【国家标准(GB)】 声学 水声发射器的大功率特性和测量

UDC 681.8 + 29. 12. 05 +621. 317U 67
中华人民共和国国家标准
GB 7967 --- 87
水声发射器的大功率特性和测量Acoustics-High-power characteristics andmeasurements of underwater soundprojectors
1987-06-22发布
国家标准局
1988-04-01实施
中华人民共和国国家标准
水声发射器的大功率特性和测量AcousticsHigh-power characieristics andmeasurements er underweter soundprojectors
UDC 681. B : 629. 12
.05 : 621. 317
CB 7967-..87
1.1本标准规定表征水产发时器在实际工作状态下大功率发送性能的基本电声参数及其测量方法。1.2本标准适用于压电型、磁致伸结型等水声发射器，也可用于由这类发射器所构成的水声发射释阵。本标准中的测最方法除适均于在大功率下评价水声发射器外，也可用于测量或试验受一定电功率激励的水卢发射器。
1.3处于大功率邀励下的水声发射呵能产生非线性效应。在非线性状态下，水声发射器的电阻抗、发送响应，效率等电声参数已失去了标准含义。为了实际使用的方便，本标准中引伸使用线性状态下的定义，但所定义的参数只对应于基波停号赖率及指定的电澈励级(电功率、电压或电流)。1.4本标准中所用的名词术语、量和单位的名称、符号等除专门定义外均接国家标准GB3947--83《声学名词术语》、GB3102,7—86《声学的量和单、GB3238—82声学量的级及其基准值》及GB3223--82水声换能器白由场校准方法》等的有关规定、1.5坐标系和教据表示法按照GB7965—87声学水声换能器测量》的规定，2基本电声参数表
参数名称
发射器函抗
发射器导纳
疫送电压响应
发送电压响应级
发送电流响应
发送电确响应级
发送身前应
发送功率制应级
国家标准局1987-06-22批准
Pa·m/v
dH(UdBluPa-m/V)
dRtOUBA I,Pa m/A)
Pa'-m'/w
iB(OdB≤JμPa\n/W）
测量左法
()电压比-相位法
电压法
比较法按照 GD 3223——B2
中的4.3条规定实行
联08228-82
中的 4. 2 条规定实行
①电动率-声民法
学发送峰应·阻抗法
1988-04-01实施
参名称
输入电功率
输人电功率级
指向性图案
指向性因数
指向性指数
声功率
声功率级
电声效率
最大响应额率
响应带宽
过载声压缀
功率容量
3定义
3.1发射器限抗
GB 796787
BdBp）
(OdB≥μPm)
①阻抗法
测量方法
②柜位补偿法
按照 GB 7965— 87 中的
第10,11章规定实行
由自由场轴间声压计算
直接张
②山发送响应计算
由发送响应的频率特性
曲线中求出
通过非战性试验确定
通过非线性或其他物理
性脂试险确定
一般指发射器的电阻抗，是发射器输入端所加信号的基波瞬时电压与相应的基波瞬时电流i的复数比，按式(1)表示：
Zt-+- Rrs + iXrs
式中：2F +-\-发射器阻抗,21
RrsXts
发射器用等效电联电路描述时的电医与电抗，。发射器阻抗也可用式(2)表示：
或中：[z-
一发射器阻抗的模,2,
发射器阻抗的幅角，(\)。
式(1)和式(2)之间有如下关系：r = [21ejee
R |Z[cosz
Xrg -|zr|singr
*+ 2 )
注，①在本标雅中，当不加说明时电压与电流均为有获值，用大写英文字母表示。对于电压与电流的解时值则用瞬时电压、腾时电潼说明，将号用小写英文字母表示。②在本标准中，当出现每线性时，电压、电流和声压都是对应于基波信导的值，③发射器阻抗与其所姓声场及其环境（静压，润度等）和电负嗽（连摘电缆的长度）等条件有关，故在给出发射碧随抗时应同时指期这些策件.
3.2发射器导纳
发射帮阻抗的倒数.川式(5)表示：式中：Fr
发器导纳,S；
GB 7967-87
-+ $Brr
为发射器用等效并联电路摘述时的电导电纳.s。tP-TuRTu.
发射器导纳也可用式(6)表示：
It -IF-leirr
戏t：1Yl-发射器导纳的模，：
一-发射器导纳的幅，()
式（5)与（6)之闻有如下次余：Gp ytcosp
Bp = iValsinyip
发射器电导及电纳与电阻及电抗的关系用式（9)、式（10).表示：GTn - Rrs?(+s+ Xts)
证：同3.1条的注，
3.3输入电功率
H=-X/(Hs+s)
发射器出功率源吸收的有功功率。其表示式为：W,=tcusy
输人电功率：W
\—加于发射器上的激励电压,VI—-统入发射器的电流,人,
一电压与电流间的和位差，（\)）。+.同3. 1 条注心
3.4发送功率断应
发射器的发送功率响应5，是在指定方间上，离其行效声中心某一距离处选场中的均方声乐和该距离的次方的乘积与输入电功率W。之比慎，单位为：Pa\·m\/w用或(12)表示，
Sw pi.a/w.
