100kHz～1MHz频率范围水听器灵敏度激光法校准及其验证

王世全

(杭州应用声学研究所，浙江杭州 311400)

1 引 言

水听器广泛用于水声探测、识别、通信以及海洋噪声测量中，为了保证水声声压量值的准确性，必须对传递水听器和标准水听器的灵敏度进行校准和测量。

水听器的校准分为一级校准和二级校准，又称为绝对校准和相对校准。在100kHz～1MHz频率范围内，对于标准水听器的一级校准一般是采用三换能器球面波互易法[1]。通过使用发射换能器和互易换能器，依据电声互易原理便可获得被校水听器的灵敏度，但缺点是测量过程比较麻烦，需要进行三组换能器的安装操作；加之互易法校准受到的影响因素比较多，测量不确定度根据校准频率的不同一般为(0.5～0.9)dB[2]。

为进一步降低常压下水听器灵敏度校准装置的不确定度，光学校准方法引入到水声声压校准中。光学法用于校准水听器步骤较为简便，仅需两次测量即可得到待校准水听器的灵敏度，其本质上是一种替代校准，因此，该方法不受换能器互易性的影响。英国国家物理实验室于1988年在(0.5～15)MHz频段开始使用激光法测量技术替换传统的互易法校准[3,4]，并使测量不确定度下降至0.6dB以下。经过技术的不断发展，光学方法校准不断向低频段拓展[5,6,7]。目前，英国国家物理实验室在着手运用激光干涉法建立100kHz～1MHz频段内的校准装置，预期将测量不确定度降低到(0.3～0.4)dB左右。

本文介绍了激光法水声声压校准装置的校准原理及系统构成，并采用激光法对TC4034和BK8103水听器进行了校准实验研究，分析了激光法校准装置的测量不确定度。同时校准结果与三换能器互易法对校准结果进行了对比，给出了二者的偏差可能的原因。

2 校准原理

采用光学法校准水声声压，是通过利用光学法测量水介质中的质点振速(或位移)实现的，其校准水听器灵敏度的原理，如图1所示。

图1 光学方法校准水听器灵敏度原理示意图Fig.1 The schematic figure of calibrating the hydrophone using optical method

辅助换能器向水介质中发射声波，在声场中距离发射换能器一定位置处(发射换能器的远场，满足平面波条件)布放反光透声膜片，激光测振仪的激光束入射到水介质中一透声反光的膜片上，经过膜片反射后返回激光测振仪解码输出，即可得到膜片的振动幅度量值。理论上可以证明，如果膜片厚度远小于声波波长，膜片将跟随周围的水介质作同相的运动。因此，通过激光测量膜片的振速(或位移)即可得到膜片上激光入射点处水介质的质点振速(或位移)。当膜片处于发射换能器的声学远场时，根据平面波假设，通过测得膜片所在处质点振速(或位移)量值，就可得到该点的声压量值为

p=ρcu或p=ρcωa

(1)

式中：ρ——水介质的密度；c——水介质中声速；ω——角频率；u——质点振速；a——质点位移。

移走膜片，将待测水听器置于膜片所在的位置，测量水听器的开路输出电压Uoc，根据水听器灵敏度的定义，即可得到待校准水听器的灵敏度。

若采用激光测振仪的振速输出端口时，水听器的灵敏度为

(2)

式中：Uoc——水听器的开路输出电压；Uopt——激光测振仪的输出电压；Ku——激光测振仪的振速灵敏度。

若采用激光测振仪的位移输出端口时，水听器的灵敏度为

(3)

式中：Ka——激光测振仪的位移灵敏度。

3 校准装置构成

光学法水听器校准装置的系统构成如图2所示。该校准装置由信号源、功率放大器、辅助换能器、反光膜片、激光测振仪、测量放大器、滤波器、数字示波器、程控计算机等构成。其中，信号源、功率放大器、辅助发射换能器等构成信号发射分系统，用于产生校准所需的声场；激光测振仪、测量放大器、滤波器、数字示波器等组成信号接收分系统，用于信号的采集、调理和显示等；另外，还包括测量水池及换能器定位调节机构等，用于提供校准所需的环境，实现辅助换能器和待校准水听器的定位调节等。计算机通过接口控制卡实现对各仪表的控制，并对校准数据自动采集、处理、存储和显示。

图2 光学法校准装置构成示意图Fig.2 The constitution of the calibration facility using optical method

校准系统中，信号源采用Agilent公司的33250，功率放大器采用的是AR75A250A，用以产生并放大信号激励换能器，向水介质中辐射校准用的声信号。滤波器为NF3628，激光测振仪采用的Polytec公司的OFV5000系列，数字示波器为Agilent公司的DSO6014。测量水槽长1.4m，宽1m，内部铺设吸声尖劈。

4 水听器校准及结果分析

被校准水听器分别为TC4034水听器和BK8103水听器，如图3(a)和图3(b)所示。其中TC4034水听器的校准频率范围(100～500)kHz，BK8103水听器的校准频率范围为100kHz～1MHz。

