5 Hz～10 kHz频率范围矢量水听器校准国际主导比对

陈 毅， 贾广慧， 费 腾， Isaev A E， Matveev A N

(1.杭州应用声学研究所，浙江 杭州 311400；2.浙江大学 信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027； 3.俄罗斯物理技术与无线电测量工程研究院，俄罗斯 莫斯科 门德列沃 141570)

1 引 言

矢量水听器可以同步、共点测量声场中的水声声压及声压梯度(质点振速、质点加速度)等水下声场中的标量和矢量信息，自其诞生以来，一直是各水声研究强国关注的重点[1]。与此同时，矢量水听器校准方法和技术也得到相应的发展[2～5]。为了准确得到矢量水听器的性能指标，杭州应用声学研究所(HAARI)研究建立了矢量水听器驻波管比较法校准装置、自由场比较法校准装置和自由场互易法校准装置，保障矢量水听器的技术研究及其工程实用化应用和推广[6～9]。

为了确保矢量水听器校准结果的准确性和可靠性，需要通过国际比对的方式对装置性能进行检验和验证。俄罗斯物理技术与无线电计量工程研究院(VNIIFTRI)是国际知名的计量技术机构，建有矢量水听器校准装置和相应的测量能力。经双方实验室协商和欧亚计量合作组织批准，开展了5 Hz～4 kHz水下质点振速单位国际主导比对，由HAARI担任主导实验室，比对辨识号为COOMET/646/RU/14。后来，经双方协商同意，将比对频率上限扩展到10 kHz[10,11]。

比对校准分别于2017年6月至9月和2018年4月至7月在HAARI和VNIIFTRI进行，由双方实验室利用各自建立的、具有最高测量精度的矢量水听器校准装置，对双方共同提供的3只矢量水听器X、Y、Z通道的灵敏度进行比对校准。

2 比对方案

由于目前尚未见到适用于本次比对的商用矢量水听器，因此，比对传递用矢量水听器由中俄双方共同提供，以覆盖5 Hz～10 kHz的频率范围。

比对开始前，HAARI和VNIIFTRI对各自的矢量水听器进行试验，确保其性能稳定可靠。比对开始后，首先由VNIIFTRI对其矢量水听器进行校准，然后传递给HARRI进行校准，完成后返回VNIIFTRI进行复测，确保其处于正常状态；其次，由HAARI对其矢量水听器进行校准，然后，传递给VNIIFTRI进行校准，完成后返回HAARI进行复测，确保其处于正常工作状态。

校准完成后，主导实验室汇总双方校准结果，通过双方专家的分析和讨论，得出比对结论。

3 比对矢量水听器及校准方法

3.1 比对矢量水听器

与传统的压电水听器相比，矢量水听器的结构更加复杂，图1给出了目前普遍使用的同振型三维矢量水听器的内部结构示意图。

图1 同振式三维矢量水听器内部结构Fig.1 Inner structure of three-dimensional co-vibrating vector receiver

经双方协商，参加本次比对校准的有4只同振式矢量水听器：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损坏，5～400 Hz频率范围的比对校准都采用VHS90矢量水听器。图2为3只参加比对校准的矢量水听器实物照片，其主要技术参数如表1所示。

图2 比对矢量水听器实物照片Fig.2 Photos of vector receiver used in the comparison

表1 比对矢量水听器主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of three vector receivers

校准时，矢量水听器通过4个能够减振的橡皮筋被悬挂到一个不锈钢圆环的中心，并在水中处于零浮力状态，如图3所示。图3中，1为矢量水听器，2为减振弹性橡皮筋，3为安装圆环。

3.2 校准方法和测量技术

在本次比对校准中，HAARI和VNIIFTRI采用的校准方法基本一致。其中，在低频驻波管中采用比较法进行校准，该方法利用已知灵敏度的标准水听器作为参考水听器，将同处于驻波管声场中的矢量水听器输出结果与其进行比较，得到矢量水听器的声压灵敏度。在自由场水域中采用互易法进行校准，该方法需要用到3个换能器，通过互易原理直接得到矢量水听器的灵敏度。比对中用到的具体校准方法和测量技术如表2所示[12～14]。

表2 比对校准方法和测量技术Tab.2 Calibration methods and measurement techniques used in the comparison

图3 矢量水听器悬挂示意图Fig.3 The diagram of vector receiver suspension

4 校准装置

4.1 HAARI比对用校准装置

HAARI参加此次比对的校准装置有垂直驻波管比较法校准装置和自由场互易法校准装置，其系统框图分别如图4和图5所示。其中，垂直驻波管比较法校准装置的比对校准频率范围为5～400 Hz，测量不确定度为1.0 dB(k=2)，校准对象是VHS90矢量水听器；自由场互易法校准装置的比对校准频率范围为500 Hz～10 kHz，测量不确定度为0.7 dB(k=2)，校准对象是VHS90、VHS56和KPG-10矢量水听器。

(1) 垂直驻波管比较法校准装置

图4 垂直驻波管比较法校准装置系统框图(HAARI)Fig.4 Schematic diagram of calibration facility using vertical standing wave tube comparison method of HAARI

