输出电压与作用在水听器接收面上的实际声压的比值。

注：水听器声压灵敏度用伏每帕（V/Pa）表示。

1

GB/T4130—2017

3.1.5

声压灵敏度级pressuresensitivitylevel

LMp

水听器声压灵敏度Mp与参考声压灵敏度Mgf之比的以10为底对数乘以20。

注1：通常,Mrcf=1伏每微帕（V/pPa）。

注2：声压灵敏度级用分贝（dB）表示。

注3：在远离谐振频率的低频处，声压灵敏度级与自由场灵敏度级相等。

3.1.6

交变静水压产生系统alternatinhydrostaticpressureproducinsystem

由正弦振动器、充满水的校准腔、充水校准容器和连通两者的管子所组成的系统。当充水校准容器

中的水面作垂直谐和运动时，在校准腔的水中产生交变静水压力。

3.1.7

压电补偿腔aclosedwater-filledchamberforpiezoelectriccompensation

由压电补偿换能器、位移传感器、源换能器和上下刚性盖板所组成的刚性密闭水腔，源换能器被激

励时，能在密闭水腔中生成已知均匀声压场。

3.1.8

耦合腔coupler

能够插入换能器和水听器的密闭、充液、刚性、小尺寸的腔体。

注：采用耦合腔互易法校准时，插入换能器包括发射换能器和互易换能器。

3.1.9

振动液柱vibratincolumn

注入开口刚性圆管形校准容器的液体所形成的液柱，当它振动时，在液柱中产生一个与深度有关的

交变压力。

3.1.10

活塞发声器pistonphone

以已知频率和幅度作往复运动的刚性活塞，当它工作时，能够在一密闭小尺寸腔体中建立已知声压

的设备。

注：密闭空间的最大尺寸与媒质中的声波长相比应该足够小。

3.2符号

下列符号适用于本文件。

a——校准容器的振动加速度,单位为米每二次方秒（m/s2）;

c媒质中的声速，单位为米每秒（m/s）；

耦合腔中媒质的声顺，单位为四次方米二次方秒每千克（m」•s2/kg）；

Ci.电缆的电容，单付为法（F）；

Co——水听器的电容，单位为法（F）；

d——水听器参考声中心离液面的距离，单位为米（m）；

Jo——压电圆管的应变压电常数，单位为米每伏（m/V）；

E——压电圆管的杨氏模量，单位为牛每平方米（N/m2）；

f频率，单位为赫兹（Hz）；

/o——交变静水压产生系统的共振频率，单位为赫兹（Hz）；

g——重力加速度,单位为米每二次方秒（m/s2）；

H——校准容器中液柱的高度，单位为米（m）；

He——受水的惯性力影响的液柱等效高度，单位为米（m）；

2

GB/T4130—2017

H'e——受水的惯性力和系统亥姆赫兹共振影响的液柱等效高度，单位为米（m）；

h校准容器的振动幅度，单位为米（m）；

/f—一发射换能器F与互易换能器H组合时，作用在F上的激励电流，单位为安（A）；

儿——发射换能器F与被校水听器J组合时，作用在F上的激励电流，单位为安（A）；

In一一互易换能器H与被校水听器J组合时，作用在H上的激励电流，单位为安（A）；

Jc一一耦合腔互易常数，单位为瓦每米二次方帕［W/（m•Pa2）］;