图3 TC4034水听器与BK8103水听器图Fig.3 Figures of the TC 4034 hydrophone and BK 8103 hydrophone

校准时，信号源产生正弦信号，经过功率放大器放大后驱动辅助换能器向校准水池中辐射声波，反光膜片被安装在精密升降回转机构上。激光测振仪发射光束入射到该反光膜片上，经反射后返回激光测振仪进行测量，得到质点位移值，通过计算得到该点的声压值；然后用待校水听器取代反光膜片，使水听器的参考中心与反光膜片上激光入射点重合，保持发射系统不变，在相同声波作用下，待校水听器输出开路电压信号，经滤波器进行滤波，再输入数字示波器进行采集和计算，得到待校水听器输出的开路电压信号，由标准水听器灵敏度计算公式，得到被校标准水听器的自由场灵敏度。改变信号频率，在待校频率点上重复以上校准过程，即可得到整个校准频段上待校水听器的灵敏度响应。

校准时，辅助发射器采用直径40mm和直径30mm的平面型发射器，收发距离为45cm。TC4034校准频率范围为(100～500)kHz，校准频率点间隔为10kHz。BK8103水听器，校准频率范围为(100～1 000)kHz，校准结果分别如图4和图5所示，作为对比，各图中也分别给出了采用三换能器互易法的校准结果。

图4 TC4034水听器激光法校准结果与互易法校准结果比对Fig.4 The comparison of the TC 4034 calibration results between the optical and the reciprocal method

TC4034水听器自由场电压灵敏度校准结果可见，在(100～500)kHz频段范围内，激光法校准结果与互易法校准结果相比，二者总体趋势一致，在整个频段内激光法的校准结果整体略低于互易法的校准结果，二者的偏差在(-1～-0.3)dB之间。

图5 B&K 8103水听器激光法校准结果与互易法校准结果比对Fig.5 The comparison of the BK 8103 calibration results between the optical and the reciprocal method

BK8103水听器自由场电压灵敏度校准结果可见，在100kHz～1MHz频段范围内，激光法校准结果与互易法校准结果相比，二者吻合较好，在整个频段内二者的偏差在(-0.7～1.0)dB之间。

激光法校准装置的测量不确定度为0.5dB，其A类不确定度分量由实验统计数据得到，最大值为0.12dB，B类不确定度分量见表1。作为对比验证的互易法校准装置的测量不确定度在100kHz～1MHz频率范围内的测量不确定度为0.9dB，因此，两套校准装置在100kHz～1MHz频率范围内测量结果的最大偏差绝对值不应大于1.03dB。

表1 B类不确定度分量来源Tab.1 The distributions of B type uncertainties来 源数值/dB激光测振仪灵敏度引入的不确定度分量0.025激光测振仪输出电压测量引入的不确定度分量0.1水听器开路电压测量引入的不确定度分量0.1水介质密度ρ的查表值引入的不确定度分量0.012水介质声速c的查表值引入的不确定度分量0.012距离测量误差引入的不确定度分量0.06测量环境条件引起的不确定度分量0.125发射信号不稳定引入的不确定度分量0.1B类不确定度分量uB0.22

由测量结果看，激光法校准装置的测量结果是正确的，与互易法校准结果相比，二者的偏差均未超过两套校准装置可允许的最大偏差。但是注意到在(100～500)kHz频段范围内，激光法测量的结果整体偏低，两套校准系统之间就像存在一个系统偏差。经分析，可能的原因在于：

1)互易校准中换能器互易性的偏差。互易校准中，要求换能器是互易的，实际校准中换能器的互易性是随频率变化的，在这个频率范围内互易性的偏差可能比较显著，从而影响到校准结果；

2)水听器的空间平均效应。激光法校准时，是将激光束聚焦到反光膜片上特点处，测量得到该位置的质点振动并进而计算得到声压。

水听器放置到该位置测量其开路输出电压，由于水听器的空间尺寸，存在一定的空间平均效应，其开路输出电压实际上是水听器表面所受声压的综合响应。以空间一点的声压代替了水听器表面的声压，因此，校准的水听器灵敏度结果会偏低。另一方面，由于光学法测量时对声场的扰动较小，且是测量空间一点处的声压，这实际上与水听器自由场电压灵敏度的定义[8]的要求是一致的，因此，激光法校准的结果可能更接近定义值。

5 结束语

本文开展了激光法校准水听器灵敏度实验研究，选取TC4034和BK8103水听器为研究对象，在100kHz～1MHz频率范围内分别利用激光法和互易法对两只水听器的灵敏度进行了校准。校准结果表明，激光法校准结果与互易法校准结果在各自校准的频段范围内吻合良好，二者结果偏差均未超出两套校准装置的最大可允许偏差。由于激光法校准时不需要互易换能器，同时利用激光法测量声压量值时，由于激光束具有很高的空间汇聚性，因此空间平均效应很小，其测量声压的条件与水听器自由场电压灵敏度定义要求更为接近。同时，这也可能是在该频率范围内校准时，激光法与互易法结果存在一个类似系统偏差的原因之一。