浅论烟花爆竹检测中电子秒表和声级计的不确定度分析

张 乐

(萍乡市焰花鞭炮科学研究所助理工程师)

烟花爆竹已有1300余年历史。燃放烟花爆竹不仅仅是一种风俗，更成为了一种文化，这种文化一直延续至今，并随着中世纪中西方文化的交流一起走出了国门、传遍了全世界。烟花爆竹产品质量的好坏直接关系到消费者的生命财产安全。其中产品的引燃时间、效果时间、效果间隔时间和声级值是烟花爆竹检测过程中至关重要的几项指标。

在烟花爆竹检测过程中经常使用到电子秒表。它一般用于计量烟花爆竹的引燃时间和烟花爆竹总的效果时间以及烟花各个效果发生的间隔时间。电子秒表是一种较先进的电子计时器，目前国产的电子秒表一般都是利用石英振荡器的振荡频率作为时间基准，采用6位液晶数字显示时间。电子秒表的使用功能比机械秒表要多，它不仅能显示分、秒，还能显示时、日、月及星期，并且有1/l00s的功能。一般的电子秒表连续累计时间为59min 59.99s，可读到1/l00s，平均日差±0.5s。

在烟花爆竹检测过程中使用声级计用于测量烟花爆竹产生效果时最大噪声声级值。声级计是最基本的噪声测量仪器，它是一种电子仪器，但又不同于电压表等客观电子仪表。在把声信号转换成电信号时，可以模拟人耳对声波反应速度的时间特性;对高低频有不同灵敏度的频率特性以及不同响度时改变频率特性的强度特性。声级计是一种主观性的电子仪器。声级计的工作原理是由传声器将声音转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。放大器将输出信号加到计权网络，对信号进行频率计权(或外接滤波器) ，然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值，送到有效值检波器(或外按电平记录仪) ，在指示表头上给出噪声声级的数值。根据声级计整机灵敏度区分，声级计分类有两类方法:一类是普通声级计，它对传声器要求不太高。动态范围和频响平直范围较狭，一般不配置带通滤波器相联用;另一类是精密声级计，其传声器要求频响宽，灵敏度高，长期稳定性好，且能与各种带通滤波器配合使用，放大器输出可直接和电平记录器、录音机相联接，可将噪声讯号显示或贮存起来。按照国家标准GB/T3785.1-2010、IEC61672-1:2013，声级计按照精度，分为1级声级计和2级声级计，1级和2级声级计的技术指标有相同的设计目标，主要是最大允许误差、工作温度范围和频率范围不同，2级要求的最大允差大于1级。2级声级计的工作温度范围0 ℃ ～ 40 ℃，1级为-10 ℃ ～ 50 ℃。2级的频率范围一般为20 Hz～8kHz，1级的频率范围为10 Hz～20kHz。烟花爆竹检测过程中应使用符合1级技术指标的声级计。

电子秒表和声级计是烟花爆竹检测过程中使用最为频繁的两种仪器。它们所出具的数据的准确性对烟花爆竹的质量有极大的意义。国家烟花标准（GB 10631-2013、GB/T10632-2004、GB/T21242-2007）、欧盟烟花标准 （ EN15947:2015、 EN16261:2013、EN16256:2012）都对电子秒表和声级计在烟花爆竹检测过程中作出了详细的要求。

不确定度的含义是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度。反过来，也表明该结果的可信赖程度。它是测量结果质量的指标。不确定度愈小，所述结果与被测量的真值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高；不确定度越大，测量结果的质量越低，水平越低，其使用价值也越低。

定义：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数为不确定度。

一：电子秒表示值误差测量结果不确定度分析

1、概述

1.1 测量依据： J JG237-2010《秒表检定规程》

1.2 环境条件：温度20.1℃，相对湿度53%。

1.3 计量标准：主要计量标准设备为时间检定仪

表Ⅰ 实验室的计量标准器和配套设备

1.4 被测对象：电子秒表

1.5 测量方法:将被校表放入夹具固定好,启动时间检定仪，触发被校秒表走时，侍时间检定仪再次触发被校表停此走时后，读取被校表示值误差。

2、数学模型

式中： Δ T：被检表示值误差

Ti：测量值；

To：标准时间间隔发生器的给定值；

3、不确定度传播率：

式中，灵敏系数：

4 输入量标准不确定度分析：

4.1 被校秒表测量时间间隔重复性引入的标准不确定度u(Ti)，用A类不确定度评定

以校准一跳动量为0.01s的电子秒表的3600s为例，将被校秒表与时间检定仪连接好后，重复性测量10次，得到系列测量值3600.01、3600.01、3600.01、 3600.01、 3600.01、3600.01、 3600.01、 3600.01、3600.01、 3600.02。 Ti=3600.011 s，单次实验标准差s(Ti)=0.0032s。在实际检定中，只取一次测量值(其中误差最大的)作为测量结果，故标准不确定度：

