本标准规定了1Hz～3.15kHz频率范围内校准水听器的方法。本标准规定的方法分为一级校准方法和二级校准方法。 GB/T 4130-2000 声学 水听器低频校准方法 GB/T4130-2000 标准下载解压密码：www.bzxz.net

ICS17.140.01
中华人民共和国国家标准
GB/T4130—2000
水听器低频校准方法
Acoustics--Low frequency calibration methods of hydrophones2000-03-16发布
2000-12-01实施
国家质量技术监督局发布
GB/T4130—2000
引用标准
3耦合腔互易法
压电补偿法
振动液柱法
6密闭腔比较法
附录A(标准的附录）
附录B(提示的附录）
附录C(提示的附录）
附录D(提示的附录）
水听器电压耦合损失的测定
不同温度和不同静水压下几种液体的密度和声速值用标准体积块测量互易常数
耦合腔互易法校准结果不确定度分析12
GB/T4130--2000
本标准根据我国水声计量测试发展的现状对GB4130—1984进行了修订，修订的主要内容有：1）目前我国主要水声单位的振动液柱校准装置中都引入了计算机，在程控测量的同时，可以方便地运用高频修正因子对校准结果修正，校准精度有了明显的提高，所以修订时把原来的二级校准定为一级校准，和IEC565A（1980）《水听器校准》等同。活塞发生器是IEC565A中推荐的低频校准方法，国内主要水声单位也有不同程度的应用，因此在这次修订时把它补充在二级校准方法中。2）在耦合腔互易法中，在这次修订时，本标准用电流采样器代替原来的标准电阻测量电流，提高了低频电流测量的信噪比，把校准频率向低频延伸。并用标准体积块的测量方法来测量耦合腔的体积，提高了校准精度。
3）在压电补偿法中，特征常数的测量，在修订时本标准引入了等效高度的修正项，消除了振动加速度对重力加速度的影响，提高了测量精度。本标准从生效之日起，同时代替GB4130—1984。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。本标准起草单位：中国船舶重工集团公司第715所、中国科学院声学研究所。本标准主要起草人，薛耀泉、衰文俊、朱厚卿。中华人民共和国国家标准
水听器低频校准方法
Acoustics-Lowfrequency calibration methods of hydrophones1范围
本标准规定了1Hz～3.15kHz频率范围内校准水听器的方法。本标准规定的方法分为一级校准方法和二级校准方法。GB/T4130—2000
代替GB/T4130—1984
级校准方法校准不确定度不大于0.5dB，主要用于校准标准水听器。它包括耦合腔互易法、压电补偿法和振动液柱法。
二级校准方法校准不确定度不大于1.0dB，主要用于校准测量水听器。它包括密闭腔比较法和活塞发声器校准方法。
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3耦合腔互易法
3.1原理
耦合腔互易法校准原理与GB/T3223中的水声换能器自由场互易校准原理相同，不同的只是把发射器（F）、互易换能器（H）、［接收水听器（J)放在充满液体的刚性腔内，在均匀的压力场下校准。耦合腔示意图如图1所示。按图2校准步骤作三次测量，分别测出发射器（F)和互易换能器(H)的激励电流IpI'F，IH及互易换能器（H)和水听器（J）输出端的开路电压UH，Un，UHI，当I=I\时，则可以得到水听器的声压灵敏度为：
式中：Mp-水听器的声压灵敏度，V/Pa；rUnUH
U可一一发射器(F)发送时，水听器(J)输出端的开路电压，V，UH一发射器(F)发送时，互易换能器(H)输出端的开路电压，V：Uu一互易换能器（H)发送时，水听器（J)输出端的开路电压，VIH
一互易换能器的激励电流，A；
J耦合腔互易常数，m\/(Pa·s)。当耦合腔的尺寸远小于腔内液体声波波长时，它的互易常数为：J=uC.
