JJF 2144-2024 水聲材料聲學性能參數(shù)(駐波管法)校準規(guī)范

中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范4水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法校準規(guī)范scsge)8發(fā)布 8實施國家市場監(jiān)督管理總局 發(fā)布4水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法校準規(guī)范ccsge)

4歸 口 單 位:全國聲學計量技術(shù)委員會主要起草單位:中國船舶重工集團公司第七一五研究所參加起草單位:中國船舶重工集團公司第七○二研究所中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院本規(guī)范委托全國聲學計量技術(shù)委員會負責解釋本規(guī)范主要起草人:中國船舶重工集團公司第七一五研究所)中國船舶重工集團公司第七一五研究所)中國船舶重工集團公司第七一五研究所)參加起草人:呂世金中國船舶重工集團公司第七○二研究所)閆孝偉中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院)目 錄引言………………………

Ⅱ)1范圍……………………2引用文件………………3術(shù)語和計量單位………………………1水聲材料……………2駐波管………………3傳遞函數(shù)……………4聲壓反射系數(shù)………………………4概述……………………5計量特性………………1聲源穩(wěn)定性…………2聲壓反射系數(shù)測量偏差……………6校準條件………………1環(huán)境條件……………2測量標準及其他設(shè)備………………7校準項目和校準方法…………………1校準項目……………2校準方法……………8校準結(jié)果的表達………………………1校準數(shù)據(jù)處理………………………2校準證書……………3校準結(jié)果的不確定度評定…………9復校時間間隔…………

1)1)1)1)1)2)2)2)3)3)3)3)3)3)4)4)4)5)5)6)6)6)附錄A 校準證書的內(nèi)容………………

7)附錄B 測量不確定度的評定示例附錄C 參考樣品性能參數(shù)標稱

…………………………

9))Ⅰ引 言本規(guī)范依據(jù)0國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》編寫。本規(guī)范為首次發(fā)布。Ⅱ水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法)校準規(guī)范范圍本規(guī)范適用于測量頻率范圍為0z的水聲材料樣品聲壓反射系數(shù)的駐波管法校準。引用文件本規(guī)范引用了下列文件:4倍頻程和分數(shù)倍頻程濾波器檢定規(guī)程1通用計量術(shù)語及定義0聲學計量術(shù)語及定義2測量不確定度評定與表示4阻抗管校準規(guī)范傳遞函數(shù)法)3聲學的量和單位6聲學 名詞術(shù)語1聲學 水聲材料樣品插入損失、回聲降低和吸聲系數(shù)的測量方法6聲學 水聲材料樣品聲壓反射系數(shù)、聲壓透射系數(shù)和吸聲數(shù)的測量 行波管法凡是注日期的引用文件僅注日期的版本適用于本規(guī)范凡是不注日期的引用文件,其最新版本包括所有的修改單適用于本規(guī)范。術(shù)語和計量單位GTT、B3界定的及以下術(shù)語和定義適用于本規(guī)范。本規(guī)范采用7規(guī)定的量和單位。 水聲材料 cl在水聲工程中,具有特定聲學性能的材料。]駐波管ge在其中產(chǎn)生和傳播駐波,用于測量水聲材料和構(gòu)件樣品聲學性能,或校準水聽器靈敏度的充液波導管。注:駐波管管體一般采用壁厚不小于管內(nèi)半徑的不銹鋼圓管,底部裝有一只發(fā)射換能器,駐波管管壁上可裝水聽器組。1管中駐波由波導管內(nèi)同頻聲波相互干涉而形成,駐波幅值和相位沿軸向固定分布,由于聲管長度限制,并不一定形成嚴格意義上的波峰和波谷。傳遞函數(shù)nH給定頻率和環(huán)境條件下,駐波管中兩只水聽器處的聲波復聲壓之比。聲壓反射系數(shù)tR給定頻率和環(huán)境條件下,水媒質(zhì)中平面聲波入射到無限大板狀樣品表面,其反射波聲壓與入射波聲壓之比。: , , : , , 注 實際測量時 在邊緣效應可忽略的情況下 有限尺寸樣品等效為無限大樣品概述( 水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法的測量原理框圖如圖1所示系統(tǒng)由駐波管裝有發(fā)射換能器和水聽器組)和測量分析系統(tǒng)組成。測量分析系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、前置放大器、濾波器、信號采集器或數(shù)字示波器和計算機等。計算機安裝測量軟件,通過總線控制數(shù)字儀器完成信號采集與處理、測量結(jié)果保存和打印。采用人工讀數(shù)測量時,信號采集器可用數(shù)字示波器替代。駐波管配置有輔助裝置,調(diào)節(jié)駐波管內(nèi)的水溫和靜水壓。駐波管管體一般為垂直放置,位于管體底部的發(fā)射換能器向管中發(fā)射連續(xù)正弦波,被位于駐波管端部的被測對象界面反射,和入射波疊加形成穩(wěn)定的平面波聲場。位于駐波管內(nèi)部軸向的水聽器組采集聲壓信號,然后計算傳遞函數(shù),最后計算得到被測對象的聲壓反射系數(shù)和吸聲系數(shù)。圖1水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管)測量原理框圖2計量特性聲源穩(wěn)定性工作頻率范圍內(nèi),

