国际水声传感器校准关键比对研究（CCAUV.W-K2）最终报告解读

主要作者与机构
本报告由英国国家物理实验室（NPL）的Stephen P. Robinson、Peter M. Harris、Ben Ford和Justin Ablitt主导，联合中国杭州应用声学研究所（HAARI）、土耳其TÜBİTAK-MAM、俄罗斯VNIIFTRI、巴西INMETRO、美国USRD、南非NMISA及印度NIOT等机构的学者共同完成。报告于2022年10月发布，是国际计量局（CIPM）声学、超声与振动咨询委员会（CCAUV）组织的关键比对项目CCAUV.W-K2的最终成果。

学术背景与研究目标
1. 科学领域：研究属于水声计量学（Underwater Acoustics Metrology），聚焦水听器（hydrophone）的自由场灵敏度校准（free-field receive sensitivity calibration）。
2. 研究背景：
- 水听器是水下声学测量的核心传感器，其校准精度直接影响海洋勘探、军事声呐等领域的可靠性。
- 前序国际比对CCAUV.W-K1（2005年完成）仅覆盖1 kHz–500 kHz频段，而低频（<1 kHz）和高频（>500 kHz）的校准需求日益增长。
- 不同国家计量机构（NMI）的校准结果存在差异，需通过标准化比对验证方法一致性。
3. 研究目标：
- 扩展校准频段至250 Hz–500 kHz（较K1低频延伸2个八度）；
- 评估参与机构在宽频段内的校准能力；
- 分析温度、时间漂移等因素对水听器性能的影响。

研究流程与方法
1. 实验设计：
- 比对方案：采用“环形比对”（round-robin），由NPL作为主导实验室，传递两台水听器（B&K8104：250 Hz–120 kHz；Reson TC4034：100 kHz–500 kHz）至7个参与机构。
- 校准参数：测量端缆开路自由场接收灵敏度（end-of-cable open-circuit free-field receive sensitivity），覆盖102个离散频率点。

1. 校准方法：

   • 核心方法：三传感器球面波互易法（three-transducer spherical-wave reciprocity），遵循IEC 60565:2006标准。
     
   • 关键步骤：
     
     • 设备安装：使用统一设计的碳纤维支架（carbon-fibre pole）固定水听器，确保悬挂方向与标记对齐。
       
     • 信号处理：采用离散频率猝发信号（tone-burst）结合时间选通（time-gating）消除反射干扰。
       
     • 重复性验证：每组校准重复4次，每次重新安装水听器以评估随机误差。
       

2. 环境控制：

   • 水温要求17–21°C（实际范围17.7–31.5°C），深度<10 m。
     
   • 部分机构因设施限制未能覆盖全频段（如INMETRO仅校准B&K8104）。
     

3. 数据分析：

   • 关键比对参考值（KCRV）：基于加权均值计算，考虑各机构的不确定度权重。
     
   • 等效度（DoE）：评估各结果与KCRV的一致性，识别离群数据。
     

主要结果
1. 频段一致性：
- 高频段（100–500 kHz）：TC4034水听器结果高度一致，仅NMISA在100–230 kHz的数据因系统误差被剔除。
- 低频段（250 Hz–60 kHz）：B&K8104结果吻合良好，但60–100 kHz频段出现显著分散（3家机构数据偏离）。

1. 影响因素分析：

   • 温度效应：TC4034在300–500 kHz（接近谐振频率）的灵敏度受温度影响显著，校正后NIOT（客座参与机构）数据改善。
     
   • 时间漂移：NPL的多次校准显示TC4034在>300 kHz时存在灵敏度缓慢下降，通过漂移校正进一步提升一致性。
     

2. 不确定度评估：

   • 各机构标准不确定度（k=1）范围为1.2%–9.4%，主要贡献来自距离测量误差、非互易性及环境干扰。
     

结论与价值
1. 科学意义：
- 首次实现250 Hz–500 kHz宽频段水听器国际比对，验证了球面波互易法在低频的适用性。
- 揭示了水听器在谐振频率附近的温度敏感性，为后续校准协议修订提供依据。

1. 应用价值：
   
   • 为各国计量机构建立可追溯的校准能力提供参考，支撑海洋声学设备的标准化。
     
   • 针对60–100 kHz频段的差异，建议后续使用替代水听器（如TC4033）进行补充比对。
     

研究亮点
- 技术创新：扩展低频校准至250 Hz，填补国际空白。
- 方法严谨性：通过统一支架、温度校正和漂移模型，系统性控制变量。
- 国际合作：涵盖全球主要计量机构，数据公开透明（DOI: 10.47120/npl.ac20）。

其他补充
报告附录包含详细的参与者校准条件（如水温、深度）、不确定度预算模板（Annex G）及NIOT的客座数据（Annex B），可供后续研究直接引用。