5 Hz～10 kHz頻率范圍矢量水聽器校準(zhǔn)國(guó)際主導(dǎo)比對(duì)

陳 毅， 賈廣慧， 費(fèi) 騰， Isaev A E， Matveev A N

(1.杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所，浙江 杭州 311400；2.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310027； 3.俄羅斯物理技術(shù)與無線電測(cè)量工程研究院，俄羅斯 莫斯科 門德列沃 141570)

1 引 言

矢量水聽器可以同步、共點(diǎn)測(cè)量聲場(chǎng)中的水聲聲壓及聲壓梯度(質(zhì)點(diǎn)振速、質(zhì)點(diǎn)加速度)等水下聲場(chǎng)中的標(biāo)量和矢量信息，自其誕生以來，一直是各水聲研究強(qiáng)國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。與此同時(shí)，矢量水聽器校準(zhǔn)方法和技術(shù)也得到相應(yīng)的發(fā)展[2～5]。為了準(zhǔn)確得到矢量水聽器的性能指標(biāo)，杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所(HAARI)研究建立了矢量水聽器駐波管比較法校準(zhǔn)裝置、自由場(chǎng)比較法校準(zhǔn)裝置和自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置，保障矢量水聽器的技術(shù)研究及其工程實(shí)用化應(yīng)用和推廣[6～9]。

為了確保矢量水聽器校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，需要通過國(guó)際比對(duì)的方式對(duì)裝置性能進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)證。俄羅斯物理技術(shù)與無線電計(jì)量工程研究院(VNIIFTRI)是國(guó)際知名的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)，建有矢量水聽器校準(zhǔn)裝置和相應(yīng)的測(cè)量能力。經(jīng)雙方實(shí)驗(yàn)室協(xié)商和歐亞計(jì)量合作組織批準(zhǔn)，開展了5 Hz～4 kHz水下質(zhì)點(diǎn)振速單位國(guó)際主導(dǎo)比對(duì)，由HAARI擔(dān)任主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，比對(duì)辨識(shí)號(hào)為COOMET/646/RU/14。后來，經(jīng)雙方協(xié)商同意，將比對(duì)頻率上限擴(kuò)展到10 kHz[10,11]。

比對(duì)校準(zhǔn)分別于2017年6月至9月和2018年4月至7月在HAARI和VNIIFTRI進(jìn)行，由雙方實(shí)驗(yàn)室利用各自建立的、具有最高測(cè)量精度的矢量水聽器校準(zhǔn)裝置，對(duì)雙方共同提供的3只矢量水聽器X、Y、Z通道的靈敏度進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。

2 比對(duì)方案

由于目前尚未見到適用于本次比對(duì)的商用矢量水聽器，因此，比對(duì)傳遞用矢量水聽器由中俄雙方共同提供，以覆蓋5 Hz～10 kHz的頻率范圍。

比對(duì)開始前，HAARI和VNIIFTRI對(duì)各自的矢量水聽器進(jìn)行試驗(yàn)，確保其性能穩(wěn)定可靠。比對(duì)開始后，首先由VNIIFTRI對(duì)其矢量水聽器進(jìn)行校準(zhǔn)，然后傳遞給HARRI進(jìn)行校準(zhǔn)，完成后返回VNIIFTRI進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保其處于正常狀態(tài)；其次，由HAARI對(duì)其矢量水聽器進(jìn)行校準(zhǔn)，然后，傳遞給VNIIFTRI進(jìn)行校準(zhǔn)，完成后返回HAARI進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保其處于正常工作狀態(tài)。

校準(zhǔn)完成后，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室匯總雙方校準(zhǔn)結(jié)果，通過雙方專家的分析和討論，得出比對(duì)結(jié)論。

3 比對(duì)矢量水聽器及校準(zhǔn)方法

3.1 比對(duì)矢量水聽器

與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比，矢量水聽器的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，圖1給出了目前普遍使用的同振型三維矢量水聽器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 同振式三維矢量水聽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Inner structure of three-dimensional co-vibrating vector receiver

經(jīng)雙方協(xié)商，參加本次比對(duì)校準(zhǔn)的有4只同振式矢量水聽器：VHS90、VHS56、KPG-1和KPG-10，其中VHS90和VHS56由HAARI制造，KPG-1和KPG-10由VNIIFTRI制造。由于KPG-1損壞，5～400 Hz頻率范圍的比對(duì)校準(zhǔn)都采用VHS90矢量水聽器。圖2為3只參加比對(duì)校準(zhǔn)的矢量水聽器實(shí)物照片，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 比對(duì)矢量水聽器實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photos of vector receiver used in the comparison