校準工作期間管中聲源穩(wěn)定性一般優(yōu)于。聲壓反射系數(shù)測量偏差校準頻率:測量頻率范圍內(nèi)含上下限頻率)不少于5個3倍頻程中心頻率;聲壓反射系數(shù)測量值與標稱值的偏差不大于測量不確定度。具體被校測量系統(tǒng)駐波管法的工作頻率范圍、水溫和靜水壓調(diào)節(jié)范圍由用戶給出。注:以上技術(shù)要求不用于合格判定,僅供參考。校準條件環(huán)境條件環(huán)境條件要求如下:)室溫范圍0℃0℃;)相對濕度范圍00;)水溫范圍5℃5℃;)靜水壓范圍:常壓0。測量標準及其他設(shè)備測量標準采用0m厚不銹鋼樣品

,背襯為空氣

加壓時為氮氣

與水界面的聲壓反射系數(shù)理論上近似為,作為校準時的標稱值,標稱值的計算見附錄。水聽器組在工作頻率范圍內(nèi)

,安裝在駐波管內(nèi)的水聽器組接收靈敏度應不低于B參考值1,幅度一致性應優(yōu)于,相位一致性應優(yōu)于。信號發(fā)生器在工作頻率范圍內(nèi)

,最大輸出電壓有效值不應小于1

線性度優(yōu)于±2

頻率示值誤差不應超過1。前置放大器 , , ,。在工作頻率范圍內(nèi) 輸入阻抗不應小于0。誤差不應超過B

動態(tài)范圍不應小于B 增益濾波器 , — 。在工作頻率范圍內(nèi)功率放大器

滿足,

4對1級濾波器的要求, ,在工作頻率范圍內(nèi) 阻抗匹配的條件下 最大輸出功率不應小于0

輸出幅度線性度優(yōu)于,諧波失真度不大于2。/信號采集器/信號采集器的AD分辨率至少為6位

采樣率應不小于駐波管最高工作頻率的30倍;測量系統(tǒng)所含電子儀器、

駐波管和輔助設(shè)備應外觀完整、

無損壞,

溫度計

、壓力表和電子儀器在校準周期內(nèi)檢驗合格。校準項目和校準方法校準項目水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法校準項目見表。表1水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法)校準項目一覽表序號校準項目計量特性的條款號校準方法的條款號1聲源穩(wěn)定性132聲壓反射系數(shù)測量偏差24校準方法校準前準備駐波管內(nèi)應充滿蒸餾水,首次注水或換水后應穩(wěn)定至少,使管壁與水媒質(zhì)充分浸潤,達到溫度平衡;應清除附著在管壁上的和水媒質(zhì)內(nèi)的氣泡;如需要,啟動溫控裝置調(diào)節(jié)管中水溫,記錄管中水媒質(zhì)的溫度如需要,啟動壓控裝置調(diào)節(jié)管中靜水壓,記錄管中水媒質(zhì)靜水壓p;檢查被校測量系統(tǒng)的儀器和設(shè)備工作是否正常。聲場信噪比如圖1所示,選取全部水聽器通道檢測聲場信噪比;檢測的頻率范圍為工作頻率范圍內(nèi)含上下限頻率)不少于5個3倍頻程中心頻率;調(diào)節(jié)信號發(fā)生器和功率放大器輸出到適當值,調(diào)節(jié)前置放大器增益,避免過載;測量系統(tǒng)開機至少5,工作穩(wěn)定后,采集水聽器通道輸出電壓;關(guān)閉聲源,前置放大器和濾波器的狀態(tài)不變,采集水聽器通道輸出電壓n;由公式)計算駐波管的信噪比。聲源穩(wěn)定性

s

)如圖1所示,選取全部水聽器通道測量聲源穩(wěn)定性;檢測的頻率范圍為工作頻率范圍內(nèi)含上下限頻率)不少于5個3倍頻程中心頻率;調(diào)節(jié)信號發(fā)生器和功率放大器輸出到適當值,調(diào)節(jié)前置放大器增益,避免過載;每隔0n采集一次水聽器通道輸出電壓,連續(xù)檢測,計算實驗標準偏差n)與平均值s之比為聲源的穩(wěn)定性,計算公式如下:4聲壓反射系數(shù)測量偏差

pn)

