声学测量指导书

声学测量实验指导书陈洪娟哈尔滨工程大学水声工程学院2005.4.16第1部分必做实验实验1 声学测量仪器设备认知实验一、实验目的通过本实验掌握声学常用测量仪器的使用方法，并了解声学测量实验应该满足的条件要求和实验室进行实验时的注意事项。

二、实验内容与要求：1、内容单台演示各测量仪器的功能，并连接成测量系统演示水声信号。

2、要求教师操作并讲解，学生提问并试操作。

实验2 水听器自由场电压灵敏度校准一、实验目的通过本实验掌握水听器灵敏度的比较校准方法，并熟悉有关测量仪器的使用。

二、实验原理与方法1．水听器的灵敏度水听器就是水声接收换能器，它是把水下声信号转换为电信号的换能器。

水听器的灵敏度就是水听器的接收灵敏度，通常是指开路电压灵敏度，可分为自由场灵敏度和声压灵敏度。

（1）自由场[电压]灵敏度M在平面波自由声场中，水听器输出端的开路电压oc e 与在声场中引入水听器前存在于水听器声中心位置处的自由场声压f p 的比值，称为水听器的自由场电压灵敏度。

符号为M ，单位是伏每帕V/Pa ，以数学式表示为：f ocp e M = （1）自由场电压灵敏度是相对于平面行波而言的。

如果水听器是无指向性的，则不论平面波从哪个方向传来，灵敏度都是相等的。

如果水听器是有指向性的，则灵敏度随平面波入射方向而变。

因此，在水听器上必须标明正对平面波的入射方向、频率和输出端。

自由场灵敏度M 与其基准值r M 之比值的以10为底的对数乘以20，称为自由场[电压]灵敏度级，符号为M 、单位是分贝，以数学式表示为：M )/lg(20r M M = （2）自由场灵敏度级的基准值r M 为1V/μPa 。

（2）声压灵敏度水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值称为水听器的声压灵敏度，符号为p M 。

当用分贝表示时，称声压灵敏度级，符号为p M 。

如果水听器的最大线性尺寸远小于水中波长，且水听器的机械阻抗远大于水听器在水中的辐射阻抗，则其声压灵敏度[级]等于自由场电压灵敏度[级]。

2．水听器灵敏度的校准方法对水听器实施校准是水声计量测试工作的主要内容之一。

水听器的校准按使用目的和校准不确定度分为一级校准和二级校准两个级别，也称为绝对校准和相对校准，相对校准有时也称比较校准或替代校准。

在水声计量中，对这两级校准的区分是这样规定的：在一级校准中，可以使用已校准的振荡器、放大器、电压表和阻抗电桥等仪表，但不得使用已校准的换能器，而在二级校准中，可以使用已校准的换能器作为参考标准。

一级校准法中典型的代表是互易校准法，互易法是利用电压互易原理校准换能器的一种绝对方法，最常用的互易法是常规自由场球面波互易法、柱面波互易法、耦合腔互易法等，另外一级校准方法中还有双发射器零值法、振动液柱法、活塞风法和静态法等，这些都是为了解决3KHz 以下的低声和次声频段上的水听器校准而专用的方法，其中双发射器零值法和振动液柱法为低声频段优选使用的校准方法。

一级校准法用于校准标准水听器（也称一级标准水听器），它用作计量标准器具或作精确的声学测量，一级校准法校准精度高，但所用仪器较多、较昂贵，且方法繁琐。

二级校准法的典型代表是比较校准法。

此法所用测量仪表少、测量步骤少、测量程序简单，多用于校准测量水听器（也称二级标准水听器），它用做工作计量器具。

当然比较校准法由于方法简单易操作，产生误差来源少等优点，使得它在水声测量中应用十分广泛，例如，对新研制的换能器的性能鉴定测量，对工厂生产的大量换能器的性能指标的测量等，当此法只采用一个标准水听器进行比较时，其校准精度要低于参考的标准水听器的原精度，但是若采用两个或三个标准水听器进行比较并将测量结果加以平均，则其校准精度和可靠性都会得到提高，并且还能检测测量是否有误等等。

3．水听器自由场[电压]灵敏度的比较校准方法水听器的比较法校准是将一个未知灵敏度的水听器（即待校水听器）和一个已校好的参考水听器（即标准水听器）先后放入声场中同一位置，让它们接受同样的自由场声压，然后比较这两个水听器的开路输出电压，根据自由场电压灵敏度的定义：替换前后两个水听器的等效声中心应重合在声场的同一点上，而其测量条件前后不作任何改变。

这样，在该点处自由场声压f p 前后是相同的，则有：ss x x f M e M e p == （3） 式中x e 和s e 分别表示待校水听器和标准水听器的开路输出电压；x M 和s M 分别表示待校水听器和标准水听器的自由场电压灵敏度。

根据（3）式可推得：s s x x M e e M =（4）即： s x s x e e M M lg 20lg 20lg 20lg 20-+=或用灵敏度（级）表示为：s x s x e e M M lg 20lg 20-+= （5）由（4）式或（5）式可知：只要测得前后放入的标准水听器和待校水听器的开路输出电压s e 与x e ，再结合已知的标准水听器灵敏度s M ，即可求得待校水听器的自由场电压灵敏度x M 。

在实施测量之前，要做好如下一些准备工作和检验工作：（1）本校准方法通常是在开阔水域或消声水池中进行，因为本方法是建立在自由场平面波条件的基础上，所以要建立一处很好的接近于自由场的测量条件。