@=2元f
式中：f—频率,Hz;
国家质量技术监督局2000-03-16批准·（1)
（2）
2000-12-01实施
GB/T4130—2000
C.耦合腔内液体及其边界的声顺，m\/Pa。当耦合腔的壁和换能器都是刚性的，腔内无释放压力的材料及气泡时，此声顺就是腔内液体的声V
式中，V-腔内液体的体积，m；
一液体中的声速，m/s
—液体的密度，kg/m。
因此，耦合腔互易常数可以用式(4)计算：ov
每屏蔽网
图1耦合腔示意图
3.2耦合腔的设计要求
图2校准步骤图
耦合腔要求具有刚性的边界。为此腔壁厚度至少应大于腔的内半径，此时腔内声速接近自由场声速。
为满足腔内声场基本上均匀的要求，腔内最大尺度应小于腔内液体中声波波长的十分之一，且腔内应无释压材料，则腔内声压的不均匀性将不大于0.3dB。耦合腔内使用的发射器（F）和水听器（J）都必须是线性的，互易换能器（H）必须是线性、无源、可逆的。这三个换能器都必须满足声刚性的要求。3.3测量
3.3.1电压测量
典型的耦合腔互易校准装置原理框图如图3所示。分别把互易换能器、水听器和激励电流采样器的输出端接入电子开关。Um，Un，UH通过同一前置放大器和测量放大器放大，由允许极限误差不大于0.5%的数字电压表分别测出。前置放大器的输入电阻抗的值应大于水听器等效电阻抗值的100倍，则由此产生的电压耦合损失将不大于1%。如不满足此要求，应使用插入电压法修正（见附录A）。2
3.3.2电流测量
频率合成器
功率放大器
流采样
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前置放大器
电子开关
测量放大器
数字电压表
示波器
计算机
图3耦合腔互易校准原理框图
互易换能器的激励电流I可以用串联在互易换能器电路中的电流采样器测出电流采样器电阻抗的值必须小于换能器电阻抗值的百分之一，它的允许极限误差不大于0.3%：电流采样器输出电压的测量同3.3.1条。
注：若用衰减器测量发射器和水听器等之间转移阻抗的办法来获得水听器的声压灵敏度时，可参考GB/T3223。3.3.3互易常数测定
耦合腔互易常数可以通过测出腔内液体的体积、声速和密度，根据式（4)算出。也可应用标准体积块测量互易常数的办法来测定(见附录C)。密度β和声速c是温度和压力的函数（见附录B），测量密度的允许极限误差应不大于0.5%，测量声速允许极限误差不大于1.5%。体积V的测量应使用粘附力小的液体，如无水乙醇，测量时应避免气泡进入液体，测量体积的允许极限误差不大于0.5%。
频率「的测量应使用允许极限误差不大于0.1%的数字式频率计。若按以上要求进行测量，则互易常数的允许极限误差将不大于3.1%。3.3.4测量要求
a）校准前必须对腔内液体进行除气处理。也可以在不大于0.5MPa的压力下进行校准，以消除腔内残余空气对测量的影响。
b）校准时所用信号的频率应包含1/3倍频程序列所规定的频率。校准期间，信号频率的变化不大于0.1%。
c）在校准前应对发射器、互易换能器和水听器进行线性检验，其偏差应不大于0.5%。对互易换能器还需进行互易性检验，其偏差应不大于0.5%。检验方法可参阅GB/T3223中的有关条款。d）校准中，应保证信噪比大于30dB，同时加于发射器和互易换能器的激励功率应尽可能地小，以免发射器和互易换能器发热引起腔内液体温度和压力的变化而引进误差。e）为避免发射器、互易换能器和水听器之间的电串漏，在它们之间应考虑电屏蔽。3.4频率限制与校准不确定度
3.4.1频率限制
耦合腔最大尺寸不大于十分之一波长的规定，给出了耦合腔校准的高频限制，当系统为顺性控制时，水听器输出端的开路电压与发射器或互易换能器的输入电压的比值为常数，通过测量此比值，可确定实际能校准的频率上限。
理论上不存在低频限制，但实际上，由于耦合腔中的发射器在低频时发射声级很低，不能使校准满3
