GB/T 7965-2002 声学 水声换能器测量

ics17.140.01

u67

中华人民共和国国家标准

GB/T7965-2002

声学水声换能器测量

Acoustics-Measurementofunderwatersoundtransducers

2002一03一26发布2002一12一01实施

中华人民共和国发布

国家质量监督检验检疫总局

GB/T7965-2002

目次

前言·······································································································。··········……工

1范围.···I

2引用标准“，·····，，，···“········4·················‘·········，·1··“··，，···········‘·····一1

3定义·····························。，·········，，·……1

4基本电声参数···················································································。···········。··……1

5坐标系和数据表示法····。·······················································……，.·..·..·.··········..……。.2

6测量方法的选择、测量条件及准备·，，·········································‘···.·..·……3

7自由场灵敏度和发送电流响应的互易法测量4

8自由场灵敏度的比较法测量7

9声压灵敏度的测量····················，·······‘·······································‘·········。············…·…8

I。发送响应级〔」的比较法测量··································‘······················。·，，……，，······.·..·……8

Il水听器加速度灵敏度测量，，············4.…，…8

12水听器相位一致性测量.··..·..……，，..……9

13换能器阻抗和导纳的测量······························································，···················.·……9

14指向性图案、波束宽度和最大旁瓣级的测定················‘·····················，·····················……12

15指向性因数和指向性指数的确定···。‘············‘····，，·，·························一·13

16输人电功率的测量.·15

17辐射声功率的测量··················，···································································.··…·…17

18电声效率的测量······。·······································。·······················.··········.·······.··.……19

19换能器带宽和机械品质因数的测量····。·····。·········20

附录A(标准的附录)常用换能器的声场邻近区判据·····22

附录B(提示的附录)有关噪声场法测量的问题.·一·23

附录C(标准的附录)柱面波自由场互易常数中7。的数值表。23

附录D(标准的附录)指向性因数、指向性指数的计算图表及公式····································。·…24

附录E(提示的附录)参考文献··，·········.，·”·····.，··，····，’·····，·-，··，，····‘·…，26

GB/'r7965-2002

前言

GB/T7965-1987《声学水声换能器测量》分为两个方面:基本电声参数;测量方法。

本标准根据我国水声计量测试发展的现状，对GB/T7965-1987《声学水声换能器测量》进行了

修订，技术内容有所增加。

本版与GB/T7965-1987版相比主要不同之处如下:

—对换能器阻抗和导纳的测量、输人电功率测量、机械谐振频率测量、换能器带宽测量、机械品质

因数测量和指向性图的测量计算进行了修改;

—增加了声强法测量声功率的方法;

—增加了相位一致性测量方法和加速度灵敏度测量的标题。

本标准自实施之日起，代替GB/T7965-1987,

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归口。

本标准负责起草单位:中国船舶工业集团公司国营第七一二厂、中国科学院声学所、中国船舶重工

集团公司国营第六一二厂、中国船舶重工集团公司第七研究院第七一五所、哈尔滨工程大学水声所

本标准主要起草人:郑进鸿、宋受锰、张丽英、郑士杰、田忠仁、薛耀泉、朱厚卿。

中华人民共和国国家标准

GB/T7965-2002

声学水声换能器测量

代替GB/T7965--1987

Acoustics-Measurementofunderwatersoundtransducers

范围

本标准规定一般水声换能器的主要电声参数的测量、计算和表示方法。

本标准适用的频率范围为1Hz-1MHz,

本标准所规定的测量方法也适用于一般基阵。

大功率下的某些参数应按GB/T7967-2002的规定进行测量。

2引用标准

下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均

为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

GB/T3223-1994声学水声换能器自由场校准方法

GB/T3769-1983绘制频率特性图和极坐标图的标度和尺寸(neqIEC263:1975)

GB/T3947-1996声学名词术语

GB/T4128-1995声学标准水听器(neq500:1974)

GB/T4130-200。声学水听器低频校准方法

GB/T7967-2002声学水声发射器的大功率特性和测量

GB/T16165-1996声学水听器相位一致性测量方法

GB/T17251-1998声学水听器加速度灵敏度校准方法

定义

本标准采用GB/T3947中的定义。

4基本电声参数

基本电声参数的名称、符号、单位、测量和计算方法、适用的频率范围以及测量的不确定度见表

表1基本电声参数

测量不

参数符号单位测量及计算方法频率范围

确足度

自由场仁电压]灵敏度MV/Pa球面波自由场互易法100Hz--1MHz1.0dB

自由场仁电压〕灵敏度级〔」MdB(基准值:1V/pPa)柱面波自由场互易法200Hz-10kHz1.0dB

球面波自由场比较法100H-1MHz1.5dB

柱面波自由场比较法200H-10kHz1.5dB

噪声均匀场比较法100Hz-y4kHz2.0dB

声压灵敏度M,V/Pa振动液柱法10Hz-2kHz1.0dR

声压灵敏度级〔]M,dB(基准值:1V扭Pa)密闭腔比较法1Hz-4kHz1.0dB

中华人民共和国国家质f监督检验检疫总局2002-03-26批准2002一12一01实施

GB/T7965-2002

表1(完)