)位于駐波管底部的換能器向管中發(fā)射單頻正弦連續(xù)聲波,間距為l的1號水聽器和2號水聽器接收到駐波聲場的聲壓和用信號采集器記錄相對應的電信號)和,經(jīng)離散傅里葉變換)處理后得到信號復頻譜f)和2f;然后由公式)計算得到它們的傳遞函數(shù)H:(1H(1

)當需要在規(guī)定水溫和水壓下進行校準時,應先后啟動溫控和壓控裝置精確控制管內(nèi)靜水壓和校準溫度點,然后再進行第步;按公式)和公式)計算某校準頻率f的復聲壓反射系數(shù)r和幅值R,即聲壓反射系數(shù);HdddHd

)式中:

R=r )d1號水聽器聲中心到絕對聲學軟邊界的距離;k水中波數(shù);l1號水聽器與2號水聽器之間的距離;r復聲壓反射系數(shù);R聲壓反射系數(shù)。將測量得到的聲壓反射系數(shù)幅值和標稱值進行比較,由公式)計算出測量偏差,完成對水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法的校準。Rs0 )式中:δ聲壓反射系數(shù)測量偏差R聲壓反射系數(shù)測量值;s聲壓反射系數(shù)標稱值。校準結(jié)果的表達校準數(shù)據(jù)處理所有的數(shù)據(jù)應先計算,后修約。所出具的聲壓反射系數(shù)校準數(shù)據(jù)修約至兩位小數(shù)。對駐波管聲源穩(wěn)定性的校準結(jié)果修約到;對聲壓反射系數(shù)測量偏差的校準結(jié)果修約到1。5校準證書經(jīng)校準后,應出具水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法校準證書。校準證書應包括的信息及推薦的校準證書的內(nèi)頁格式參見附錄。校準結(jié)果的不確定度評定水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法)校準結(jié)果的測量不確定度按2的要求評定,測量不確定度評定的示例參見附錄。復校時間間隔水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法的復校時間間隔建議為1年。由于復校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的,因此被校測量系統(tǒng)的單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復校時間間隔。6附錄A校準證書的內(nèi)容校準證書至少應包括以下信息:標題,如校準證書;校準實驗室的名稱和地址;進行校準的地點如果不在實驗室內(nèi)進行校準;證書的唯一性標識如編號,每頁及總頁數(shù)的標識;客戶的名稱和地址;被校對象的描述和明確標識;進行校準的日期;如果與校準結(jié)果的有效性和應用有關(guān)時,應對被校樣品的抽樣程序進行說明;校準所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標識,包括名稱及代號;本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明;環(huán)境條件的描述;校準結(jié)果及其測量不確定度的說明;對校準規(guī)范的偏離的說明;校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務或等效標識;校準結(jié)果僅對被校對象有效的聲明;未經(jīng)校準實驗室書面批準,不得部分復制證書的聲明。推薦的水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法)校準證書的內(nèi)頁格式見表。7表1水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法)校準證書的內(nèi)頁格式校準結(jié)果 共 頁 第 頁一、聲源穩(wěn)定性:z聲源穩(wěn)定性B二、聲壓反射系數(shù)測量偏差序號z參考樣品的聲壓反射系數(shù)標稱值Rs測量值R偏差δ校準條件:室 溫: 相對濕度: 水 溫: 水 壓: a校準依據(jù)4水聲材料聲學性能參數(shù)駐波管法)校準規(guī)范》測量不確定度:使用校準裝置名稱:注:校準頻率按3倍頻程,或根據(jù)客戶指定的頻率。8附錄B聲壓反射系數(shù)測量模型

測量不確定度的評定示例位于駐波管底部的換能器向管中發(fā)射連續(xù)正弦波被位于駐波管端部的不銹鋼參考,位于駐波管底部的換能器向管中發(fā)射連續(xù)正弦波被位于駐波管端部的不銹鋼參考樣品反射,和入射波疊加形成穩(wěn)定的平面波聲場。用位于管內(nèi)部間隔一定距離的水聽器組采集聲壓信號,由公式)計算出傳遞函數(shù),最后根據(jù)公式)計算得到樣品在某一頻率f下的聲壓反射系數(shù)R。H22