表1 比對(duì)矢量水聽器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of three vector receivers

校準(zhǔn)時(shí)，矢量水聽器通過4個(gè)能夠減振的橡皮筋被懸掛到一個(gè)不銹鋼圓環(huán)的中心，并在水中處于零浮力狀態(tài)，如圖3所示。圖3中，1為矢量水聽器，2為減振彈性橡皮筋，3為安裝圓環(huán)。

3.2 校準(zhǔn)方法和測(cè)量技術(shù)

在本次比對(duì)校準(zhǔn)中，HAARI和VNIIFTRI采用的校準(zhǔn)方法基本一致。其中，在低頻駐波管中采用比較法進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法利用已知靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)水聽器作為參考水聽器，將同處于駐波管聲場(chǎng)中的矢量水聽器輸出結(jié)果與其進(jìn)行比較，得到矢量水聽器的聲壓靈敏度。在自由場(chǎng)水域中采用互易法進(jìn)行校準(zhǔn)，該方法需要用到3個(gè)換能器，通過互易原理直接得到矢量水聽器的靈敏度。比對(duì)中用到的具體校準(zhǔn)方法和測(cè)量技術(shù)如表2所示[12～14]。

表2 比對(duì)校準(zhǔn)方法和測(cè)量技術(shù)Tab.2 Calibration methods and measurement techniques used in the comparison

圖3 矢量水聽器懸掛示意圖Fig.3 The diagram of vector receiver suspension

4 校準(zhǔn)裝置

4.1 HAARI比對(duì)用校準(zhǔn)裝置

HAARI參加此次比對(duì)的校準(zhǔn)裝置有垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置和自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置，其系統(tǒng)框圖分別如圖4和圖5所示。其中，垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置的比對(duì)校準(zhǔn)頻率范圍為5～400 Hz，測(cè)量不確定度為1.0 dB(k=2)，校準(zhǔn)對(duì)象是VHS90矢量水聽器；自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置的比對(duì)校準(zhǔn)頻率范圍為500 Hz～10 kHz，測(cè)量不確定度為0.7 dB(k=2)，校準(zhǔn)對(duì)象是VHS90、VHS56和KPG-10矢量水聽器。

(1) 垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置

圖4 垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖(HAARI)Fig.4 Schematic diagram of calibration facility using vertical standing wave tube comparison method of HAARI

圖5 自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖(HAARI)Fig.5 Schematic diagram of calibration facility using free-field reciprocity method of HAARI

該裝置采用駐波管標(biāo)準(zhǔn)水聽器比較法對(duì)矢量水聽器的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，矢量水聽器被安裝在固定圓環(huán)上，和標(biāo)準(zhǔn)水聽器一起被同時(shí)放置在充水厚壁垂直駐波管腔體中的同一深度。腔體底部的發(fā)射換能器在功率放大器激勵(lì)下向上發(fā)射聲波，在駐波管中產(chǎn)生均勻的測(cè)量聲場(chǎng)。矢量水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出的開路電壓信號(hào)經(jīng)電子開關(guān)轉(zhuǎn)接后，通過前置放大器放大和濾波器濾波后由鎖相放大器進(jìn)行測(cè)量，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到矢量水聽器的聲壓靈敏度。

(2) 自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置

該裝置采用自由場(chǎng)三換能器球面波互易法進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，發(fā)射換能器、矢量水聽器和互易換能器呈一條直線安裝在校準(zhǔn)支架上，使三換能器的參考中心位于同一水平面上，并通過升降回轉(zhuǎn)裝置將它們放置于25 m×15 m×10 m消聲水池中，入水深度為5 m。三換能器分別組成“發(fā)-接”、“發(fā)-互”、“互-接”3個(gè)換能器對(duì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得它們之間的轉(zhuǎn)移阻抗，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到矢量水聽器的聲壓梯度靈敏度。

4.2 VNIIFTRI比對(duì)用校準(zhǔn)裝置

VNIIFTRI參加此次比對(duì)的校準(zhǔn)裝置有垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置和自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置，其系統(tǒng)框圖分別如圖6和圖7所示。其中，垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置的比對(duì)校準(zhǔn)頻率范圍為5～400 Hz，測(cè)量不確定度為0.8 dB(k=2)，校準(zhǔn)對(duì)象是VHS90矢量水聽器；自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置的比對(duì)校準(zhǔn)頻率范圍為500 Hz～10 kHz，測(cè)量不確定度為0.8 dB(k=2)，校準(zhǔn)對(duì)象是VHS90、VHS56和KPG-10矢量水聽器。

