UDC 681.88
水声换能器自由场校准方法
GB 3223-82
Free - field calibration method of underwater sound traasducers
1引言
1.2本标准中的测量都是在稳态条件下进行的.
当被校换能器的性能与环境条件（如温度、静压等）有关时，应在校准结果中说明这些环境条件.
1.3本标准编制中部分参考了国际标准IEC565（1977）《水听器校准》.本标准中所用的名词术语、量和单位的名称、符号等均参照有关国家标准GB3102.7-82《声学的量和单位》、GB3238-82《声
2名词术语
2.1白由场均匀面各向同性的媒质中，边界影响可以不计时的声场.
自由场中，离声源远处解时声压与瞬时质点速度同相的声场.注：在远场中的声波离声源呈球面发教波，即声原在某点产生的声压与该点至声源声中心的距离成反比.
2.2运场：
2.3[有效]声中心 是在发射器上或附近的一个点，在远处观测时，好象声波是从这个点发出的球面发散声波.注：站于互易换能器，用作水听器时的声中心与用作发射器时的声中心是一致的.
2.4水听器」 是把水下声信号转换为电信号的换能器.
2.5[水下声]发射器F是把电信号转换为水中传播的声信号的换能器.
2.6可逆换能器是一个换能损失与传输方向无关的换能器.注：可适换能器既能用作发射器又能用作水所器.
是线性、无源、可逆井满足互易原理的换能器.
2.7互易换能器H
2.9换能器的电阻抗 Z 2水听器的输出端，可以是水听器头子，电境或水析器能置改大器的输出潮.
在某一频半下的电阻抗为加于换能器电瑞的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比.单位：欧
[姆]，Ω.
注：此电阻抗与换能器所处的声场及其环境（静压、福度）和电负载（连接的电境长度）等条件有关，放在给出损能器的电阻抗值时，应同时指明换能器的这些条件.
2.10换能器对的转移电阻抗[模]|ZF|
由发射器（F）和水昕器（J）组成的换能器对，在某一频率下的转移电阻抗[模）丨Z为水听器的开路电压U与流入发射器的电流/的比值.单位：欧[姆]，Q.
以数学表示为：
注：①转移电阻抗与换能器的方向、所处的声场、环境及其电负载等条件有关，故在给出转移电阻抗值时，应同时②如换能器对处在本标准规定的自由场远场条件下，则其转移电阻抗与发射器和水所器的声中心间的距离d 指明换能器对的这些条件.成反比例，即
121d-常数
（2）
2.11自由场[电压]灵敏度M
是水听器输出编的开路电压U与在声场中引人水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压P的比值.单位：伏每帕，V/Pa.
以数学式表示为：
注：自由场灵敏度是对一个平面行波面言，水听器相对于平面按传播的方向、输出指和颜率应闻时指明.
2.12自由场[电压]灵敏度[级]M
是自由场灵敏度M与其基准值M，之比值的以10为底的对数乘以20.单位：分贝，dB.以数学式表示为：
注：自由场灵敏度[级]的基准值M，为1V/Pa
2.13发送电流响应S
发射器在某频率下的发送电流响应S，是在指定方向上离其声中心某参考距离d处远场中的声压
，和该参考距离的票积与加到输人电端的电流/的比值.单位：帕米每安，Pam/A数学式表示为：
注：发射器的指定方向、输人确均可任意选定，声中心是接定义由实验确定，在给出发送电流响应时，应网时指出其指定方向、输人端及声中心位置.
2.14发送电流响应[级]S
以数学表示式为：
是发送电流响应S/与其基准值S，之比值的以10为底的对数乘以20.单位：分贝，dB.
注：发递电资响应（级）的基准值S为1pPam/A.
2.15发送电压响应S
发射器在某频率下的发送电压响应S，是在指定方向上离其声中心某参考距离d处的远场中的声压P和该参考距离的乘积与加到输人电端的电压U的比值.单位：帕米每伏，Pam/V.
以数学式表示为：
（7）注：发射器的指定方向、输人端均可任意遇定，声中心是按定义由实验确定，在给出发送电压响应时，应网时指 出其指定方向、输人确及声中心位置.
2.16发送电压响应[级]S
是发送电压响应Sv与其基准值S，之比值的以10为底的对数乘以20.单位：分贝，dB.以数学表示式为：
(8)
注：发送电压响应[级}的基准植Sv为lsPa-m/V.
2.17电声互易原理
响应S1之比和换能器本身的结构无关的原理. 一个线性、无源、可逆的电声换能器用作水听器时的自由场灵敏度M与用作发射器时的发送电流
注：上述比值为互易常数，此常数与声场性质有关，本标准中的互易常数为白出场球到波互易常数J，其值为：
(9)
式中：p-螺质的密度，kg/m；
{-频*，
3互易法校准
互易法校准是利用电声互易原理在自由场中校准换能器的一种绝对校准方法.此方法用于校准标准水听器和标准声源.
3.1原理
互易法校准需用三个换能器，其中一个是互易换能器（H），另两个换能器是发射器（F）和水听（J），此两换能器只要求满足线性条件.在自由场远场中，将上述换能器按图1排列，作三次测量， 分别测量其转移电阻抗|Z1.根据电声互易原理，从这三个转移电阻抗值中，可以计算得到互易换能器和水听器的自由场灵敏度、互易换能器和发射器的发送电流响应.
