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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

张瑞纹,庞晓峰,高申平,等. 成像最小声压级校准及不确定度评定[J]. 计量科学与技术,2023, 67(11): 71-78 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256
引用本文: 张瑞纹,庞晓峰,高申平,等. 成像最小声压级校准及不确定度评定[J]. 计量科学与技术,2023, 67(11): 71-78 doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256
ZHANG Ruiwen, PANG Xiaofeng, GAO Shenping, SHEN Yuhang. Calibration of Minimum Imaging Sound Pressure Level in Air Ultrasonic Source Imagers and Uncertainty Assessment[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(11): 71-78. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256
Citation: ZHANG Ruiwen, PANG Xiaofeng, GAO Shenping, SHEN Yuhang. Calibration of Minimum Imaging Sound Pressure Level in Air Ultrasonic Source Imagers and Uncertainty Assessment[J]. Metrology Science and Technology, 2023, 67(11): 71-78. doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256

成像最小声压级校准及不确定度评定

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256
基金项目: 浙江省市场监督管理局科技项目(QN2023421) 。
详细信息
    作者简介:

    张瑞纹(1990-),深圳市计量质量检测研究院高级工程师,研究方向:声学计量与检测,邮箱:ruiwenbb_zhang@163.com

    通讯作者:

    庞晓峰(1988-),深圳市计量质量检测研究院工程师,研究方向:声学振动计量,邮箱:397977562@qq.com

  • 中图分类号: TB95

Calibration of Minimum Imaging Sound Pressure Level in Air Ultrasonic Source Imagers and Uncertainty Assessment

  • 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)。
  • 图  1  成像最小声压级测量装置

    Figure  1.  Measuring device for minimum imaging sound pressure level

    图  2  B&K 4939 1/3倍频程本底噪声

    Figure  2.  Inherent noise of B&K 4939 with 1/3 octave

    图  3  B&K 4939 快速傅里叶分析本底噪声

    Figure  3.  Inherent noise of B&K 4939 with Fast Fourier Transform (FFT) analysis

    图  4  三款空气超声源成像仪成像最小声压级

    Figure  4.  Minimum imaging sound pressure level of three air ultrasonic source imagers

    表  1  成像最小声压级测量结果

    Table  1.   Test results of minimum imaging sound pressure level

    频率/kHz 产品A /dB 产品B /dB 产品C /dB 测试系统本底噪声/dB
    3.15 21.8 27.5 20.7 10.5
    4 23.0 28.3 20.1 7.5
    6.3 26.2 25.1 16.4 4.8
    8 16.7 18.8 14.1 3.0
    10 24.7 17.5 12.0 1.9
    12.5 19.4 23.0 13.9 1.8
    16 24.2 22.1 20.9 0.6
    20 19.6 23.6 16.6 0.4
    31.5 11.8 26.6 13.2 −0.7
    40 14.2 25.3 26.4 −1.0
    47.5 27.9 −0.45
    50 35.3 −0.77
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    表  2  成像最小声压级重复性测试

    Table  2.   Repeatability test for minimum imaging sound pressure level

    频率/kHz声压级/dB标准偏差/dB
    12345678910
    3.15191919252523222222222.3
    4202519242423242423241.9
    6.3262626262627262626270.4
    8171817171717161616160.7
    10262726252524232424231.3
    12.5192020191919192019200.5
    16232425252525232424240.8
    20201719192021202020201.1
    2566665566660.4
    31.5121212121212111212110.4
    40141415151615131413131.0
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    表  3  测量距离变化对测试结果的影响

    Table  3.   Impact of measurement distance on test results

    频率/kHz 声压级变化量/dB
    −10 mm −5 mm 0 mm +5 mm +10 mm
    3.15~40 −0.03 −0.01 0.00 0.01 0.03
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    表  4  水平偏移距离对测试结果的影响

    Table  4.   Impact of horizontal offset distance on test results

    频率/kHz 声压级/dB
    −6 mm −4 mm −2 mm 0 mm +2 mm +4 mm +6 mm
    3.15 60 60 61 61 61 61 61
    4 60 60 60 60 60 60 61
    6.3 59 59 59 60 60 60 60
    8 59 60 60 60 60 60 60
    10 63 64 64 64 64 64 64
    12.5 58 59 59 59 59 58 59
    16 60 61 61 61 60 60 60
    20 63 63 63 63 63 63 62
    25 62 62 62 61 61 60 60
    31.5 62 60 60 61 59 60 61
    40 60 59 59 59 58 58 58
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    表  5  声压级测量系统引入的不确定度

    Table  5.   Uncertainty introduced by the sound pressure level measurement system

    测试仪器名称最大允许误差/ dB测量不确定度/ dB(k=2)
    声分析仪±0. 50.30
    测量传声器/0.50
    前置放大器±0.30.17
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    表  6  测量不确定度来源和符号一览表

    Table  6.   List of sources and symbols of measurement uncertainty

    序号来源符号
    1重复性测量引起的不确定度u1
    2声压级测量点距声源辐射面的距离
    误差引起的不确定度
    u2
    3水平偏移距离引起的不确定度u3
    4声压级测量系统引入的不确定度u4
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    表  7  合成标准不确定度

    Table  7.   Combined standard uncertainty

    频率/kHz合成标准不确定度/dB
    3.152.45
    42.08
    6.30.93
    81.09
    101.55
    12.50.98
    161.16
    201.38
    250.93
    31.50.93
    401.31
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-02
  • 录用日期:  2023-12-05
  • 修回日期:  2023-12-11
  • 网络出版日期:  2023-12-16

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