国家标准 GB/T31014一2014 声学水声目标强度测量实验室方法 Aeousties一Laboratory methodsofunderwatertargetstrengthmeasurement 2014-09-03发布 2015-02-01实施国家质量监督检监检疫总局发布国家标准花管理委员会国家标准
GB/T31014一2014 前言本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由科学院提出本标准由全国声学标准化技术委员会(SAC/Tc17)归口本标雅的起草单位;船舶重工集团公司第七一五研究所、科学院声学研究所本标准主要起草人:易燕,祖峰磊、赵洪,李水,袁丰华,莫喜平
GB/T31014一2014 声学水声目标强度测量实验室方法范围本标准规定了实验室测量水声目标强度的测量装置,测量条件,测量步骤本标准适用于频率在1kIHz~500kHHz范围的水声目标强度的实验室测量注:大型水声目标的目标强度采用缩比模型测量,参见附录A 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 GB/T3947一1996声学名词术语术语和定义 GB/T3947一1996界定的以及下列术语和定义适用于本文件 3.1 散射 [acoustic]scattering 声波朝任意方向的不规则反射、折射或衍射注与人射波相反方向上的散射声波称为散射回波或反向散射声波 3.2 目标强度targetstrength;Is 距离目标等效声中心1m处的反向散射声强级与人射平面波声强级的差值注:声强级只限于自由行波的条件,此时声强级与声压级相等,否则只有声压级能直接测量 [GB/T39471996,定义7.33 3.3 scalemodel 缩比模型将目标按一定比例缩小后制成的模型 4 符号下列符号适用于本文件 -线性调频脉冲信号幅值,单位为伏(V) -缩比模型在垂直于人射波方向的投影面内的最大线度,单位为米(m) C 发射换能器辐射面的最大线度,单位为米(m); l1 水听器的最大线度,单位为米(m). 2 目标在垂直于人射波方向的投影面内的最大线度,单位为米(m); 3 目标在声轴方向的投影面内的最大线度,单位为米(m); 水媒质中的声速,单位为米每秒(m/s);
GB/I31014一2014 -测量频率,单位为赫兹(Hz); -测量频率范围的下限,单位为赫兹(Hz); fL -测量频率范围子段的下限,单位为赫兹(Hz); 缩比模型的测量频率,单位为赫兹(Hz); -测量频率范围的上限,单位为赫兹(Hz); 几 -测量频率范围子段的上眼.单位为赫兹(Ha2) /u 人射声波在目标有效声中心处的声强值,单位为瓦每平方米(w/m'); 目标散射回波在距离目标有效声中心厂处的声强值,单位为瓦每平方米(w/mP): K -缩比模型的缩小比例; 稳态波周期数; K 波数; 发射换能器到目标声中心的距离,单位为米(m); 实验室水池长度,单位为米(m); -时域信号采样点序号; 人射波和目标散射回波叠加声压信号,单位为帕斯卡(Pa); p 人射波声压信号,单位为帕斯卡(Pa). 线性调频脉冲信号,单位为伏(). 目标散精回被向压信号,单位为帕斯卡(PD Q -换能器的品质因数; 目标声中心到水听器的距离,单位为米(m); Ts 目标的目标强度,单位为分贝(B7 Ts 缩比模型的目标强度,单位为分贝(dB); 时间,单位为秒(s); 与测量频率相对应的水媒质中声波波长,单位为米(nm); 发射换能器-3dB波束宽度,单位为弧度(rad); -3B 脉冲宽度,单位为秒(s); 线性调频脉冲信号宽度,单位为秒(s) A 测量装置测量装置组成如图1所示此装置由电子测量设备、吊放装置,发射换能器和水听器组成电子测量设备由信号发生器,功率放大器、前置放大器、带通滤波器、信号采集器和控制系统组成控制系统通过总线控制数字仪器和吊放装置,完成信号采集,记录和分析,最终计算得到测量结果
GB/T31014一2014 总线同步脉冲信号发生器计算机带通滤波器功率放大器信号采集器前置放大器水面吊放装置固定装置吊放装置被测目测水听器声轴发射换能器消由水图1测量装置组成框图测量条件 6.1测量频率实验室水池中测量水声目标强度,要求测量在自由场远场条件下进行,要求目标和水听器应处于发射换能器的远场,即同时符合式(1)和式(2)规定的条件 a?十a” 三 a2十a 一r习水听器应处于目标散射回波的远场,即符合式(3)规定的条件 a“十a 可得发射换能器到目标声中心的距离L应符合式(4): a2十2a十a 测试应避免池壁干扰信号,要求脉冲宽度满足式(5); 此外,脉冲宽度还与换能器的品质因数Q值和稳态波周期数K有关,要求脉宽满足式(6). Q十K 6 由式(4),式(5),式(6),计算可得实验室水池中测量水声目标强度的测量频率上限/ 和测量频率下限h,见式(7)和式(s)