图1
这三次测量为：
（1）当发射器（F）发送，互易换能器（H）接收时[图1（a）），其转移电阻抗|Z为：
式中：Urs互易换能器（H）置于发射器（F）的声场中产生的开路电压，V，
1加到发射器（F）输人端的电流，A；
d-发射器（F）和互易换能器（H）的声中心之间的距离，m一发射器（F）在离其声中心距离dn的互易换能器（H）的声中心处产生的声压，P；
（2）当发射器（F）发送，水听器（J）接收时[图1（b）]，其转移电阻抗|Z|为：
.（11)
式中：d;-发射器（F）和水听器（J）的声中心之间的距离，m；
M，--水听器（J）的自由场灵敏度，V/Pa.
（3）当互易换能器（H）发送，水听器（J）接收时[图1（c）]，其转移电阻抗|Z|为：
式中：dn-互易换能器（H）和水听器（J）的声中心之间的距离，m；
S--互易换能器（H）的发送电流响应，Pam/A.
从式（10）和（11）中可得：
(13)
根据电声互易原理，互易换能器（H）在自由场远场的条件下应有：
（14)
从式（12）和（14）中可得：
（(15)
|Zu | = M M/ Jsdu于是从式（13）和（15）中就可得到互易换能器（H）和水听器（J）的自由场灵敏度，分别为：
及互易换能器（H）和发射器（F）的发送电流响应分别为：
（19)
3.2频牢限制
根据互易法校准的原理，理论上对校准频率没有任何限制，但由于各种技术原因，实际上存在着高频限和低频限.
3.2.1高频限
对于一定尺寸的换能器，校准时所需的最小距离，随频率增加面加大（见3.3.4款）.对于连续正弦信号或有一定带宽的噪声信号（在不考惠指向性的情况下），直达信号与反射信号的相对幅值比与其大于30dB即反射声的声程与直达声的声程之比大于30dB时，反射的影响将不大于0.3dB.当用 声程比成反比，因此来自边界的反射声对直达声的干扰也随校准距离的增加而增大.当此相对幅值比脉冲声校准时，由稳态测量条件的要求，脉冲声中所需包含的最小周数，与由直达声、反射声的程差决定的脉冲声中能包含的最大周数（见附录入）决定了在一定水城中能对某一换能器用脉冲声校准的 高频限.
此外高频限还与由媒质声吸收引起的声衰减有关，此声衰减随频率增加得很快，当频半为1MHz时，淡水中的声衰减为0.25dB/m，海水中为0.4dB/m.
3.2.2低频限
一般压电型或电动型的换能器，在低于其最低谐振频率下，发送电流响应与频率或频率平方成比例地减小.当颜率低至某一值时，此类换能器在水听器处产生的声压，可低于环境噪声而无法检测. 对有一定准确度要求的校准，此条件决定了校准的低限.
当用脉冲声校准时，由稳态测量条件等的要求，声脉冲中应包含的最小周数不能少于两个.有限水域的大小又限制了声脉冲能具有的最大宽度，这些条件也限制了能校准的低频限.
3.3校准前的准备
3.3.1换能器的准备
在测试过程中不附有气泡，以保证测试的可靠性. 3.3.1.1在校准前应将换能器表面擦洗千净，并浸泡于水中一定时间，使换能器表面得到充分湿润，
3.3.1.2换能器应预先在测试环境中所需深度处放置一定时间，一般不少于率小时，使换能器与环境温度、压力达到平衡，以保证换能器的性能在测试中保持稳定不变.
3.3.1.3换能器应采用细线或弹性支架等方式悬挂，以避免由于支架引起的声反射或结构噪声干扰等造成对换能器灵敏度的影响.
3.3.1.4若在水池中进行测试时，应经常使水池的水保持干净，注意避免由于水质污染引起对测试的影响.
3.3.2自由场球面波验证
条件.检验自由场的方法是检验在此声场中声压P与距离d成反比的球面波传捶的规律是否成立.此关 本校准方法是建立在自由场球面波条件的基础上的，故在校准前首先应检验声场是否符合自由场系可表示为：
式中：N--离声源声中心距离d的声压，Pa
A--常数.
上式以对数形式表示时，有
图2
满足的因素，例如边界反射、声源的近场效应、换能器间的反射等等，均表现为使实测点偏离理想直 老以lap为级坐标，lgd为横坐标，则此式在直角坐标中为一直线（图2）.任何使自由场条件不线.一般以此偏差来度量自由场条件的符合程度，并以此量值来计算由声场条件引起的校准误差.在互易法校准中，要求在校准处的声场偏差小于±0.5dB.
在开阔水域内进行校准时，仅由水面反射造成的最大声场偏差4a可由下式估算.
式中：d-校准时两换能器声中心间的距离，m；
h换能器离水面的深度，m.
若要求声场偏差4a小于±0.5dB，则应有
注：在检验声场时，若发现实测点与理想直线的润差，随距离单清地增减，这可能是由于测试中，所选取的换隆声中心不合适新致，这对需要先枝3.3.3款的方法确定的声中心后再确定偏差40.
3.3.3发射器和水听器的声中心的确定
对于对称性较大的（如球形、柱形等）发射器和水听器，其声中心常与对称中心一致，故对这样的换能器，常可以对称中心作为声中心.在一般情况下，特别当换能器的尺寸大于波长时，应测定换