若在非消声水池中实验，需要使用脉冲声技术，使之在脉冲持续时间内建立一个等效的自由场。

所谓自由场是指一个声源在均匀的、各向同性的、无反射边界的水域中所建立的声场，实际上这种理想的自由场是不存在的，所以在自由场校准中这也是一项不可避免的误差。

（2）在测量时为了建立声场需要一个发射换能器（即声源），其性能不要求很高，仅仅要求它能产生所需频率的声波，且有足够的声源级，当然，还要求它在每个频率点上发射信号是稳定的，且不失真。

（3）在实施测量前应对所用的三个换能器——发射换能器、待校水听器、标准水听器的表面（包括其电缆的下水部分）进行清洗并在换能器的工作面上涂上浸润剂，以保证换能器放入水中后表面不产生气泡并与水介质间有良好的声耦合，另外测量前还应将三个换能器放入水池中适当深度上保持一段时间，使其与周围的水介质温度和静压力达到平衡，这可去除换能器表面和边缘的气泡，且对水听器灵敏度的稳定性有意义。

（4）在实施测量时，水听器必须放置在发射换能器声场的远场区，以获得近似的平面波声场。

其间距离可根据所选用的发射换能器的邻近区判据来决定。

此外，还应事先检验三个换能器的水平和垂直指向性图，以便选定校准方向。

对于指向性水听器，应选其声轴方向作为它的校准方向。

为提高校准精度悬挂换能器时，要注意支架在水下可能产生散射对水听器的影响。

以上准备工作和检验工作完成后，可按下列步骤实施校准：（1）将发射换能器、标准水听器放入平面波自由场恰当的位置上，并固定好。

（2）按图1所示实施线路图连接好仪器。

接通电源，予热五分钟。

（3）调整信号源输出电压为0.5V ，功放放大20dB ，测放放大20~40dB ，滤波器为 1/3倍频程档。

（4）分别调整信号源和滤波器频率值并保持二者一致，然后在各频率点上测量标准水听器的开路电压s e 。

测量水听器的开路输出电压时必须要求所用仪表的输入阻抗比水听器的输出阻抗大200倍以上。

通常选用的电压测量系统的输入阻抗为1兆欧以上。

另外水听器开路电压的测量是在水听器电缆的末端测得的。

如果水听器所带电缆很长（20m 以上）则还应考虑电缆的分布阻抗引起的输出电压的损失。

（5）用待校水听器替换水中的标准水听器，再重复一遍测出其开路输出电压x e ，然后根据两次所测数据和公式（4）或（5）求出待校水听器在各频率点上的灵敏度值。

图1 水听器灵敏度校准实验仪器框图比较校准法尽管方法简单，但仍存在以下四种误差：（1）测不到真正开路条件下的电压x s e e 、。

（2）标准水听器自由场灵敏度s M 值受许多因素影响可能会发生变化，而与原始标准值不同。

（3）缺少真正的自由声场。

（4）缺少足够大的信噪比，在本校准法中要求来自发射换能器的直达波信号与各种干扰噪声之比应在20dB 以上，否则测量误差较大，甚至失效。

三、实验内容与要求：1．内容：根据实验条件给定一只发射换能器、一只标准水听器和一只待校水听器以及相应测量仪器，然后采用比较校准法测得该待校水听器的自由场电压灵敏度（级）。

本实验室所用发射换能器为18.8×7.2×11cm 的方型换能器，而标准水听器为B&K8104型水听器，另外给出一只仿8104型的待测水听器。

2．要求（1）认真做好校准前的准备工作和检验工作。

（2）根据校准水听器和待校水听器的工作频率范围要求分别测出在40KHz 、50KHz 、63KHz 、80KHz 四个频率点上的待校水听器和标准水听器的输出电压s x e e 、（可由示波器读取）。

标准水听器B&K8104在下列频率点上的自由场电压灵敏度（级）分别为： 40KHz~-204.8dB50KHz~-202.6dB63KHz~-203.3dB80KHz~-207.1dB以供分析时用。

（3）根据测得的数值求各频率点上待校水听器自由场电压灵敏度（级），并画出其灵敏度频响曲线。

四、思考题1．总结水听器灵敏度校准的方法有哪些。

2．水听器灵敏度的比较校准法产生误差的原因有哪些。

实验3 水声发射换能器发送电压响应测量一、实验目的掌握水声发射器发送电压响应的测量。

二、实验原理与方法：1．水声换能器的发送响应发送响应是用来表示发射换能器发射性能的物理量。

在水声换能器的研制过程中或对水下声系统进行鉴定时，都需要对换能器的发送响应进行测量。

对于压电换能器，一般测发送电压响应，而对磁致伸缩换能器，测量发送电流响应。

（1）发送电压响应v S发射器在某频率下的发送电压响应v S ，是在指定方向上离其有效声中心参考距离上产生的自由场表观声压f p 与加到换能器输入端的电压V 之比。

单位：帕米每伏Pa ·m/v 。

以数学式表示为：V d p S f v 0=式中：0d 为参考距离1m 。

f p 为表观轴向声压，可表示为0d dp d ，其中d p 为离被测换能器有效声中心d 米处的声压。

因此，发送电压响应也可以说是发射器在某一频率下指定方向上离其有效声中心参考距离d 米处的远场中的声压d p 和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压V 的比值，即：V d p S d v /⋅=发送电压响应级是发送电压响应v S 与其基准值vr S 之比值的以10为底的对数乘以20，单位是分贝dB ，以数学表示式为v S vr v S S /lg 20=其中：基准值vr S 为1μPa ·m/ V 。

（2）发送电流响应I S发送电流响应I S 是发射器在某一频率下指定方向上离其有效声中心参考距离d 米处远场中的声压d p 和该参考距离的乘积与加到输入电端的电流I 的比值。