GB/T4130-2000
足信噪比大于30dB的要求，由此确定低频极限。3.4.2校准不确定度
本方法若按3.3条要求进行测量，则B类不确定度将不大于2.1%，若在测量中将A类不确定度控制在1.5%以内，则在3.15kHz的频率范围以内，扩展不确定度（K=2)将不大于5.2%或0.5dB(校准不确定度分析见附录D)。
4压电补偿法
4.1原理
压电补偿法的校准原理如图4所示。它是一个以补偿换能器为主体的密闭腔，底部安装源换能器，待校水听器放置于补偿换能器的中心附近。补偿换能器由一个压电陶瓷圆管构成，其内壁作为密闭腔的壁，外圆管为位移传感器，通过内外两管间填充的弹性耦合物质与补偿换能器声耦合，以检测其位移。校准时驱动源换能器使腔内产生一声压，然后调节补偿换能器的驱动电压U。的幅值和相位，（此两换能器的驱动电压由同一信号发生器供给）使位移传感器的输出电压U。为零，即此时补偿换能器的振动位移为零，达到补偿状态，于是腔内的声压为：dE
式中：K—补偿换能器的特征常数，Pa/V一圆管材料的压电常数，m/V，
E圆管材料的弹性模量，Pa；
-补偿换能器的平均半径，m；
U。补偿电压，V。
电子开关
弹性填料
补套换能器
源换能器
水听器的声压灵敏度为：免费标准bzxz.net
前置放大器
滤波器
待校水昕器
位移传感器
图4压电补偿法校准装置原理
式中：U一水听器输出端的开路电压，V。若用声压灵敏度[级]表示，则式(6)变为：4
锁相放大器
频率合成器
功率放大器
计算机及外设
（5）
（6）
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M = 20lg(U.)
20lg(K)
式中：Mj—声压灵敏度[级](参考值：0dB=1V/uPa)。注：若压电补偿法校准用手工操作，图4中的电子开关可用手控开关代替，计算机及外设等可以不用。4.2压电补偿法校准装置的设计要求（7）
补偿换能器的两端用金属法兰夹住，使构成一密闭腔。为减少由横向压电效应引起补偿换能器纵向形变对位移传感器的影响，法兰与补偿换能器间的密封应使用顺性材料，内圆管和外圆管之间的环形间隙中填充弹性物质。内圆管作补偿换能器用，外圆管作位移传感器用。源换能器安装在底部法兰上，它能在腔内产生足够高的声压级，使测量时信噪比大于30dB。水听器安装在上端法兰上，并应使其声中心与补偿换能器的几何中心基本重合。为满足腔内声压基本上均勾的要求，腔体内的最大尺寸应小于腔内波体中声波波长的十分之一，腔内应无释压材料，则腔内声压的不均匀性将不大于0.3dB。在腔体的设计中还应考虑腔壁（内压电陶瓷圆管和上下法兰）的厚度，避免产生弯曲振动。4.3测量
4.3.1零位移指示和电压测量
典型的压电补偿法校准装置原理框图如图4所示。用一幅度、相位独立可调的双通道频率合成器作为激励源换能器和补偿换能器的信号源。具有高抗干扰性的选频电压测量仪（例如低频锁相放大器）既指示Ua，又读取U，和U。。通过一多通道电子开关进行状态选择，电压测量仪的允许极限误差应不大于0.1dB。前置放大器的输入阻抗应大于水听器电阻抗的一百倍，则由此产生的电压耦合损失将不大于0.1dB。如果不满足此要求，可以用插入电压法测量（见附录A）。测量中应保持信噪比大于30dB。4.3.2特征常数的测量
测量补偿换能器特征常数的方法是按照流体静力学的帕斯卡原理而建立的。由于静压力下换能器输出端的电位差难以测准，特征常数的测量通常是在比测量用“补偿腔一连通管一开口容器”系统共振频率至少低20倍的甚低频下进行的（例如1Hz以下）。测量原理图如图5所示。开口容器通过连通管与补偿腔相通，容器中的液体在垂直方向作低频正弦振动（低于1Hz），使在补偿腔内产生交变静水压。同时，在同一频率上调节补偿换能器的激励电压和相位，使达到补偿状态。则由式（8）计算补偿换能器的特征常数K。