Kc——补偿换能器的特征常数,单位为牛每平方米伏［N/（n?•V）］或帕每伏（Pa/V）；

Kw——波动修正系数；

Ko一一亥姆赫兹共振产生的压力放大系数；

Lc水听器开路电压的耦合损失；

——加速度计的灵敏度，单位为伏二次方秒每米（V•s2/m）；

Mp——被校水听器的声压灵敏度，单位为伏每帕（V/Pa）；

5一一被校水听器的声压灵敏度级，单位为分贝（dB）,参考值为1伏每微帕（V/yPa）；

Mo——标准水听器的声压灵敏度,单位为伏每帕（V/Pa）；

P——交变压力或声压，单位为帕（Pa）；

久一一交变压力或声压的幅值，单位为帕（Pa）；

Q机械品质因数；

/——补偿换能器的平均半径，单位为米（tn）；

t——时间，单位为秒（s）；

T——温度，单位为摄氏度（°C）；

U“一一加速度计输出的开路电压，单位为伏（V）；

uc——补偿换能器的驱动电压，单位为伏（V）；

Ud——位移传感器输出的开路电压，单位为伏（V）；

UFJ——发射换能器F与被校水听器J组合时,J输出的开路电压，单位为伏（V）；

UFU——发射换能器F与互易换能器H组合时，H输出的开路电压，单位为伏（V）；

UHJ——互易换能器H与被校水听器J组合时,J输出的开路电压，单位为伏（V）；

5水听器连接电负载后在电负载上产生的电压降，单位为伏（V）；

L/oc——被校水听器输出的开路电压，单位为伏（V）；

Ur一一通过接于水听器低端的插入电阻器引入的插入电压，单位为伏（V）；

6—标准水听器输出的开路电压，单位为伏（V）;

V——耦合腔内媒质的体积，单位为立方米

Zi.——与水听器连接的电负载（如电缆）或前置放大器的电阻抗，单位为欧（Q）;

Zo——水听器的等效串联阻抗，单位为欧（Q）；

△U——水听器的电压耦合损失，单位为分贝（dB）；

P——测量媒质的密度,单位为千克每立方米（kg/m:,）；

3角频率,3=2兀几

4静水压激励法

4.1校准原理

交变静水压产生系统工作时，校准容器以固定幅度h上下作正弦垂直振动，在校准腔中产生的压

力变化〃可按式（1）计算：

3

GB/T4130—2017

p=pQCOS(COl)(1)

当校准频率低于0.5Hz时，幅值久可表示为式(2)：

P0=pgh(2)

由于交变静水压产生系统是一个空气一水亥姆赫兹共振器，在频率高于0.5Hz时，〃不仅受系统

亥姆赫兹共振的影响，还受校准容器和连通管中水的惯性力影响。此时，久可表示为式(3)：

po=f^hK0IIHe)(3)

当系统共振频率几远大于校准频率/且机械品质因数Q大于2时，K。值可按式(4)计算：

f2、

K°=l+F(4)

J0

将式(4)代入式(3)进行运算，可简化为式(5)：

/2\

Z^O=P^,h(1——He)(5)

其中，He'从形式上看是重新定义的等效高度值。它既包括了运动水体惯性力的影响，也包括了系

统亥姆赫兹共振的影响。

测得被校水听器在等效声压作用下输出的开路电压Ug,按式(6)计算，得到被校水听器的声压灵

敏度为：

被校水听器的声压灵敏度级按式(7)计算：

Mp=201gUroc-201g^()-117(7)