图5 自由场互易法校准装置系统框图(HAARI)Fig.5 Schematic diagram of calibration facility using free-field reciprocity method of HAARI

该装置采用驻波管标准水听器比较法对矢量水听器的灵敏度进行校准。校准时，矢量水听器被安装在固定圆环上，和标准水听器一起被同时放置在充水厚壁垂直驻波管腔体中的同一深度。腔体底部的发射换能器在功率放大器激励下向上发射声波，在驻波管中产生均匀的测量声场。矢量水听器和标准水听器输出的开路电压信号经电子开关转接后，通过前置放大器放大和滤波器滤波后由锁相放大器进行测量，再输入计算机进行计算，得到矢量水听器的声压灵敏度。

(2) 自由场互易法校准装置

该装置采用自由场三换能器球面波互易法进行校准。校准时，发射换能器、矢量水听器和互易换能器呈一条直线安装在校准支架上，使三换能器的参考中心位于同一水平面上，并通过升降回转装置将它们放置于25 m×15 m×10 m消声水池中，入水深度为5 m。三换能器分别组成“发-接”、“发-互”、“互-接”3个换能器对进行测量，测得它们之间的转移阻抗，再输入计算机进行计算，得到矢量水听器的声压梯度灵敏度。

4.2 VNIIFTRI比对用校准装置

VNIIFTRI参加此次比对的校准装置有垂直驻波管比较法校准装置和自由场互易法校准装置，其系统框图分别如图6和图7所示。其中，垂直驻波管比较法校准装置的比对校准频率范围为5～400 Hz，测量不确定度为0.8 dB(k=2)，校准对象是VHS90矢量水听器；自由场互易法校准装置的比对校准频率范围为500 Hz～10 kHz，测量不确定度为0.8 dB(k=2)，校准对象是VHS90、VHS56和KPG-10矢量水听器。

图6 垂直驻波管比较法校准装置系统框图(VNIIFTRI)Fig.6 Schematic diagram of calibration facility using vertical standing wave tube comparison method of VNIIFTRI

图7 自由场互易法校准装置系统框图(VNIIFTRI)Fig.7 Schematic diagram of calibration facility using free-field reciprocity method of VNIIFTRI

(1) 垂直驻波管比较法校准装置

该装置采用驻波管标准水听器比较法对矢量水听器的灵敏度进行校准。校准时，矢量水听器被安装在固定圆环上,和标准水听器一起被同时放置在充水厚壁垂直驻波管腔体中的同一深度，入水深度为0.15 m。腔体底部的振动活塞换能器在驻波管中产生均匀的声场。矢量水听器和标准水听器输出的开路电压信号经电子开关转接后，通过前置放大器放大后由频谱分析仪进行测量，再输入计算机进行计算，得到矢量水听器的声压灵敏度。

(2) 自由场互易法校准装置

该装置采用自由场三换能器球面波互易法进行校准。发射换能器、矢量水听器和互易换能器呈直线安装在校准支架上，使三换能器的参考中心位于同一水平面上，并通过鱼线悬挂在10 m×6.5 m×5.8 m的非消声水池中，入水深度为3 m，发射换能器与矢量水听器的距离为0.6～1.0 m。校准时，按照互易法校准步骤，分别组成“发-接”、“发-互”、“互-接”3个换能器对进行测量，测得它们之间的转移阻抗，再输入计算机进行计算，得到矢量水听器的声压梯度灵敏度。

5 校准结果与分析

本次比对校准测量了3只矢量水听器X,Y,Z通道的灵敏度，测量频率点共174个。尽管双方的测量时间、测量地点、校准装置和测量人员都不相同，但双方的校准结果一致性较好，173个频率点的校准结果与参考值之间的偏差都在参考扩展不确定度之内[16]，绝大多数频率点的测量偏差都小于±0.5 dB，仅有VNIIFTRI的KPG-10矢量水听器的Y通道在1.25 kHz频点处，双方的偏差超过参考不确定度，超出值为0.15 dB。这里仅给出VHS56、VHS90和KPG-10 等3只矢量水听器X通道的偏差曲线，如图8所示。图中，CN为中方，RU为俄方。

图8 3只矢量水听器X通道校准结果的偏差曲线Fig.8 The deviation curve of X channel calibration results of three vector receivers

从校准结果还可以看出，自由场互易校准的测量不确定度较小，双方校准结果的偏差较小；垂直驻波管比较法校准中，由于引入了标准水听器，并且受到驻波管声场起伏的影响，400 Hz以下频率的校准结果偏差相对较大。

6 结 论

中俄双方专家就校准结果进行了讨论和分析，形成以下结论：

(1) 本次HAARI和VNIIFTRI在5 Hz～10 kHz频率范围开展的矢量水听器校准国际主导比对是成功的。校准结果表明中俄双方在本次比对中所采用的测量方法和校准技术是正确的，校准装置给出的结果是准确、可靠的。

(2) 尽管自由场互易法在矢量水听器灵敏度校准上的应用较晚，但本次国际主导比对充分检验和证明了自由场互易法在矢量水听器声压梯度灵敏度校准上的准确性和可靠性。作为一种绝对校准方法，自由场互易法有效地提高了矢量水听器校准的精度。