测量不

参数符号单位测量及计算方法频率范围

确定度

参考水听器比较法:200H-20kHz

水听器相位一致性Y'()或rad连续波

脉冲波::

水听器加速度灵敏度五tV·s'/m标准加速度计法

10H-2000Hz0.6dB

水听器加速度灵敏度级「习A生.dB(基准值:1V·s'/m)激光测振仪法

发送电流响应Pa·m/A

;:比较法100Hz-1MHz1.0dB

发送电流响应级〔]dB(基准值:1pPa·m/A)

发送电压响应SvPa·m/V1.5dB

发送电压响应仁级]SvdB(基准值:1pPa·m/V)比较法100Hz-1MHz1.5dB

发送功率响应SwPa'·m'/W1.5dB

发送功率响应[级」SwdB(基准值:1pPa'·m'/W)1.5dB

换能器阻抗2丁Q阻抗分析法100Hz-1MHz5%

换能器导纳YTS.三电压法100Hz--100kHz5%

指向性函数D(0,9)

波束宽度20直接ll}500Hz-500kHz5%^10/0u

最大旁瓣级LedB

指向性因数Re根据指向性图计算

指向性指数刀]dB根据波束宽度计算或查表500H-500kHz10肠

指向性图案根据等效尺寸计算

输人电功率WW电压电流相位法10%

阻抗法500H-500kHz12%

相位补偿法8%

辐射声功率WW声压法500Hz-500kHz30yo

声强法100H-6000Hz

电声效率1-直接法500H-500kHz32

电导(电阻)法(在谐振频率上)15%

机械谐振频率Hz电导(电阻)法100Hz-1MHz5%一

机械品质因数Qfmu10%

发射响应带宽叮Hz直接法

100Hz-1MHz10写

接收响应带宽

5坐标系和数据表示法

51换能器取向的坐标系

换能器的取向采用左旋极坐标系(见图1>，坐标的原点放在换能器的有效声中心上，以该点为测量

距离的起点。测量指向性图时，换能器绕通过该点的某一轴旋转

一般换能器在此坐标系中的取向应符合如下规定:

a)对换能器的工作位置来讲，正Z轴c0=00)是向上的方向;

b)正X轴<(0=900,0=00)是法向传播方向或水平声轴方向，自由场灵敏度或发送响应一般都在X

轴方向上测量;

c)正Y轴是0=90',0=90。的方向;

2

GB/T7965-2002

d)球形换能器或球形阵的取向，正Z轴应与电缆引线重合，正X轴应与换能器上的指向标志一致

(见图2);

e)线列换能器或圆柱阵的取向，正Z轴应与直线或圆柱轴重合，正X轴应与换能器上的指向标志

一致(见图3);

f)平面形换能器或平面阵的取向，正Z轴一般在辐射面的法线方向，正X轴与换能器上的指向标

志一致(见图4),

图1左旋极坐标系图2球形换能器

2轴基准

电绳头x轴基准

指向标志

\xx轴荃准

指向标志

图3线列换能器图4平面形换能器

取向需特殊规定时，应另加说明。

5.2数据表示法

报告中给出的测量参数及导出参数的数据，可以列成数值表格表示，当与频率或方位角有关时，一

般制成图表，在直角坐标或极坐标纸上用曲线表示。绘制曲线时，应按GB/T3769的规定，所选用的标

度应与数据的不确定度相适应。

对指向性图和导纳圆图(或电导曲线)等的要求，参见GB/T3769的规定。

6测t方法的选择、测.条件及准备

6.1测量方法的选择

6门.1自由场「电压」灵敏度和发送响应的测量

测量方法分为互易法和比较法。可根据对测量的不确定度要求大小来选用。互易法测量要求测量

三次以上并对数据取平均，以减小偶然误差。

6门.1.1互易法

a)球面波自由场互易法，适用于大多数换能器，可在表1给出的频率范围内进行测量;

