一线走访|加大计量科技创新力度,中国计量院服务国家重大战略需求

央广网北京11月18日消息(记者 邵蓝洁)一秒有多长?中国的标准时间如何确定?如何把人为噪音和自然噪音通过数据化进行识别?新型号的汽车上市前为何必须通过电磁兼容检测?

近日,记者走访了中国计量科学研究院(以下简称中国计量院)昌平院区,昌平院区现有实验室400余间,拥有一批具备隔震、恒温、恒湿、洁净、屏蔽等实验环境条件的高精密测量实验室。运行至今,中国计量院为国家科技创新、战略性新兴产业、民生计量以及计量科技前沿探索等提供了有力支撑。

“4600万年不差一秒”

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中国计量院时频中心工程师杨东方介绍原子时标基准(央广网记者 邵蓝洁 摄)

“秒长是目前所有计量单位中精度最高的一个物理量,现在能达到10的负16次方的量级,我们做的就是‘一秒有多长’的秒长基准。”中国计量院时间频率计量中心(以下简称“中国计量院时频中心”)工程师杨东方介绍,1967年,第十三届国际计量大会通过决议,将基本时间单位“秒”的长度定义为无干扰的铯133原子在其基态的两个超精细子能级间跃迁9192631770次所持续的时间。

据了解,国际原子时(TAI)以铯原子秒长为基本时间单位,在1958年1月1日0时与世界时(UT)对齐,作为其时间起点。目前,全球80多个守时实验室的400多台商品原子钟参与国际原子时计算,仅有少数国家,包括美、俄、中、法、德、日等国铯喷泉原子钟获准驾驭国际原子时。

2014年,中国计量院研制的铯原子喷泉钟NIM5,作为秒长国家基准,成为国家时间频率量值的源头。同年通过国际计量局评审参与驾驭国际原子时,使得中国在国际原子时合作中拥有了“话语权”和表决权。目前,其不确定度相当于“4600万年不差一秒”。

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中国计量院时频中心副研究员刘昆介绍铯喷泉原子钟(央广网记者 邵蓝洁 摄)

“我们把这时间做得这么准,并不仅为了大家日常看表计时使用,时间最重要的用途是卫星导航系统。光速是一个恒定的值,速度乘以时间等于距离。如果把时间做得很准的话,定位精度就非常准。”中国计量院时频中心副研究员刘昆透露,“要想把这个时间测得更准,钟跃迁的频率要向更高频方向迈进,为了瞄准下一代秒定义的变换,我们计量院包括国内好多科研单位都在做光钟。”他介绍,光钟钟跃迁频率从喷泉钟GHz变为THz,上升了几个量级,未来将成为新一代的秒长基准。

“世界上最安静的地方”

初次走进消声室,大部分人都觉察到耳朵正在经历一些异常。“人类感知声音的下限是20微帕,以其为参考值,对应的声压级是0分贝,0分贝并不是完全没有声音,而是指声音的强度低到人耳刚刚能够感知的程度。在消声室里,鼓膜压力失衡导致耳闷,因为没有反射、背景噪声也太低,甚至可以听到肠胃蠕动的声音。”中国计量院力学与声学所(简称中国计量院力声所)副研究员牛锋介绍。

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中国计量院力声所副研究员牛锋介绍消声室的功能(央广网记者 邵蓝洁 摄)

中国计量院的消声室的净空尺寸为14.0m×11.4m×8.8m,低频截止频率为40Hz,A计权背景噪声低至-2.4dB。据牛锋介绍,消声室的设计需要隔声、隔振、吸声,是“世界上最安静的地方”。

全消声室一般用于声学计量仪器的型式评价试验,剧场使用的线性声源阵列的指向性测量,各个厂家生产的所谓“静音”或者“超静音”设备的测试,通常标称30dB以下的仪器设备都需要在这样的环境中测试。用于小型仪器设备的噪声辐射检测会比较多一些。在消声室里,研究人员还可以用自由场比较法,对传声器(麦克风)的自由场灵敏度和频率响应进行校准。

如何对各种声音进行判断和校准,不仅是相关硬件设备监测面临的问题,也是关乎生活幸福度的问题。2022年6月25日起,《噪声污染防治法》实施,其中明确提出,加快推进环境噪声自动化监测,构建声环境质量监测网络。“人为的噪声才叫噪声,虫鸣、鸟叫、风声、雨声不叫噪声,这时候就需要对自然噪声进行声纹识别。”牛锋表示,环境噪声自动检测数据直接入网,噪声源特征的提取与识别将是一个极大的挑战。

“电磁兼容是一个重要的指标”

“这是10米法半电波暗室,相比其他实验室,10米法半电波暗室显得更为高大宽敞。”中国计量院信电所工程师王少华介绍,这间实验室23米长,19米宽,9.7米高,配备了直径2米的小转台和直径6.5米的大转台。

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10米法半电波暗室对汽车进行电磁兼容试验 央广网记者 邵蓝洁 摄

电波暗室是电磁兼容测试和天线测试的主要场地。电波暗室的主要作用有两个,一是屏蔽外界电磁波,二是消除电磁波反射。据介绍,暗室的外壳是一个由金属板封闭起来的六面体,用于屏蔽外部的电磁波干扰进入到暗室内部,避免影响暗室里面的实验。其次,暗室的墙壁和房顶贴了高性能电磁波吸波材料,用于吸收电磁波消除反射。地面使用导电地板、不覆盖吸波材料的暗室,叫做半电波暗室。

“汽车作为一台大型的电子设备,具备多种功能,尤其是新能源汽车,配备了多种传感器,像雷达、摄像头、麦克风等,智能化程度越来越高,集成的电子元器件越来越多。如果汽车的抗电磁干扰能力不足,车辆在行驶过程中也会受到其他的电磁干扰,可能导致控制功能故障或其他功能失效,存在极大的安全隐患。因此,电磁兼容成为产品设计中需要考虑的关键一环,电磁兼容也成为了一个重要的评价指标。”王少华介绍,“在辐射发射测试时,汽车处于行驶状态或静止状态,雨刷、转向灯、空调等功能都打开。使用接收天线在距离汽车10米的位置接收汽车发射的电磁波,使用接收机在控制室测量,检测汽车的辐射发射是否满足标准要求;在辐射抗干扰测试时,通过大功率发射天线向汽车辐射强电磁场,检测汽车的功能是否因干扰而失效。”

“一方面,要检测电子设备向外辐射的电磁波是否超过国家标准规定的限值;另一方面,向被测电子设备辐射强电磁场,检测设备抗电磁干扰的能力。”王少华表示,除了汽车整车,工业、科学、医疗设备、信息技术设备、汽车零部件等都可以在该实验室进行电磁兼容试验,以及计量器具型式评价试验(电磁兼容部分)。