式中：p-液体的密度，kg/m
g——重力加速度，m/s*，
h-—液体振动幅度，m；
f——液体振动的频率,Hz;
H.液面等效高度，m：
（8）
U一补偿状态时，补偿发射器驱动电压的峰值，V。液面等效高度H。由式(9)求得：S-AH
式中△H是使补偿腔中交变静压力等于零时的液面高度与实际测量时液面高度之差值。（9）
前置放大器
锁相放大器
电压表
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相、幅控制器
频率合成器
图5特征常数测量原理图
振动机构
零静压液位线
液体振动幅度测量的允许极限误差不大于0.2%，补偿电压应使用允许极差不大于0.5%的数字电压表测量。液体密度的允许极限误差不大于0.5%。若按上述要求测量，则特征常数的不确定度将不大于2.3%或0.2dB。
4.3.3测量要求
容器内的液体应经除气处理，并保证容器壁不附着气泡。4.4频率限制与校准不确定度
4.4.1频率限制
腔体内的最大尺寸不大于十分之一波长的规定，给出了该校准装置的高频限制。但若水听器是轴对称的，并在安装水听器时，使水听器的声中心和补偿换能器的几何中心基本重合。则腔内声压的不均匀性对校准结果的影响可以减到最小，于是校准的频率上限可向上扩展。在最高校准频率时腔体内的最大尺寸应不大于三分之一波长。
低频限制是由于补偿检测系统中在低频时信噪比降低和补偿状态指示系统中难以达到平衡，使测量造成困难所致，此频率下限一般为1Hz左右。4.4.2校准不确定度
本方法若按4.3条要求进行测量，扩展不确定度将不大于0.5dB（K=2）。5振动液柱法
5.1原理
振动液柱法校准装置原理框图如图6所示，它是一个内径小于波长的顶端开口的刚性圆简状容器，内盛有一定高度的液体，整个容器由作正弦振动的振动台驱动，水听器固定在一支架上，并垂直地悬挂于容器中液柱的中心轴线上。水听器的声压灵敏度可根据水听器所在液柱深度处的压强变化和测得水听器输出端的开路电压的比求出。6
加速度计
振动台
功率放大器
频率合成器
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水听器
电荷放大器
电子开关
数字电压表
前置放大器
测量放大器
滤波器
计算机及外设
图6振动液柱法校准装置原理框图假设整个液柱相对于它的平衡位置作整体地垂直振动，则液面下深度为h处，由压强变化产生的声压p为：
p=prlg -hw2]
式中：p
液体密度，kg/m；
一容器底部的振动位移，m；
重力加速度，m/s，
f液体振动的频率,Hz
当频率高到使h》g时，则式（10)成为：p=phrwpzh
式中：立一
一容器底部的振动加速度，m/s?，若容器底部的振动加速度用加速度计来测量，则由式(11)可得水听器的声压灵敏度为：M
在高频时，液柱中的声压为：
则式(12)应为：
式中：Mr-
-水听器的声压灵敏度，V/Pa;
Uf一水听器输出端的开路电压，V；p—液体的密度，kg/m；
h-——水听器声中心至液面的深度，m；M.—加速度计的灵敏度，V.s/m；U加速度计输出端的开路电压，V；sinkh
khcoskL
hcoskL
（10）
（11）
（12)
（13）
（14）
——波数（-0/c，w=2元f）)，m-f二液体振动的频率，Hz
c-液柱中的声速，m/s;
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L——液柱的高度，m。
注：若振动液柱法校准用手工操作，图6中的电子开关可用手控开关代替，计算机及外设等可以不用。5.2振动液柱容器的设计要求
液柱容器的底和壁应是刚性的，要求容器的最低共振频率高于液柱的最低共振频率，校准频率低于液柱的最低共振频率。