GB/T7965-2002

b)柱面波自由场互易法，对于长柱形或线列换能器，往往由于它们的长度较长，致使球面波场邻近

区很远，而难以获得符合测量要求的球面波自由场;或因距离太远，难以保证足够的信噪比，在此情况

下，可选用在近场等效柱面波区内进行测量。测量的频率范围见表1,

6.1.，.2比较法

比较法是将待测换能器与标准水听器或标准声源在同一声场中进行比较，标准水听器或标准声源

应按规定定期校准

6.1.2其他参数的测量

其他参数的测量可根据表1对测量不确定度的要求和实际测量条件确定。

6.2测量条件

当测量表1中的换能器参数时，应注意温度、静水压、电接地、频率、声负载等条件保持恒定对测量

有影响的条件，应加以说明。

所测量的各种参数都应在稳定情况下进行，特殊情况应另加说明。当使用脉冲法时，脉冲宽度和脉

冲波形的选择都应使稳态条件和自由场条件得到满足，见GB/T3223-1994中附录A(标准的附录)

测量距离应满足不同换能器所要求的远场条件见本标准附录A(标准的附录)。

互易法测量时，测量处的声场与理想自由场声压的偏差应不大于。.5dB;比较法测量时，其声压偏

差应不大于1.0dB.

63测量前的准备

测量前应将换能器表面擦洗干净，浸人水中放到所需的测量深度，浸泡30min以上，使换能器表面

得到充分浸润，不应附有气泡，以保证测量稳定可靠。

换能器的安装支架应避免振动、声反射和散射等的影响，旋转时，换能器不抖动。换能器的声轴在水

平方向上，并且水声发射器和水听器应处在同一深度上。

水听器应满足测量所需的动态范围。

在测量之前应对声场进行检查。检查球面波自由场的方法是检查声场中声压与距离成反比的球面

波扩展规律是否成立。如果符合此规律，则说明在这些距离内满足远场条件，声中心选择是正确的，测量

系统和媒质是稳定的，接收系统是线性的，换能器安装的方向和深度是正确的，并且没有边界干扰和电

串漏等。

柱面波法的等效柱面波场、噪声场法中对噪声场的要求及其检查方法分别见相应的条款。

测量区域内应保持信噪比始终大于20dB,

6.4动态范围的测量

动态范围为声接收用的换能器的过载声压级与等效噪声声压级之差。

换能器等效噪声声压的测量，按GB/T4128-1995中附录B规定的方法进行。

接收换能器的过载声压级用平行于换能器声轴传播的平面正弦行波的声压级表示。测量接收换能

器的过载声压级时，应保持除接收换能器外的整个测量系统处在线性范围，当接收换能器的输出电压随

声压级增加而变化的曲线偏离线性关系某一给定值(例如:1dB)时，这时测得的声压级就是过载声

压级。

7自由场灵敏度和发送电流响应的互易法测f

7.1球面波自由场互易法

按GB/T3223-1994中4的方法，结果应符合表1的要求。

在低频范围，当用单频连续正弦信号或用脉冲声技术都不能获得满意的自由场时，可采用窄带噪声

信号，使互易法在低频范围内得到延伸。采用窄带噪声信号测量，只能在远低于换能器谐振频率的频段

内进行，并要求噪声信号声场对球面波自由场的偏差不大于士l.0dB，对噪声信号类型，仪器和水声发

射器的选择参见本标准的附录B提〔示的附录)。

GB/T7965-2002

如果标准衰减器的精确度优于o.2dB，或电压测量的不确定度不大于2%，距离测量的不确定度不

大于1%，取样电阻的准确度优于1%，则球面波自由场互易法测量的不确定度不大于1.0dB，用噪声信

号时，测量的扩展不确定度不大于1.5dB(扩展因素k等于2)0

7.2柱面波自由场互易法

7.2.1原理

7.2.1.1自由场灵敏度仁级〕

线形(或长柱形)水声发射器发送时，在离它较近的距离(大约a/2-L2/a)，其中a为水中声波长，L

为换能器的有效长度)范围内存在一个等效的柱面波区域。当一个线形水听器在这个区域内接收时，它

的接收面感受到的声压平均值，符合柱面波扩展规律，即距离每增加一倍，声压平均值衰减3dB。线形

水听器的柱面波自由场灵敏度等于它的球面波自由场灵敏度值。

a)线形水听器的柱面波自由场灵敏度按公式((1)计算:

M<=矶/P,························……(1)

式中:Mc一一柱面波自由场灵敏度，V/Pa;

U—一水听器的输出开路电压，V;

Pr—作用于水听器上的声压平均值，Pa,

b)自由场灵敏度级〔口按公式((2)计算:

M,=201g(M,c/M,)························……(2)

式中:M‘一自由场灵敏度级〔〕,dB;

