淺論煙花爆竹檢測中電子秒表和聲級計的不確定度分析

張 樂

(萍鄉(xiāng)市焰花鞭炮科學研究所助理工程師)

煙花爆竹已有1300余年歷史。燃放煙花爆竹不僅僅是一種風俗，更成為了一種文化，這種文化一直延續(xù)至今，并隨著中世紀中西方文化的交流一起走出了國門、傳遍了全世界。煙花爆竹產品質量的好壞直接關系到消費者的生命財產安全。其中產品的引燃時間、效果時間、效果間隔時間和聲級值是煙花爆竹檢測過程中至關重要的幾項指標。

在煙花爆竹檢測過程中經常使用到電子秒表。它一般用于計量煙花爆竹的引燃時間和煙花爆竹總的效果時間以及煙花各個效果發(fā)生的間隔時間。電子秒表是一種較先進的電子計時器，目前國產的電子秒表一般都是利用石英振蕩器的振蕩頻率作為時間基準，采用6位液晶數(shù)字顯示時間。電子秒表的使用功能比機械秒表要多，它不僅能顯示分、秒，還能顯示時、日、月及星期，并且有1/l00s的功能。一般的電子秒表連續(xù)累計時間為59min 59.99s，可讀到1/l00s，平均日差±0.5s。

在煙花爆竹檢測過程中使用聲級計用于測量煙花爆竹產生效果時最大噪聲聲級值。聲級計是最基本的噪聲測量儀器，它是一種電子儀器，但又不同于電壓表等客觀電子儀表。在把聲信號轉換成電信號時，可以模擬人耳對聲波反應速度的時間特性;對高低頻有不同靈敏度的頻率特性以及不同響度時改變頻率特性的強度特性。聲級計是一種主觀性的電子儀器。聲級計的工作原理是由傳聲器將聲音轉換成電信號，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計權網絡，對信號進行頻率計權(或外接濾波器) ，然后再經衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，送到有效值檢波器(或外按電平記錄儀) ，在指示表頭上給出噪聲聲級的數(shù)值。根據聲級計整機靈敏度區(qū)分，聲級計分類有兩類方法:一類是普通聲級計，它對傳聲器要求不太高。動態(tài)范圍和頻響平直范圍較狹，一般不配置帶通濾波器相聯(lián)用;另一類是精密聲級計，其傳聲器要求頻響寬，靈敏度高，長期穩(wěn)定性好，且能與各種帶通濾波器配合使用，放大器輸出可直接和電平記錄器、錄音機相聯(lián)接，可將噪聲訊號顯示或貯存起來。按照國家標準GB/T3785.1-2010、IEC61672-1:2013，聲級計按照精度，分為1級聲級計和2級聲級計，1級和2級聲級計的技術指標有相同的設計目標，主要是最大允許誤差、工作溫度范圍和頻率范圍不同，2級要求的最大允差大于1級。2級聲級計的工作溫度范圍0 ℃ ～ 40 ℃，1級為-10 ℃ ～ 50 ℃。2級的頻率范圍一般為20 Hz～8kHz，1級的頻率范圍為10 Hz～20kHz。煙花爆竹檢測過程中應使用符合1級技術指標的聲級計。

電子秒表和聲級計是煙花爆竹檢測過程中使用最為頻繁的兩種儀器。它們所出具的數(shù)據的準確性對煙花爆竹的質量有極大的意義。國家煙花標準（GB 10631-2013、GB/T10632-2004、GB/T21242-2007）、歐盟煙花標準 （ EN15947:2015、 EN16261:2013、EN16256:2012）都對電子秒表和聲級計在煙花爆竹檢測過程中作出了詳細的要求。

不確定度的含義是指由于測量誤差的存在，對被測量值的不能肯定的程度。反過來，也表明該結果的可信賴程度。它是測量結果質量的指標。不確定度愈小，所述結果與被測量的真值愈接近，質量越高，水平越高，其使用價值越高；不確定度越大，測量結果的質量越低，水平越低，其使用價值也越低。

定義：表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯(lián)系的參數(shù)為不確定度。

一：電子秒表示值誤差測量結果不確定度分析

1、概述

1.1 測量依據： J JG237-2010《秒表檢定規(guī)程》

1.2 環(huán)境條件：溫度20.1℃，相對濕度53%。

1.3 計量標準：主要計量標準設備為時間檢定儀

表Ⅰ 實驗室的計量標準器和配套設備

1.4 被測對象：電子秒表

1.5 測量方法:將被校表放入夾具固定好,啟動時間檢定儀，觸發(fā)被校秒表走時，侍時間檢定儀再次觸發(fā)被校表停此走時后，讀取被校表示值誤差。

2、數(shù)學模型

式中： Δ T：被檢表示值誤差

Ti：測量值；

To：標準時間間隔發(fā)生器的給定值；

3、不確定度傳播率：

式中，靈敏系數(shù)：

4 輸入量標準不確定度分析：

4.1 被校秒表測量時間間隔重復性引入的標準不確定度u(Ti)，用A類不確定度評定

以校準一跳動量為0.01s的電子秒表的3600s為例，將被校秒表與時間檢定儀連接好后，重復性測量10次，得到系列測量值3600.01、3600.01、3600.01、 3600.01、 3600.01、3600.01、 3600.01、 3600.01、3600.01、 3600.02。 Ti=3600.011 s，單次實驗標準差s(Ti)=0.0032s。在實際檢定中，只取一次測量值(其中誤差最大的)作為測量結果，故標準不確定度：