容器设计时应考虑使液柱中同一深度处的声压相同，故液柱的高度应大于它的直径。为防止液体动力流通过水听器时产生影响，液柱的直径应比水听器的直径大得多。设计中还应考虑到水听器的悬挂问题，以避免振动源对水听器的影响。5.3测量
5.3.1灵敏度测量
测量时校准容器中的液柱高度L小于校准频率所对应波长的四分之一，水听器声中心的入水深度h通常在液柱高度的二分之一到三分之二之间。电子开关选择来自前置放大器的水听器信号U，和来自电荷放大器的加速度信号U.，同时测出相应的已知常数，按式（12)或式（14)算出灵敏度值。一般情况下，水听器声中心的位置是已知的。如果不知道，则可用以下方法消除水听器声中心位置对测量的影响，即先在水听器上设一参考点，在保持振动台驱动加速度不变的情况下，测量在液柱中二个不同深度hl和h2处水听器输出端的开路电压的差值△U，和深度差h的比值，根据式（14)可得水听器的声压灵敏度：
·15）
测量电压U.,U.电压表允许极限误差不大于1%，前置放大器和电荷放大器的输入阻抗分别应大于水听器和加速度计的电阻抗的100倍，则由此产生的电压耦合损失将不大于1%，测量中应保持信噪比大于20dB，测量深度的允许极差不大于1%。加速度计的允许极限误差不大于0.3dB。液体密度测量的允许极限误差不大于0.5%。5.3.2测量要求
a）校准容器安装在振动台台面上，用水平尺校准，保证容器安装水平，容器中的液体应经除气处理，并保证容器壁不附着气泡。b）加速度计应刚性地固定于容器底部，振动台的横向振动与纵向振动之比不得大于3%。c）水听器垂直悬挂于容器中液柱的中心轴线上，水听器声中心的入水深度不宜太浅，以满足信噪比大于20dB。但也不宜靠近容器底部，水听器声中心的入水深度通常在液柱长度的二分之一到三分之三之间。
5.4频率限制与校准不确定度
5.4.1频率限制
液柱高度应不大于四分之一波长的规定，给出了此校准方法的高频限制。为了忽略静态落差，要满足ha*》g，此条件构成了低频限制，如当h=10cm时，为了使忽略落差压强引进的误差不大于3%，则校准频率应高于10Hz。5.4.2校准不确定度
本方法若按4.3条的要求进行测量，则B类不确定度将不大于3.6%（K=2)，若在测量中将A类不确定度控制在2.0%以内，则在10Hz～1kHz的频率范围内，扩展不确定度将不大于0.5dB(K=2)。
6密闭腔比较法
6.1原理
6.1.1同时比较法
GB/T41302000
在一个充满液体的刚性密闭腔内，由发射器在腔内建立一声场，如图7所示。将待校水听器和标准水听器同时放入腔内声压相同的区域中，测出水听器输出端的开路电压，则待校水听器的声压灵敏度为：
中：Mx
一待校水听器的声压灵敏度，V/Pa标准水听器的声压灵敏度，V/Pa：Ux
-待校水听器输出端的开路电压，V；Us
一标准水听器输出端的开路电压，V。Ux
待校水听器
发射器
同时比较法示意图
6.1.2置换比较法
标准水听器
（16)
在一个充满液体的刚性密闭腔内，由发射器在腔内建立一声场，如图8所示。先将待校水听器放入腔内，测出待校水听器输出端的开路电压Ux，然后将标准水听器置换待校水听器，在密闭腔内声压不变的条件下，测出标准水听器输出端的开路电压，则得待校水听器的声压灵敏度，其计算公式同式（16）。UxUs
发射器
6.1.3活塞发声器法
图8置换比较法示意图
待校水听器
标准水听器
在一个充满液体的刚性密闭腔内，由一个空气活塞产生交变压力，在次声频范围内使液腔中建立均匀的交变压力场，如图9所示。将待校水听器和标准水听器向时密封在腔内的液体中，在活塞运动时分别测出待校水听器的开路电压Ux和标准水听器的开路电压Us，代入式(16)可以得到待校水听器的声压灵敏度。
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