内嵌式滤波器级线性检定中存在的问题及测量不确定度评定

2021-07-09魏伟力

品牌与标准化 2021年2期

关键词：测量不确定度

【摘要】对JJG 449-2014中的内嵌式滤波器级线性检定中存在的问题进行了分析，给出了解决方法，对级线性测量结果进行了不确定度评定，旨在更好的理解规程中的检定内容，使内嵌式滤波器的检定过程更严谨。

【关键词】内嵌式滤波器;级线性;相对衰减;测量不确定度

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.02.021

Problems in Level Linearity Verification of Embedded Filter and Evaluation of Measurement Uncertainty

WEI Wei-li

（Liaoning Institute of Measurement，Shenyang 110004，China））

Abstract： This paper analyzes the problems existing in the level linearity verification of embedded filter in JJG 449-2014，gives the solutions，and evaluates the uncertainty of the level linearity measurement results，so as to better understand the verification content in the regulation and make the verification process of the embedded filter more rigorous.

Key words： embedded filter;level linearity;relative attenuation;uncertainty of measurement

1 概述

倍頻程和分数倍频程滤波器（以下简称滤波器）广泛应用于声学测量领域，是一种可提供信号频带滤波谱信息的设备。滤波器可以是单独的仪器，也可以是测量系统中的一个组件或测量仪器中的一个功能。常见的多功能声级计中经常内嵌滤波器等频谱分析模块，便于频域下的数据采集和测量分析，这类滤波器可称为内嵌式滤波器。

2 级线性

级线性是滤波器计量性能的重要评判参量，级线性误差反应了滤波器在大动态范围内保持衰减特性不变的能力。JJG 449-2014中的7.3.4对级线性检定方法进行了详细描述，按照级线性误差[ΔLl]的物理定义，规程所设计的测量方法是通过直接测量带通滤波器在其线性工作范围内，对应于参考输入信号级时的输出信号级和精密衰减器的衰减改变量的标称值得到期望输出级，输出信号的级实测值与期望输出级之差就是级线性误差[ΔLl]。级线性误差[ΔLl]的计算公式为：

[ΔLl=Lout，m-（Lout，r-AΔ）] （1）

式中：[ΔLl]——级线性误差，dB;

[Lout，m]——输出信号级的测得值，dB;

[Lout，r]——对应于参考输入信号级时的输出信号级，dB;

[AΔ]——精密衰减器的衰减改变量的标称值，dB。

规程中给出的级线性检定方法主要适用于独立的滤波器的检定，对内嵌式滤波器进行级线性检定时，需注意以下问题。

1）应考虑参考衰减对测量结果的影响。根据JJG 449-2014中对相对衰减的描述，公式（1）应修改为：

[ΔLl=Lout，m-（Lout，r-AΔ）-Aref] （2）

其中[Aref]为滤波器的参考衰减。根据规程，参考衰减通常由制造者给出，且对于绝大多数滤波器参考衰减通常为0dB。对于独立仪器的滤波器而言，测试信号直接进入滤波器内部，参考衰减并未对测量结果产生实质影响，可以不予考虑。但对内嵌于声级计内部的内嵌式滤波器进行校准时，由于在测量环中信号发生器产生的测试信号先经过适配器、再经过前置放大器之后才进入内嵌式滤波器内部，且内嵌式滤波器输出信号级只能通过声级计示值读取。此时适配器和声级计前置放大器的传输损失等都会对相对衰减的计算产生影响，形成一定量的系统性偏差。因此应消除以上参考衰减对测量结果的影响，使测量更真实准确。

2）应通过通道灵敏度级的调整平衡适配器和声级计前置放大器等引入的系统偏差。在对内嵌式滤波器级线性检定之前，应对声级计通道灵敏度和用于输入信号级测量的标准数字多用表或等效的声学分析仪测量通道的灵敏度进行调整。为更好的复现被检内嵌式滤波器在声级计佩戴自由场传声器时测量回路的电信号工况，本文通过调整声学分析仪（型号为B&K3560B）的通道灵敏度设置，实现系统偏差的平衡（如表1）。

3 测量不确定度评定

3.1 数学模型

级线性测量不确定度的数学模型，可按公式（2）进行计算。

3.2 方差与灵敏系数

由于[Lout，m]、[Lout，r]、[AΔ]和[Aref]互不相关，其合成方差为：

[u2c（ΔLl）=c2（Lout，m）u2（Lout，m）+c2（Lout，r）u2（Lout，r）+c2（AΔ）u2（AΔ）+c2（Aref）u2（Aref）]

式中，各灵敏度系数分别为：

[c（Lout，m）=（ΔLI）（Lout，m）=1];[c（Lout，r）=（ΔLl）（Lout，r）=-1];

[c（AΔ）=（ΔLl）（AΔ）=1];[c（Aref）=（ΔLl）（Aref）=-1]。

3.3 标准不确定度的评定

3.3.1 测量重复性引入的标准不确定度分量[u（Lout，m）]

A类评定：在相同测量条件下对滤波器中标称中心频率为1000 Hz的1/3倍频程滤波器，在上边界以下15 dB处重复测量10次，测量结果分别为0.00 dB、-0.01 dB、0.00 dB、0.01 dB、0.00 dB、-0.01 dB、-0.02 dB、0.01 dB、0.01 dB、0.00 dB。平均值為0.00 dB，标准偏差为0.0099 dB。

实际检定过程中进行1次测量，则滤波器测量重复性引入的不确定度[u（Lout，m）]可用单次实验标准偏差代替：

[u（Lout，m）=s（ΔLl）=0.0099] dB

3.3.2 正弦信号发生器引入的标准不确定度分量[u1（Lout，r）]

标准不确定度的B类评定。正弦信号发生器在检定期间的输出信号幅值漂移不超过±0.02 dB，其引入的标准不确定度按均匀分布估计，包含因子k=[3]，故得：

[u1（Lout，r）=0.02 dB/3=0.012 dB]

3.3.3 频率计引入的标准不确定度分量[u2（Lout，r）]

因正弦信号发生器的输出信号频率是通过频率计来指示调节的，而滤波器的衰减与频率有关，故频率计由于时基信号不准与计数不准将给滤波器引入输入误差。由于频率计在所需检定频率范围内的最大允许误差不超过±0.01%，在衰减曲线最为陡峭处带来的不确定度估计为0.002 dB，其引入的标准不确定度按均匀分布估计，包含因子k=[3]，故得：

[u2（Lout，r）=0.002 dB/3=0.0012 dB]

3.3.4 交流电压表引入的标准不确定度分量[u3（Lout，r）]

交流电压表最大允许误差优于±0.2%（约为0.017 dB），其引入的标准不确定度按均匀分布，包含因子k=[3]，故得：

[u3（Lout，r）=0.017 dB/3=0.010 dB]

3.3.5 精密衰减器引入的标准不确定度[u（AΔ）]

精密衰减器衰减30 dB改变量的误差不超过±0.10 dB，由此引入的标准不确定度按均匀分布估计，包含因子k=[3]，得：

[u（AΔ）=0.10 dB/3=0.058 dB]

3.3.6 参考衰减及匹配性引入的标准不确定度[u（Aref）]

假设为均匀分布，取不确定度区间半宽为0.005 dB，，包含因子k=[3]，故得：

[u（Aref）=0.058 dB/3=0.0029 dB]

3.3.7 数值修约引入的标准不确定度[u（L）]

要求报告的数据修约至0.1 dB，则不确定度区间半宽为0.05 dB，设为均匀分布，包含因子k=[3]，故得：