3.5发送功率响应[级］
(12）
发送功率响应L级］Sw是发送功率响应写其基准值5之比的常用对数乘以10，单位为：dB。常用基推值为：LμPam'/W。
用式(13)丧示：
Sg-101g(8w/8m)
3.6最大晰应频率及响应带宽
（133
最大响应频率是指在恒压（对于压电型发射器）或位流（对于磁致伸缩型发射器）发送响应曲线中对应于最大响应的频率，
响应带宽A于是指在恒压或恒流发送响应曲线中，对应下比最人响应低&dB的上下两个频率与我之差，用式(14)表示：
Af -- f:--h
GB 7967--87
3.7声源声压级
离发射器有效声中心1m距离处的轴向表观声压级。单优为d，带用基准值为：luPa-m注：离市中心1m处前表规点示级，由下列方法得出，用场已是球面发教的远场中某点所测得约声正数L，，加以该点到克心心的距离4以10为底的对数乘以20，则声源声质级可用下式汁算：fa.-L,+ 201gd
3.8过载声压级
发射器的声源声玉级寸电激游级（电压级、电流级或电功率级）之间的关系偏离线性关系不大于某·规定值时新进产生的爱大声源卢医级。注：许用的电激功级利\规定快”心现我体说！3. 9 动率容革
发射器的声源节正级与电功率级之间的关系循离线性关系或其他物理性能的变化个大」来一一规造偏时容许的最大输入电功率。
注。成发射器均率案致的杀件与”缺定值”必法时其体说证。4测量案件
4.1信号参数及环境条作
测量时所用的激勋电压（此流或电功率）、脉冲宽度与脉冲周期等信号餐数，以及工作深度、水质水温等环境杀件必须与被训发射器的实际汇作状态或预违的试验状态相致。不能尤依据地把发射器在小功率级下的测量结果外推并表示人功率下的特性。在一般情况下，不能用脉冲信少状态下的洲量纠果代替连续借号状态下的特性，或反之在给出测基结果的同时，必须说利可能会影响测量结果的信号离数与环境条件。在：测融深水工年法发射器附，通膏可用高静求水消声水池战高压逐点荐器模拟深求年系件。,2肖场条件
本标中的所有测量必须在自出场条件下进行，要求实际声场与理想的自南场间的偏离不大于士 I, u.
关于南扬检验、有效造中心的确定及测至距离的选择分别按GB3223-82中3.3.2款、3.3.3款及 GB 7965一87附录 B中的规定实行。4.3测睡前发射器的推备
发射器在测量前的脊洗、浸泡及正确吊放安装等准备工作均按GB3223一82中的3.3.1款的规定实行。
4.4基本测量设备
4.4.1动率源
在进行本际准所规定的各项垃工作中，都必须使用具有相当功率容的功率源。可以是专用的发射机，也司以是通用的功率放人器，但其题率范困，输出靠号型式、动态范围.输出阳抗、最大输出功率及摊出信号琦变系数等都应满足测试要求。4.4.2电正表
测整中使用的电出表其频率与动态落围必须满是测卧要求。在本准中如不加说明·则所有电压表的测量不确定度都应不大于十2%。4.4.3滤波器
在大功率激动状态下，儿其是在非线性范鼠内工作时，信号波形将发生畸变。为【正确测量对应十基波信号的参效，在电医、电流及声压的量系统中必须便门能精确选择基波信号的滤波器。共带宽皮选择性应使通过的总谐波借号至少比转波信号抵10dB。但测金脉冲信号时，滤波器带宽应不少于脉冲宽度阎数的二倍。
4.4.4水听器
GB 7967—87
测量用的水听器应是符合GB4128—84&标水听器\要求的标准水听器，其校的不确定度应不大于土0.741。使用时应保证在线性范围内工作。4.5其他条件
4.5.1需注意整个测录系统的正确接地与屏敲，以确保同额率干优电压与电源频率及其谐被下扰电压至少比被测信号电压低30lD
4.5.2当测量带有编磁电流的磁致伸缩发射器时，在测量回路中应正确接人隔直流电容器及拖流圈
5电压、电流取样方法
为了能在大功率激励下用通常的测垦仪器，并安全正确地测量激励发射器的电压和电流的幅值与两者间的相位差，必须首先用下述方法对电压及电流取样。5.7电压取样方法
可供选择的电压取样方法有两种：息，分压器法：将取样用的分压器与发射器的输入端相并联，如图1所示。分乐器输出电压即为取梯电压，