M—自由场灵敏度级〔」的基准值(M,=1V小Pa),

7.2门2发送电流响应级〔〕

a)柱面波声场中发送电流响应是线形水声发射器在某指定方向上离其声中心某参考距离do处产

生的柱面波声场中的平均声压和该参考距离平方根的乘积与输人该水声发射器的电流的比值，按公式

(3)计算:

Stc一P,x蕊/，.·..··.·.·一。……(3)

式中:SIC—柱面波发送电流响应，Pa"m'/'/A;

d,—参考距离，m;

了—输人水声发射器的电流，A;

PC"—线形水声发射器在参考距离处产生的平均声压，Pa.

b)柱面波发送电流响应级「〕按公式((4)计算:

S,,=2018(S,c/S)(4)

式中:凡。—柱面波发送电流响应仁级〕,dB;

S,—柱面波发送电流响应仁级」的基准值((S,=1AiPa"m'"/A),

c)柱面波发送电流响应与球面波发送电流响应的换算按公式((5):

S,/Sic=L//'-A(5)

式中:S,-一球面波发送电流响应，Pa"m/A;

L—线形水声发射器的有效长度，m;

A—水中声波波长，me

d)线形互易换能器在柱面波区中应满足公式((6):

J,.=从/S,c···············-·········，·…(6)

式中:Jc=2L了万/(PC)-一柱面波互易常数，W/(mvs"Pa');

I.—线形互易换能器的有效长度，m;

GB/T7965-2002

P—水的密度，kg/m';

水中声速，m/s,

7.2.2测量

柱面波自由场互易法的测量装置和测量方法与球面波自由场互易相同，只是声场检查和计算公式

有区别。

测量时，换能器指定方向的选定、换能器输出端的选定、换能器线性范围的验证、互易换能器互易性

的验证，分别按GB/T3223-1994中4.3.5-4.3.8规定的方法进行。水听器开路电压的测量、输人水

声发射器电流的测量、转移电阻抗的测量，分别按GB/T3223-1994中4.4.2-4.4.4规定的方法

进行

测量距离的选择，要经过实际声场检查确定，声场与理想柱面波自由场的偏差应不大于士。.5dB

实际的柱面波区域比理论估计的范围(X/2-L'/X)要宽

7.2.2门电压表测量法

按一般互易法的三步测量，保持三步测量中的距离不变，用同一个电压表分别测出激励水声发射器

(F)和互易换能器(H)的电流(通过测量串联的标准电阻上的电压降或用电流互感器得到)及互易换能

器和水听器(J)的输出开路电压，由公式((7)一(10)计算出水听器和互易换能器的自由场灵敏度及水声

发射器和互易换能器的发送电流响应:

M1一CU(F1/I'F)、(IF/UFH)XU(,;/'.)X存XJ,]Uz……(:)

M一(〔UFH/IF)X(I'F/UF1)X(UHI/IH)X存XJ"]'iz(8)

SIF一UF/),.I(〔X(IH/UH1)X(UF1lI'F)X而/Jc]“……(9)

S,H一CU(FH/IF)XU('F/UFl)XUH/).11(XNd,1.7,1-..·…·…，二(:。)

式中:UFJ—水声发射器F发送、水听器J接收时的输出开路电压，V;

U-—水声发射器F发送、互易换能器H接收时的输出开路电压，V;

UH1—互易换能器H发送、水听器J接收时的输出开路电压，V;

I'F—水声发射器F发送、水听器J接收时，输人水声发射器的电流,A;

介—水声发射器F发送、互易换能器H接收时，输人水声发射器的电流，A;

几—互易换能器H发送、水听器J接收时，输人互易换能器的电流，A;

do—发射器和互易换能器或水听器的声中心之间的距离，m,

互易法测量时，最好用长度相同或接近的三个换能器。如果它们的长度不同，则互易常数(Jc)中的

换能器长度(L)应是互易换能器的有效长度，线形换能器有效长度按15.3中的方法确定。

7.2.2.2衰减器测量转移电阻抗法

在互易法的三步测量中，均将标准电阻上的取样电压经标准衰减器衰减后，与接收用的换能器的输

出开路电压比较，当它们相等时，记下衰减器的读数，由公式(11)一(14)计算它们的自由场灵敏度仁级口

和发送电流响应厂级刁:

M,一合a(m-一·二+lOlgd一(+201gR+201gL+1c)(11

MH=告(aF-···一+lOlgd+201gR+20lgL+，。)

一

SIN-合(aH)一、一+lOlgd,+201g*一2018:一，)

一

SHI告(aFj-aF·一+lOlgdc+2018*一201g:一，。)

式中:aFH-一水声发射器发送、互易换能器接收时，测转移电阻抗(UFH/IF)时衰减器的读数，dB;

6

GB/T7965-2002

aFl—水声发射器发送、