)11cfc

2

)HdddHd

)式中:

R=r )c管中水媒質(zhì)的聲速,;f校準頻率,;k水中波數(shù);d1號水聽器聲中心到絕對聲學軟邊界的距離,;l 1號水聽器與2號水聽器之間的距離,;r復聲壓反射系數(shù);R聲壓反射系數(shù);H雙水聽器傳遞函數(shù);11號水聽器通道輸出的電壓幅值;22號水聽器通道輸出的電壓幅值;11號水聽器通道輸出的電壓相位;22號水聽器通道輸出的電壓相位;11號水聽器的靈敏度幅值;22號水聽器的靈敏度幅值;11號水聽器的靈敏度相位;22號水聽器的靈敏度相位。多次重復測量結(jié)果的標準不確定度評定, 、 、選取氣背襯的不銹鋼參考樣品作為反射體

以典型測量頻率點0

5z000z為例,測量聲壓反射系數(shù)的6次測試數(shù)據(jù)及實驗標準偏差結(jié)果見表。9表1聲壓反射系數(shù)6次測量結(jié)果zR1R2R3R4R5R6R6R)099014288545888908000000000000000000000000000測量模型輸入量的標準不確定度評定從公式、)可知,聲壓反射系數(shù)R雖然是間接測量量,但因為測量公式極為復雜,不可能通過計算不確定度傳遞公式來計算聲壓反射系數(shù)的合成標準不確定度。影響其測量不確定度的因素中,水聽器之間、水聽器到樣品的距離取決于機械結(jié)構(gòu)精度,可以忽略,標準不確定度主要來源于雙水聽器傳遞函數(shù)和水中聲速的測量?？上葘﹄p水聽器傳遞函數(shù)的標準不確定度進行B類評定,將雙水聽器傳遞函數(shù)的測量范圍和水中聲速的測量范圍代入公式、,得到聲壓反射系數(shù)的測量值范圍,從而獲取聲壓反射系數(shù)標準不確定度。作為間接測量量的雙水聽器傳遞函數(shù),采用不確定度傳遞公式計算其標準不確定。公式)中各直接測量量都互相獨立,互不相關(guān),其測量不確定度之間不相關(guān),不++uH1+uH1++B

)22

)22

)22

)22+2+

)22()

2(

2()+++B1

H=1=H

)22 2H=-21=-H1 2 2 1?H??H=?H2·1=H11 2 1H=2·1=-H2 1 2 21H10表結(jié)果。

6

為聲壓反射系數(shù)

H=6次測試過程中

1

2和H

6次測試2表21號水聽器通道輸出電壓幅值2zVVVVVVV0754994151530237056466690967459509470939表32號水聽器通道輸出電壓幅值6次測試結(jié)果zVVVVVVV0806316654520703025874250665452102214441表41號水聽器通道輸出電壓相位6次測試結(jié)果zddddddd0138153758781487014340780857722507437835表52號水聽器通道輸出電壓相位6次測試結(jié)果zddddddd05813751591431080596829104914206050311341H=HH=HV 0) H=-H=V 0) zH1H2H3H4H5H6H平均0×6×5×3×2×4×4×65×2×6×7×4×8×4×20×4×5×3×4×2×2×30×6×4×4×7×0×8×10×9×6×0×6×4×2×30z測試選用的水聽器對##接收靈敏度均為為,靈敏度相位一致性好,水聽器間的靈敏度相位相同。H=H=HV 0) H=HV 5) 22222222H=HH=HV 0) H=HV 0) H=-H=V 0) H=-H=V 5) H=-H=V 0) 1 11 11 11 11 1?H=-H=V 0) H?H=-H=V 0) ?HH×d 5) ??HH×d 0) ?2?HH×d 0) ??HH×d 0) ??H=H=×d 0) ??H=H=×d 5) ??H=H=×d 0) ??H=H=×d 0) ?H=H=×d 0) )1H H1=1=B 0) )H=-H=B 5) )1 1H=-H=B 0) )1 1H=-H=B 0) )1 1H=-H=B 0) )1 1H=HB 0) )22H=HB 5) )22H=HB 0) )22H=HB 0) )22H=HB 0) )1?21HH×d 0) )1HH×d 5) 11HH×d 0) 11HH×d 0) 131HH×d 0) 12H=H=×d 0) 22H=H=×d 5) 22H=H=×d 0) 22H=H=×d 0) 2H=H=×d 0) )2雙水聽器傳遞函數(shù)H標準不確定度的分量主要來源于:8信號采集系統(tǒng)的量化誤差引入的測量不確定度。根據(jù)信號采集器接收的最大信號U,數(shù)轉(zhuǎn)換器為,量化誤差均勻分布在最低有效位的。所以,半?yún)^(qū)間U。取=,則信號采集系統(tǒng)量化誤差引入的測量不確定度為:8/0V 0) /0V 5) )/4V 0) )/7V 0) )/8V 0) )/1V 0) )/1V 5) )/2V 0) /0V 0) /2V功率放大器不穩(wěn)定引入的測量不確定度