图【分压器法电压取样示意图
式中：*
敢样麟时电压.V：
徽励发射器的瞬时电压，V；
K——分压器的分压比。
（15)
要求分压器的输入阻抗至少比发射器阻抗高100倍，输出阻抗至少比测量系统的输入阻抗低100倍。K值的不确定度应不大于十2次，分压器的相位失真应不大于士」，.电流变换器法：如图2所示，在发射器的输入端并联·个高值标准电阻。用电流变换器对瞬时电流取样，则其取样瞬时电压为
式中：本—-电流变换器的灵敏度，V/AR高值电阻值,2;
一激励发射器的瞬时电压，V。
GB 7967.-87
证免预战
图2电流变换器法电压嵌祥示意图娶求至少比发射器翻抗人的倍。的不度应不人于土，的不确定度应不大七1.6%.电流变换器的相位真应不大了十\。5.2电流取样方法
可供选择的电流取样方法有两种：a，电流变换器法：述助率源输出端的高端或抵端任何处接人一个电流变换器，如图另所示。电流变换器的输出电压即电流取样瞬时电压为：e:ai
一流人发射路的辟时电流,A;
一电流变换能的灵敏度，YA
图3电汽变换器电流取举示意图
要求电随变换强灵敏度的不确定度不大于！,5杀，,其相位失真应本大士1°邢此取样方法不受发射器及斯率源接地状态的限制17
b、电阻取许法：将取持据的标准小电阻中接在发射器的低端：连接方式现功率源与发射露的接地忧态辅定。
G7967 -- 87
隔商器
图4精密小电限决电流取样示意围当发谢器不接地，功率源接地时，应驱图（）所断示哪样连接，标雅小电驻此上的电还降为电流最祥瞬时电压：下载标准就来标准下载网
- Rin
标准电阻，
当发射器接地，而功率源不接地时，应如图1（h)质示那祥连接，期电流取样瞬时电照：2*
当发射器与功率源都必带接地时。如率4（心！所示那样，在发射器与动率源之间应都入-个随离变压器，的与间的关系式过（19)武要求电流取伴用的标准小电隆为无感电阳，其随值尽可能小，通常不大于发射器筐抗的：7100，电班的不确定度不大于上?为，还应有足轮高的功举容站，内于发热而引起的阻值变化应不超过二2实6 发射器阻抗与导纳的测蛋
发射器阻抗与导结的常用表示式为3.条的（1)、（2)式与3.2条的（5)式，洲量绪果的数据表示37065--87中的91.2款的规定，本标准推荐的测望方法为电压比-样位法和二电法6.1电压比-相位法
6.1.1原理
根据定义，发射器阻抗Z为
当界获样电玉代赫式中的导后，得Z
式中：v-
GB 196787
一发射器激励电正的取样电压,V,—发射器敬励电流的取样电压，veg
—相对于:的相位差，即发射器阻抗的幅角，()一电压取样系数，根据取样方法的不同，它分别为n/Hv或k（见5.1条）；一电流取样系数，根据取样方法的不同，它分别为或R（见5.2条）发射器阻抗的模，2。
根据发射器导纳的定义,样有:
的相对下的相位差，即发射器导纳的幅角，()；-(22 )
-（23）
发射导纳的模,。
因此，只需测得电压比/（或t/）与相位差z（或），就可得到发射器阻抗（或导纳）。可供选择的具体测量技术有三种：直接比较技术、间接比较技术及传递函数分析仪技术。6.1.2直接比较技术
报伤器
脉件调制器
减法择
示鼓据
功深政人店
核减器
创量大器和能流器
电业电洲联样网券
图5直接比较技术测量方框图
测量方图见图5。通过开关把a端与b端的俯号电压交替地馈入测量放大器。调节衰减器，使示波器上显示的电压信号与电流信号波形幅度相等，读取此时衰减器的指示值（dB），则得电压比： 0
++++（25）)
-10号
08 7967--87
将此潮些结果代入（22）（24）式，就可得到发射器抗或导纳的模。再将测试放人器的输入端接到减法器的输入谢心友复调节移样器与衰减器，直充在示波器上观察到信的脉冲稳态部分宽全消失为，此时移格器的减数，需发射器阻抗或导维的躺角甲或要求测射系统对a端与b端处电匹婦度相等的分辨率优于士0.24R，对相减状态的相位分弊率优了FP，衰碱器泌数两不确定度不人于一0.20，相位失真不大护1，移相器读数的不确定度不大于+2°.