4.2校准装置

静水压激励法校准装置组成如图1所示。该装置由交变静水压产生系统和电子测量设备等组成，

电子测量设备由前置放大器、滤波器、电压测量仪、示波器、计算机组成。交变静水压产生系统产生校准

所需的等效声压,前置放大器对被校水听器输出信号进行阻抗匹配和放大，滤波器滤掉低频和高频噪

声，电压测量仪对电压信号进行测量。计算机安装测量软件，通过总线控制数字仪器工作，完成信号的

采集与处理，并对测量结果进行保存和打印。当电子测量设备调至面板控制状态时，也可进行人丁手动

逐点测量。

itMl

图1静水压激励法校准装置框图

4

GB/T4130—2017

4.3校准条件

4.3.1交变静水压产生系统要求

交变静水压产生系统的共振频率应远大于1Hz,机械品质因数Q大于2,并满足如下要求：

a）校准腔：由一定厚度金属材料制成的充水腔体，内部应有一定的大小尺寸，可安装被校水听器

和测量系统亥姆赫兹共振频率的发射换能器，腔体结构设计应有利于内部气泡的排出，上端有

被校水听器安装孔和连通管连接孔；

b）校准容器：由透明的硬质材料制成，用于盛放水介质，高度一般在15cm〜20cm之间，外壁有

可指示水位高度的刻度标尺，下方侧面有连通管连接孔；

c）连通管：用于连通校准腔和校准容器水介质的硬性管，所用材料、尺寸和连接方式应不影响校

准容器上下作自由、稳定的垂直振动；

d）正弦振动器：能带动校准容器上下作正弦垂直振动，T作频率范围不小于0.01Hz〜1Hz,频

率最大允许误差不超过±0.40%,位移幅值范围10mm〜30mm,最大允许误差不超过

±0.30%o

注：交变静水压产生系统的共振频率和机械品质因数可通过校准腔底部的发射换能器在恒定激励下发射，利用水

听器接收声压进行测量得到。

4.3.2校准用仪器要求

校准用仪器T作频率范围应不小于0.01Hz〜1Hz,并满足如下要求：

a）前置放大器:输入阻抗大于被校水听器输出等效阻抗的100倍，否则应进行电压耦合损失修正

（见附录A），增益误差不超过±0.10dB；

b）滤波器：中心频率连续可调，带宽为中心频率的1/3倍频程或小于1/3的倍频程；

c）电压测量仪：电压测量范围下限不人于1mV,上限不小于1V,电压测量最人允许误差不超过

±0.60%；

d）示波器:最长扫描时间不小于2000s,垂直偏转系数误差不超过±2%,扫描时间系数误差不

超过±2%,扫描线性误差不超过±2%。

4.4校准频率范围

静水压激励法的校准频率范围通常为0.01Hz〜1Hz,其校准频率上限主要受静水压激励法校准

精度影响，使得实际校准频率应大大低于交变静水压产生系统的共振频率;其校准频率下限主要受交变

静水压产生系统能够产生的校准频率精度和幅度大小的影响。

4.5校准方法

4.5.1校准前准备

校准前应做如下准备：

a）测量被校水听器的电缆长度；

b）清洗被校水听器表面，将其固定在充满清洁水的校准腔中，浸泡1h；

O对不带前置放大器的被校水听器，测量其静态电容和绝缘电阻；

d）对校准容器充水,使水位达到适当高度，排出校准腔、连通管和校准容器中的气泡；

e）检查并排除静电干扰和电磁干扰。

4.5.2校准步骤

校准步骤如下:

5

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a）按图1所示连接电子测量设备、交变静水压产生系统和被校水听器；

b）开启所有仪器设备，预热15min；

c）检查测量信号与背景噪声的大小,使测量信噪比不小于20dB；

d）将前置放大器和滤波器的增益调节到适宜值，被校水听器输出波形无畸变；

e）测定校准装置的等效高度（参见附录B）；

f）选择需要校准的频率；

g）测量被校水听器的声压灵敏度；

h）重复测量6次，计算不同频率下的声压灵敏度级。声压灵敏度级频率响应由各校准频率点上

的声压灵敏度级构成。

4.6测量不确定度

按要求进行校准时，静水压激励法的测量不确定度一般不大于0.5dB以=2）o

5压电补偿法

5.1校准原理

压电补偿法校准时，被校水听器被放置于补偿换能器的中心附近，补偿腔底部安装源换能器。通

常，补偿换能器由压电陶瓷圆管构成，其内壁作为补偿腔的壁，外圆管为位移传感器，内外两管间填充弹

性耦合物质,与补偿换能器实现声耦合。校准时，信号源通过功率放大器驱动源换能器工作，在补偿腔

内产生测量所需的声压。同时，该信号源也驱动补偿换能器工作，通过调节补偿换能器驱动电压的

幅值和相位，使位移传感器的输出电压Ud为零，即此时补偿换能器的振动位移为零，达到补偿状态，腔

内的声压p按式（8）计算：

dE

卩=亠6=心5（8）

r

被校水听器的声压灵敏度Mp按式（9）计算：

若用声压灵敏度级Mp表示，则式（9）变为式（10）：

Mp=201gl/oc一201gKc—201gU（10）

5.2校准装置

压电补偿法校准装置组成如图2所示。该装置由压电补偿腔、被校水听器和电子测量设备组成，电

子测量设备由电子开关、前置放大器、滤波器、锁相放大器、示波器、信号源、功率放大器、计算机组成。

源换能器产生校准所需的声信号，补偿换能器发射与源换能器幅度相同、相位相反的补偿信号，位移传

感器检测结果是否达到规定值。前置放大器对被校水听器输出信号进行阻抗匹配和放大，滤波器滤掉

低频和高频噪声,锁相放大器对电压信号进行测量。计算机安装测量软件，通过总线控制数字仪器工

作