0) )一般對功率放大器的穩(wěn)定性要求是在h內(nèi)信號幅值波動不超過1。假設(shè)其為均勻分布,取=,所以引入的測量不確定度為:/1V 0) )/4V5) /6V 0) /5V 0) /2V 0) /4V 0) )4c)比為:

/8V 5) /4V 0) /1V 0) /9V 0) )信噪比不足引入的測量不確定度。本系統(tǒng)的信噪比一般不低于5。信噪RB )σ各頻率信噪比引入的測量不確定度為:σ4V 0) )3V 5) )9V 0) )3V 0) )2V 0) )9V 0) )5V 5) )2V 0) )1V 0) )5V聲場均勻性誤差引入的測量不確定度

0) )測試時管中聲場與嚴格意義上的駐波場有差異,測量支架以及樣品和管壁的間隙,水聽器伸入管中都會對聲場造成干擾,一般可假設(shè)聲場均勻性誤差在B范圍內(nèi),最大變化量8,滿足正態(tài)分布,取。由此引入的測量不確定度為: k18kkkkkkkk18181818282828kkkkkkk

2V 0) )1V 5) )3V 0) )0V 0) )4V 0) )0V 0) )1V 5) )7V 0) )5k28 9V 0) )kk28 6V 0) )k信號采集相位誤差引入的測量不確定度。測量系統(tǒng)的采樣率為,假設(shè)其為均勻分布,取=,則信號采集相位誤差引入的測量不確定度為:00dk 3水聽器靈敏度幅值測量引入的測量不確定度。根據(jù)水聽器校準證書,

)接收靈敏度測量不確定度為UB,則由水聽器靈敏度幅值測量引入的測量不確定度為:B )水聽器靈敏度相位測量引入的測量不確定度。根據(jù)水聽器校準證書,接收靈敏度測量不確定度為U°,則由水聽器靈敏度相位測量引入的測量不確定度為:d )雙水聽器傳遞函數(shù)H的測量不確定度來源匯總見表。表7雙水聽器傳遞函數(shù)H測量不確定度來源匯總表序號數(shù)值頻率z05000111/30V0V4V7V8V1231V1V2V0V2V221/31V4V6V5V2V22/34V8V4V1V9V331)4V3V9V3VV32)9V5V2V1VV44118 k2V1V3V0V4V4228k0V1V7V9VV55152)ddddd66162kBBBBB77172)ddddd由B類評定方法計算的各直接測量量值的標準不確定度分別為:6B=5V 0))B=4V 5))B=3V 0))B=5V 0))B=2V 0))B=2V 0))B=1V 5))B=2V 0))B=0V 0)))B=4V 0)5u5

(

)Bd )BB )BB )Bd )( ,

Bd

:)代入公式,

5

可得雙水聽器傳遞函數(shù)H測量不確定度的B類評定BH6 0) BH2 5) )BH3 0) BH1 0) BH3 0) )所以 參考樣品測試時,考慮測量不確定度的B類評定,雙水聽器傳遞函數(shù)H的測量下限為:

Hn6 0) )Hn2 5) )7Hn3 0) )Hn1 0) )Hn3 0) )雙水聽器傳遞函數(shù)H的測量上限為:Hx6 0) )Hx2 5) )Hx3 0) )Hx1 0) )Hx3 0) )把雙水聽器傳遞函數(shù)H的測量值上下限和水中聲速值上下限分別代入公式、,可得聲壓反射系數(shù)的測量不確定度的B類評定。0時,選用##水聽器對d為8l為550、00z測試時,選用##水聽器對d為8l為5。雙水聽器傳遞函數(shù)的測量引入的測量不確定度。水中聲速取0℃時聲速,為6;R

n=r1 0) )Rn=r3 5) )Rn=r4 0) )Rn=r2 0) )Rn=r9 0) )Rx=r0 0) )Rx=r1 5) )Rx=r6 0) )Rx=r2 0) )Rx=r7 0) )RRRn7 0)RRxR1 5))RRRn6 0)