圖6 垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖(VNIIFTRI)Fig.6 Schematic diagram of calibration facility using vertical standing wave tube comparison method of VNIIFTRI

圖7 自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)框圖(VNIIFTRI)Fig.7 Schematic diagram of calibration facility using free-field reciprocity method of VNIIFTRI

(1) 垂直駐波管比較法校準(zhǔn)裝置

該裝置采用駐波管標(biāo)準(zhǔn)水聽器比較法對(duì)矢量水聽器的靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，矢量水聽器被安裝在固定圓環(huán)上,和標(biāo)準(zhǔn)水聽器一起被同時(shí)放置在充水厚壁垂直駐波管腔體中的同一深度，入水深度為0.15 m。腔體底部的振動(dòng)活塞換能器在駐波管中產(chǎn)生均勻的聲場(chǎng)。矢量水聽器和標(biāo)準(zhǔn)水聽器輸出的開路電壓信號(hào)經(jīng)電子開關(guān)轉(zhuǎn)接后，通過前置放大器放大后由頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到矢量水聽器的聲壓靈敏度。

(2) 自由場(chǎng)互易法校準(zhǔn)裝置

該裝置采用自由場(chǎng)三換能器球面波互易法進(jìn)行校準(zhǔn)。發(fā)射換能器、矢量水聽器和互易換能器呈直線安裝在校準(zhǔn)支架上，使三換能器的參考中心位于同一水平面上，并通過魚線懸掛在10 m×6.5 m×5.8 m的非消聲水池中，入水深度為3 m，發(fā)射換能器與矢量水聽器的距離為0.6～1.0 m。校準(zhǔn)時(shí)，按照互易法校準(zhǔn)步驟，分別組成“發(fā)-接”、“發(fā)-互”、“互-接”3個(gè)換能器對(duì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得它們之間的轉(zhuǎn)移阻抗，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到矢量水聽器的聲壓梯度靈敏度。

5 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

本次比對(duì)校準(zhǔn)測(cè)量了3只矢量水聽器X,Y,Z通道的靈敏度，測(cè)量頻率點(diǎn)共174個(gè)。盡管雙方的測(cè)量時(shí)間、測(cè)量地點(diǎn)、校準(zhǔn)裝置和測(cè)量人員都不相同，但雙方的校準(zhǔn)結(jié)果一致性較好，173個(gè)頻率點(diǎn)的校準(zhǔn)結(jié)果與參考值之間的偏差都在參考擴(kuò)展不確定度之內(nèi)[16]，絕大多數(shù)頻率點(diǎn)的測(cè)量偏差都小于±0.5 dB，僅有VNIIFTRI的KPG-10矢量水聽器的Y通道在1.25 kHz頻點(diǎn)處，雙方的偏差超過參考不確定度，超出值為0.15 dB。這里僅給出VHS56、VHS90和KPG-10 等3只矢量水聽器X通道的偏差曲線，如圖8所示。圖中，CN為中方，RU為俄方。

圖8 3只矢量水聽器X通道校準(zhǔn)結(jié)果的偏差曲線Fig.8 The deviation curve of X channel calibration results of three vector receivers

從校準(zhǔn)結(jié)果還可以看出，自由場(chǎng)互易校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度較小，雙方校準(zhǔn)結(jié)果的偏差較?。淮怪瘪v波管比較法校準(zhǔn)中，由于引入了標(biāo)準(zhǔn)水聽器，并且受到駐波管聲場(chǎng)起伏的影響，400 Hz以下頻率的校準(zhǔn)結(jié)果偏差相對(duì)較大。

6 結(jié) 論

中俄雙方專家就校準(zhǔn)結(jié)果進(jìn)行了討論和分析，形成以下結(jié)論：

(1) 本次HAARI和VNIIFTRI在5 Hz～10 kHz頻率范圍開展的矢量水聽器校準(zhǔn)國(guó)際主導(dǎo)比對(duì)是成功的。校準(zhǔn)結(jié)果表明中俄雙方在本次比對(duì)中所采用的測(cè)量方法和校準(zhǔn)技術(shù)是正確的，校準(zhǔn)裝置給出的結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

(2) 盡管自由場(chǎng)互易法在矢量水聽器靈敏度校準(zhǔn)上的應(yīng)用較晚，但本次國(guó)際主導(dǎo)比對(duì)充分檢驗(yàn)和證明了自由場(chǎng)互易法在矢量水聽器聲壓梯度靈敏度校準(zhǔn)上的準(zhǔn)確性和可靠性。作為一種絕對(duì)校準(zhǔn)方法，自由場(chǎng)互易法有效地提高了矢量水聽器校準(zhǔn)的精度。