4.2 時間檢定儀引入的標準不確定度分量u(To)，用B類標準不確定度評定。

時間檢定儀送一級計量檢定合格，按使用說明書得知時間檢定儀檢定秒表準確度為±(2×10-7×T+0.003) s，在 輸 出 時 段 為3600s時，走時誤差為均勻分布，k=3,

5 合成標準不確定度

5.1 標準不確定度匯總表

?

5.2 合成標準不確定度計算

以上各項標準不確定度分量彼此獨立不相關，所以合成不確定度為。

5.3 擴展不確定度計算:

6 對使用時間檢定儀校準機械秒表的測量不確定度評估

根據JJG237-2010《秒表檢定規(guī)程》的規(guī)定，常規(guī)校準應對電子秒表的10 s、600 s、3600s、24h進行校準，使用最大允許誤差±(2×10-7×T+0.003) s時間檢定儀和電子秒表日差檢定儀校準上述時間間隔時，其測量不確定度評估如下：

?

7 校準和測量能力

0.01s分度的電子秒表是使用最大允許誤差±(2×1 0-7×T+0.0 0 3)s時間檢定儀和測量準確度優(yōu)于0.05s/d電子秒表日差檢定儀可校準的最佳被校電子秒表，因此該項目的CMC為： 1 s ～3600s，U = 0.01 s，24 h ，U = 0.06 s。

二：AWA5680型多功能聲級計測量不確定度評定

1、概述

1.1.測量依據：JJG188-2002《聲級計檢定規(guī)程》

1.2.檢測方法：采用耦合腔和自由場比較法將進行聲壓量值傳遞

2、不確定度來源分析

2.1.重復性實驗引起的測量不確定度u1

2.2.被測聲級計示值分辨率引起的測量不確定度u2

2.3.標準校準器引起的測量不確定度u3

2.4.標準傳聲器引起的測量不確定度u4

2.5.聲場（耦合腔20Hz-500Hz和消聲室500Hz-20kHz）修正值的測量不確定度u5

2.6.測量環(huán)境（溫度）引起的測量不確定度u6

2.7.測量環(huán)境（濕度）引起的測量不確定度u7

2.8.測量環(huán)境（大氣壓）引起的測量不確定度u8

2.9.供電電源變化引起的測量不確定度u9

3、測量不確定度分量的評定

3.1.重復性實驗引起的測量不確定度u1評定—A類評定

對AWA5680型多功能聲級計（編號為062920）進行10次聲信號重復測量，測得數(shù)據如下(1 kHz)：

?

聲級計單次測量的標準差Si按貝塞爾公式計算

實際檢定以4次測量平均作為測量結果則

3.2.被測聲級計示值分辨率引起的測量不確定度u2評定—B類評定

聲級計數(shù)字示值分辨率為±0.1dB

[-a a]為0.1 d B，半寬a為0.0 5 d B

3.3.標準校準器引起的測量不確定度u3評定——B類評定

校準用聲校準器是4231聲校準器 其測量不確定度U3=0.1 dB(k=2)

3.4.標準傳聲器引起的測量不確定度u4評定—B類評定

AWA14421型標準傳聲器的測量不確定度U4=0.3 dB（k=2）

3.5.聲場（耦合腔20Hz-500Hz和消聲室500Hz-20kHz）

修正值的測量不確定度u5評定——B類評定U5=0.1dB(k=2)

3.6.測量環(huán)境（溫度）引起的測量不確定度u6評定——B類評定

測量環(huán)境溫度要求在-10℃--+50℃

3.7.測量環(huán)境(濕度)引起的測量不確定度u7評定——B類評定

測量環(huán)境濕度要求25%-90%,

3.8.測量環(huán)境（大氣壓）引起的測量不確定度u8評定——B類評定

測量環(huán)境大氣壓要求在65kPa-108kPa,

3.9.供電電源變化引起的測量不確定度u9評定——B類評定

4、合成測量不確定度

5、結論

AWA5680型多功能聲級計（參考頻率1 kHz）的測量不確定度

AWA5680型多功能聲級計在頻率范圍為20 Hz-12.5 kHz的測量不確定度

相關煙花爆竹標準：1.GB 10631-2013《煙花爆竹安全與質量》

2.GB/T10632-2004《煙花爆竹抽樣檢查規(guī)則》

3.QB/T 1942-1994《爆竹聲級值的測定》

4.EN15947:2015《歐盟煙花標準實用手冊》

5.EN16261:2013《歐盟四類煙花標準實用手冊》

6.EN16256:2012《歐盟舞臺煙花標準實用手冊》