计量科学与技术

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一种宽频带低噪声测量放大器的设计

焦海波, 解鹏飞, 王家恒, 何荣昌

2023, 67(11): 3-9, 70. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0298

摘要(72)

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PDF(18)

摘要:
以信号调理技术为基础，设计了一款宽频带低噪声水声通用测量放大器，该测量放大器作为水听器的第一级测量放大器，可以对水声微弱信号进行放大，提高水声信号的测量信噪比，对后级滤波和接收处理起到重要的作用。测量放大器使用孪生JFET场效应管作为输入前级，实现阻抗变换的同时大大降低由于JFET差异性造成的偏置噪声。通过多级串联实现高增益放大，其最大增益110 dB，增益动态范围−30～110 dB，工作带宽为1 Hz～200 kHz，等效输入噪声小于5 nV/√Hz，并可通过RS232总线对增益档位进行控制。测量放大器具有增益档位灵活可调、频带宽、噪声低、线性度高及通用性强等的特点。通过与国外同类型测量放大器进行测试比对，测试结果表明，该测量放大器满足设计技术指标要求，与国外同类型仪器性能相当，并在实际工作应用中取得了良好的效果。

单环螺线差分麦克风阵列结构及性能研究

陈卫松, 黄志勋, 王学研, 牛锋

2023, 67(11): 10-16. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0290

摘要(58)

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摘要:
基于雅可比展开法设计的圆环型差分麦克风阵列，可产生频率不变的空间响应和调向到任意方向的波束图，但受贝塞尔函数在某些特定频率取零值的影响，白噪声增益和指向性因子会出现零陷问题，导致麦克风阵列性能恶化。同心圆环麦克风阵列可以消除零陷问题，但需要的麦克风单元数量较多，且阵列分布面积也较大。设计一种基于阿基米德螺线结构的单环螺线差分麦克风阵列。对比分析了该阵列与圆环型差分阵列在白噪声增益、指向性因子和波束图方面的差异。讨论了螺线参数选取对其性能的影响。仿真结果表明，在同等条件下，单环螺线差分阵列克服了圆环型差分阵列的白噪声增益，和指向性因子在某些特定频率点出现的零陷问题，在不增加麦克风数量的情况下，表现出更优越的性能。随着麦克风数量的增加，阵列形成的波束性能得到进一步改善。

干涉型光纤水听器信号解调算法研究进展

梁楸岷, 王敏, 王文侠, 王珂, 郑慧峰

2023, 67(11): 17-23, 78. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0293

摘要(91)

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摘要:
干涉型光纤水听器作为一种新型水听器，与传统水听器相比具有诸多优点，能否精准获取水下声信号与所采用的解调算法密切相关。简要介绍了干涉型光纤水听器的结构及工作原理，重点对干涉型光纤水听器基于相位生成载波（Phase Generated Carrier）以及3×3耦合器解调算法的原理和进展进行了分析对比，阐述了主要解调算法的特点和相对优劣之处，并给出未来可能的研究方向。

虚拟声场用于测量智能音频设备采集指向性的可行性探究

桑晋秋, 黄冰, 秦朝琪, 王学研, 陆锡坤, 牛锋

2023, 67(11): 24-32. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0297

摘要(71)

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摘要:
为更好地满足智能音频设备声音采集指向性的测量需求，提高测量装置的灵活性和效率并降低测量装置的硬件成本，探究了利用虚拟声场来测量智能音频设备声音采集指向性的可行性。虚拟声场采用矢量合成的方法合成。通过声场仿真实验对比了虚拟声源和真实物理声源在声场辐射指向性方面的差异。通过实际测量实验对比了一款声像仪在采集定位虚拟声源和真实物理声源时的指向性差异。声场仿真数据结果表明，双扬声器夹角越小，虚拟声源越容易形成与真实物理声源逼近的声场辐射指向性。频率越低，虚拟声场与真实物理声场辐射指向性逼近的甜点区范围越大。实际测量实验结果表明，频率越低，声像仪采集虚拟声场指向性性能逼近采集物理声场指向性性能。双扬声器夹角在22.5°时，声源频率低于2 kHz时，声像仪采集虚拟声场的方位角精度小于3°；声源频率高于4 kHz时，声像仪难以精准采集虚拟声场的声像方位。虚拟声场可在中低频范围内满足音频设备声音采集指向性的测量要求，可用于灵活地设置复杂虚拟声环境来测量智能音频设备声音采集指向性。