4.2 时间检定仪引入的标准不确定度分量u(To)，用B类标准不确定度评定。

时间检定仪送一级计量检定合格，按使用说明书得知时间检定仪检定秒表准确度为±(2×10-7×T+0.003) s，在 输 出 时 段 为3600s时，走时误差为均匀分布，k=3,

5 合成标准不确定度

5.1 标准不确定度汇总表

?

5.2 合成标准不确定度计算

以上各项标准不确定度分量彼此独立不相关，所以合成不确定度为。

5.3 扩展不确定度计算:

6 对使用时间检定仪校准机械秒表的测量不确定度评估

根据JJG237-2010《秒表检定规程》的规定，常规校准应对电子秒表的10 s、600 s、3600s、24h进行校准，使用最大允许误差±(2×10-7×T+0.003) s时间检定仪和电子秒表日差检定仪校准上述时间间隔时，其测量不确定度评估如下：

?

7 校准和测量能力

0.01s分度的电子秒表是使用最大允许误差±(2×1 0-7×T+0.0 0 3)s时间检定仪和测量准确度优于0.05s/d电子秒表日差检定仪可校准的最佳被校电子秒表，因此该项目的CMC为： 1 s ～3600s，U = 0.01 s，24 h ，U = 0.06 s。

二：AWA5680型多功能声级计测量不确定度评定

1、概述

1.1.测量依据：JJG188-2002《声级计检定规程》

1.2.检测方法：采用耦合腔和自由场比较法将进行声压量值传递

2、不确定度来源分析

2.1.重复性实验引起的测量不确定度u1

2.2.被测声级计示值分辨率引起的测量不确定度u2

2.3.标准校准器引起的测量不确定度u3

2.4.标准传声器引起的测量不确定度u4

2.5.声场（耦合腔20Hz-500Hz和消声室500Hz-20kHz）修正值的测量不确定度u5

2.6.测量环境（温度）引起的测量不确定度u6

2.7.测量环境（湿度）引起的测量不确定度u7

2.8.测量环境（大气压）引起的测量不确定度u8

2.9.供电电源变化引起的测量不确定度u9

3、测量不确定度分量的评定

3.1.重复性实验引起的测量不确定度u1评定—A类评定

对AWA5680型多功能声级计（编号为062920）进行10次声信号重复测量，测得数据如下(1 kHz)：

?

声级计单次测量的标准差Si按贝塞尔公式计算

实际检定以4次测量平均作为测量结果则

3.2.被测声级计示值分辨率引起的测量不确定度u2评定—B类评定

声级计数字示值分辨率为±0.1dB

[-a a]为0.1 d B，半宽a为0.0 5 d B

3.3.标准校准器引起的测量不确定度u3评定——B类评定

校准用声校准器是4231声校准器 其测量不确定度U3=0.1 dB(k=2)

3.4.标准传声器引起的测量不确定度u4评定—B类评定

AWA14421型标准传声器的测量不确定度U4=0.3 dB（k=2）

3.5.声场（耦合腔20Hz-500Hz和消声室500Hz-20kHz）

修正值的测量不确定度u5评定——B类评定U5=0.1dB(k=2)

3.6.测量环境（温度）引起的测量不确定度u6评定——B类评定

测量环境温度要求在-10℃--+50℃

3.7.测量环境(湿度)引起的测量不确定度u7评定——B类评定

测量环境湿度要求25%-90%,

3.8.测量环境（大气压）引起的测量不确定度u8评定——B类评定

测量环境大气压要求在65kPa-108kPa,

3.9.供电电源变化引起的测量不确定度u9评定——B类评定

4、合成测量不确定度

5、结论

AWA5680型多功能声级计（参考频率1 kHz）的测量不确定度

AWA5680型多功能声级计在频率范围为20 Hz-12.5 kHz的测量不确定度

相关烟花爆竹标准：1.GB 10631-2013《烟花爆竹安全与质量》

2.GB/T10632-2004《烟花爆竹抽样检查规则》

3.QB/T 1942-1994《爆竹声级值的测定》

4.EN15947:2015《欧盟烟花标准实用手册》

5.EN16261:2013《欧盟四类烟花标准实用手册》

6.EN16256:2012《欧盟舞台烟花标准实用手册》