6.1.3间接比较技术
界效大器
包：空资改择码
图6间接比较技术测缺方尴终
测量方框图见6。用最荡器输出的期率连续止练借号通过电压竭节器及移相媒后作为参考售号，与电形取样信号与时输入到减法器，间电乐调节器与移相器反复调节参考作号的幅度与相密，真量在示波器上观察到脉冲稳态部分的设形消失为止（此对，参考信号电乐与取弹电思媒度格等、相位相向）。用电医表读取此时的靠考信号电压邮为：生相位计谈取此时移相器的移柑度数q。發后，用同样方法比较参考信号与电流详信号，测长得：及，则得发时器握抗或导纳的橱角：+( 27 )
把测量得的、5.代入(22)式或（21)式.得发射器翘扰或导纳的模。要求个测适系统对相减状态的惯度分期率优于土0.1aB，相堂分群率优下11°，相位计读数的不确度不大于三1°
6.1.4传递渐数分析假技术
测量方图图7。电流取举信号与出压取样信同时馈入传递菌数分析仪的两个输入睡道。克传递函数分析仪读报电压比%/：（或/）及其相位差甲《或甲）然脂代入（221式或（24)式即得发射器阻抗或导纳的撰和幅角。
GB796787
免或款步所
图了传递函敬分款技术测录方！.电流取样网坏
有时可由传递函数分析仅点接读得复数电压比/或4/）的实效剂分与虚数部分。它们用取样系数比 Cv/Ct修正后,即得发射器电阻和电抗或电导和也缩，对了能正确测量对应于基波信号的阻抗，要求传递函数分析仪其有对两路输入信号进行同相想波豹能力（例如应用FFT技求，双通道熟率跟随技术等）。牙外，要求传递函数分析议的电压比测基不确定度不大于±2%，相位差测最不确淀度不大于十2″。江：尚持进函数分析仅行正比丁测域结果的没摄也示糖山时可研扫凝娠游器及-记录仪动记录组抗或纳的额率吸应曲綫，或阻抗(导纳)函围，\应别数字传境所数分诉议时，可在计算机控制下实现阻披或导纳的程羟测盐。6.1.5測量不确定度
在满足测量条件及各项要求的情况下，用本方法中的三种测录技术测长发射器导纳或阻抗模的不确定度人于三5个，幅角的不确定度不大于±3°6.2元电压法
6.2.1原理
见GB7965-87中的9.2.1款。
6.2.2测量方法
量方框图见图8。为了提高测量的准确度，R:的值应尽可能地接近于发射器阻抗，并用同个测载系统量三个电压。在大功率状态下，此三个电压都可能很人，所以弱通过分压器读数，把测得的数据代人下式计算得发射器阻抗|z|及幅角P：[]-
式中·a
功率放大器输出端的电压，V;
发射器两端的电压，V；
-电阻R两端的电压,Y。
（28)
（29）
频本计
示鼓器
电1表
GB 7967--87
证设器
图 8三电乐法测量方拖图
若测量系统的接地状态影响电压的正确测量，购在测量时需迈过一个开关使发射器与串联电阻交替地处」接地状念。但当发射器与功率放大端都必须接地时，应在功率放人器输出端加一个隔离变压器
要求 R;值的不定度不大于±2%。注：@中联电阻有可能会与发射器消耗同样量级的功率，因此该电既应有相成的功率容量。动山于试验中消耗的总功率要高下发射器的吸收功率，所以功率放大器的功率穿量须树应地增大，6. 2. 3测量不确定度
在满足测量条件及1：述各项要求的情况下，用本方法测量水声发射器批抗或导纳模的不确定度不大下一5为。帽角测的不确定度随相位差的增大而减小。当V=限及幅角大45时，则不确定度不大于！7°，但是，幅角余孩值的不确定度随幅角减小而增加，当“\，=，并幅角小于45*时，其余弦值的测盘不确定接不大于+12%。7指向性图案,指向性因数与指向性指数的测定工作在线性状态下的发射器指向性图案通常不随激励功率而变化，位当激励功率大到定程度时。指向性图案可能要发生变化。因此，必须在实际功率与信号状态下测量基波信导七的指向性图案。关于指向性图案的测方法，按GB7965—87第10章的规定实行。指向性因数与指向性指数出实测的指向性图案计势。计算方法按B7965一87中11.1条的规定实行。如在大功率状态下测得的指向性图案仍具右对称性，则也按GB7965一87的1.2条的方法进行计算。
8发送电压响应与发送电流响应的测量在实际工作状态下溯量发送电床响应与发送电流响应时，其测量方法仍按GB3223--82中的4.3与4.2条的规定，但须按本标雅中的第5章先进行电压或电疏取样。9发送功率响应的测量
9.1电功率-声压法
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