空气超声源成像仪关键参数性能评价

王萧博, 张瑞纹, 肖艰, 许胜男, 陈俭, 高申平, 沈煜航

2023, 67(11): 33-38. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0270

摘要(63)

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摘要:
空气超声成像仪是一种利用被动声源定位技术，实现对超声声源定位和成像的设备。通过与光学图像位置的比对，定位超声源的位置、强度等参数。对空气超声成像仪的发展历史和应用前景进行了综述，探究了评价空气超声成像仪的关键计量参数，包括定位误差、横向空间分辨率、声压级准确度等五个关键参数，针对五个关键参数进行评价方法研究，并分析了影响评估过程的因素，实现了对空气超声成像仪的客观评价，保障了国产该类仪器设备的性能。

小水箱中矢量水听器灵敏度校准方法研究

陈洪娟, 刘泽民, 张佳乐

2023, 67(11): 39-52. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0287

摘要(90)

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摘要:
水听器的接收灵敏度是衡量其声学性能的重要指标。随着低频大尺度矢量水听器的出现，常规驻波管因尺寸的限制无法进行矢量水听器的校准工作；消声水池由于边界条件的限制，采用脉冲声技术无法在时域上将低频信号的直达波与反射波分离。针对这两种情况，研究了在小水箱中基于暂态信号的矢量水听器自由场灵敏度测量方法。以单谐振压电发射器在正弦脉冲信号激励下谐振频率点处的辐射面振动位移解析解为基础，对接收信号暂态部分与稳态部分幅值之间的关系进行了分析，同时利用有限元软件，以水声测试中常用的发射器为例，通过模态分析、谐响应分析以及瞬态分析，仿真分析了利用暂态信号进行矢量水听器灵敏度测试时，声源的选择和接收点的位置，并利用搭建的实验平台，在小水箱中利用比较法完成了对矢量水听器声压灵敏度的测量。该测量方法克服了空间尺寸的影响，扩展了有限空间内矢量水听器的测量频率下限。

激光层析法空耦超声换能器轴向声场测量研究

张小丽, 何程昊, 冯秀娟, 张慧, 牛锋, 何龙标

2023, 67(11): 53-61. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0302

摘要(67)

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摘要:
空气耦合（简称“空耦”）超声换能器具有非接触、非侵入、完全无损等特点，在航空航天复合材料以及其他孔隙类材料的无损检测领域具有广阔的应用前景。开展空耦超声换能器的轴向声场重建研究，其所包含的近场长度、指向性等轴向声场特性参数，决定着换能器在无损检测中的分辨率、抗干扰及定位精度等性能。激光层析法在声场重建中具有高空间分辨力、宽频带范围和声场非侵入等优点，然而该方法目前主要被用于径向声场表征，轴向声场表征的理论和实验研究较少且不完善。从理论、仿真和实验的角度对空耦超声换能器的轴向声场分布展开研究，实验与仿真结果取得较好的一致性。同时与传声器的轴向声场测量结果进行比较，验证了激光层析法进行空耦换能器轴向声场重建的可靠性。研究结果对于空耦换能器轴向声场的测量、空耦超声换能器的设计和校准具有重要价值。

转移耦合腔互易法水听器校准方法研究

王世全, 徐卓华, 吴博越, 贾广慧

2023, 67(11): 62-70. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0292

摘要(65)

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摘要:
针对传统耦合腔互易法校准水听器灵敏度时，水听器尺寸、材料受到限制，耦合腔体积参数在校准不同水听器时需要每次测定等问题，进一步提升耦合腔互易法校准的准确度。开展了转移耦合腔互易法校准技术研究，详细介绍并推导了转移耦合腔互易法校准水听器灵敏度的原理，设计并研制了参考耦合腔和转移耦合腔。其中，转移耦合腔包括三换能器转移耦合腔和四换能器转移耦合腔。在此基础上，基于转移耦合腔互易法校准原理构建了转移耦合腔互易法校准标准装置。在20 Hz～2 kHz频率范围，分别采用三换能器转移耦合腔和四换能器转移耦合腔开展了标准水听器校准实验研究，对比了两个转移耦合腔校准的结果，具有很好的一致性，并对校准结果的测量不确定度进行了评估。为验证校准结果的准确性，与低频水声声压基准的校准结果进行了比较。结果表明，校准结果偏差绝对值最大为0.5 dB，小于比对装置总的不确定度，因此转移耦合腔互易法校准结果是准确的，测量不确定度达到0.4 dB（k=2）。通过采用参考耦合腔和转移耦合腔相结合的方式，解决了传统耦合腔互易法校准中存在的问题，进一步提升了校准的准确度，为更高等级低频水声标准的研制奠定了基础。

成像最小声压级校准及不确定度评定

张瑞纹, 庞晓峰, 高申平, 沈煜航

2023, 67(11): 71-78. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256

摘要(64)

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摘要:
空气超声源成像仪（波束形成法）广泛应用于局部放电及气体泄漏检测中，其成像最小声压级的校准是空气超声源成像仪定量技术的前提，直接影响空气超声源成像仪可检出的最小气体泄漏量、工作距离及局部放电的检出能力。随着波束形成技术的不断发展，通过优化阵列尺寸、传声器数目、传声器间隔等参数，声源识别定位的精度不断提高，在传声器阵列便携的前提下，可识别的成像最小声压级不断减小，使该参数的定量结果不易得到，为国内外产品在参数比对和定量测量造成困扰。基于低本底噪声测量系统，搭建空气超声源成像仪成像最小声压级校准系统，选择三款使用广泛的空气超声源成像仪进行实验，选择小尺寸声源模拟局部放电和气体泄漏引起的声学信号，确定校准距离与校准环境，通过同心定位圆环组监测小尺寸声源的成像定位误差，辅以12线高精度激光水平仪减小信号对齐带来的影响，实现对成像最小声压级进行校准。对测量结果进行不确定度评定，结果表明，在20～40 kHz频率范围内，成像最小声压级的扩展不确定度可以达到3 dB(k=2)。

超声稳态空化阈值的监测方法研究

阮炜迪, 陆振伟, 邵家存

2023, 67(11): 79-84, 52. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0278

摘要(86)

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摘要:
稳态空化是指水介质中的微泡在较低的声压诱导下作周期性振荡运动。相较于瞬态空化，稳态空化温升效果稳定可控，具有更好应用前景。搭建了稳态空化阈值监测平台，采用被动空化监测方法对不同含氧量的水介质中的聚焦声场作用下的稳态空化活动进行监测，以次谐波的出现作为稳态空化活动的判定标准。结合窄带机械滤波法、多次平均技术，对高灵敏度水听器接收的声信号进行滤波和降噪。最终将采集到的声信号进行频谱分析，探究在超声作用下不同含氧量与次谐波出现的规律，实验结果表明：多次平均采集的方法可以有效降低噪声的干扰，改善信噪比，大大提高系统对微弱声信号的检测能力；随着含氧量的增加，稳态空化阈值随之降低，与理论规律相符合。

声强传声器对相位差校准方法研究

周长华, 罗奔毅, 戴斌

2023, 67(11): 85-90. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0276

摘要(69)

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摘要:
声强是声学中常用的物理量，具有方向性。声强测量在声功率测定及主噪声源识别方面有其独特的优点，是声学领域中一种重要的测量技术。目前声强测量方法最常用的是双传声器法，双传声器法采用近似算法，因此存在固有的系统误差和测量频率范围的限制。此外，声强探头中双传声器不匹配引起的相位差也是影响声强测量误差的重要因素。如何准确测量双传声器之间的相位差，便成了双传声器配对的重要任务之一。研究了耦合腔法和静电激励器法两种方法，准确测量双传声器的相位特性，实现了传声器间相位差的规范化量化测量。

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