GB/I31014一2014 [L'十/LQ干Ka干2干a下] ** fu (a千2aa (8 [L'一、I一4Q十Ka十2a十a n (a+2a十a5 6.2信号要求实验室方法测量水声目标强度,可选择单频脉冲法和宽带脉冲法等脉冲测量技术单频脉冲法按测量频率逐点进行测量,测量信号中至少包含3个周期的稳态波单频脉冲法具有较好的信噪比,准确性较好本标准推荐优先采用单频脉冲法宽带脉冲法可实现宽频段测量,测量效率较高根据发射系统频率响应特性和信噪比情况对测量频率范围[fL,f]进行分段,对于各频率范围子段[f,fe],按频率范围和脉冲信号宽度设计宽带脉冲信号,线性调频信号按式(9)计算: JU )=Asin[2T(f /十 ')]，0<1< j 2A 发射信号应符合下列要求: a)调整发射信号幅值,使人射声波信号的测量信噪比不小于20dB; b)如测量中有池壁和水面反射声波干扰,应控制发射脉冲信号宽度,使干扰声波与测量的人射声波、散射回波在时域上无重叠; 发射信号应能覆盖目标,即控制发射脉冲信号宽度,符合r>a/e 的条件; c d)脉冲发射间隔应不小于实验室水池中混响时间长度的1.5倍 6.3声场条件测量用声场应符合下列条件 a)在测量频率范围内水媒质的声传播损耗可以忽略 b应符合自由场或等效自由场条件测量中干扰声波对测量的影响可避免或剔除,即水听器接收的人射声波、散射回波时域信号与干扰声波时域信号无重叠推荐使用消声水池和具有指向性的发射换能器,并采用脉冲测量技术实现等效自由场条件发射换能器、水听器、目标的有效声中心应布置在同一声轴线上 c 注:一般取目标几何中心,特殊情况下,可用目标强度最大的位置作为有效声中心 d)目标和水听器应处于发射换能器的远场中,使人射到目标和水听器上的声波等效于平面波;水听器应处于目标散射回波的远场中,使人射到水听器上的散射回波等效于平面波同时应保证人射声波波束主瓣能够覆盖整个目标,测量装置布置应满足式(1),式(2),式(3)和式(10)的要求 L0-3d出a l0) 需要对测试声场的背景噪声进行测量 e 6.4电子测量设备要求电子测量设备应符合下列要求 a)带通滤波器用于过滤低频电源噪声和高于两倍测量频率的信号 b 功率放大器和发射换能器在工作频带内应有较好的阻抗匹配,2h内信号幅值波动应不超过士1%; 电子测量设备的测量信噪比应不小于20dB
GB/T31014一2014 6.5吊放回转装置要求实验室水池测量平台上的吊放回转装置应符合下列要求 a)发射换能器的吊放装置应具有使发射换能器旋转和升降平移功能,用于调节发射换能器位置和辐射主瓣方向,使其符合6.3规定的声场有关设备布置要求; b)被测目标的吊放装置应具有使目标旋转和升降平移功能,用于调整目标的放置姿态,使其符合人射角度的要求 6.6发射换能器和水听器要求发射换能器 6.6.1 测量用发射换能器应符合下列要求 a)测量频率范围内,发送电压响应级应不小于120dB(基准值:lAPa/V); 测屋银半范M内,指间性开角要覆盖目标,即符合式O的规定 b e)应具有良好的时间、温度稳定性 2h内信号幅值波动应不超过士1% 6.6.2水听器水听器应符合下列要求 a)测量频率范围内,接收灵敏度级应不小于一210dB(基准值;1V/aPa)1 b测量频率范围内,水平方向指向性图与理想的全向指向性图的偏差应不大于士2dB; 水听器及其夹具对测量声场造成的干扰可忽略,水听器表面金属部分尽可能少,建议使用与水媒质阻抗匹配的材料制成的细杆支架和水听器夹具; dD 应具有良好的时间、温度稳定性目标要求目标应符合下列要求 a 目标在垂直于人射波方向的投影面内的最大线度应符合式(11)的规定,否则建议采用缩比模型法进行水声目标强度测量 2rc, 11 -a 一2a a3 b)目标的夹具对测量声场造成的干扰可忽略,建议使用与水媒质阻抗匹配的材料制成,或者用有效的吸声材料对夹具表面进行包裹放置姿态应使声波以指定人射角人射到目标测量方法 7.1概述如图1所示,在实验室水池中使用发射换能器发射声波(人射声波),人射到目标后产生散射声波使用水听器接收人射声波和散射回波通过距离修正将测得的人射声压值折算到目标声中心处的声强值,将测得的散射回波声压值按球面波折算到距离目标声中心1m处的声强值,然后根据目标强度的定义,按式(12)求得目标在当前人射方向和测量频率下的目标强度值 I，| .(12 Ts=10lg
GB/I31014一2014 7.2测量方法在自由场远场条件下,声强值可用能够直接测量的声压值折合1m处声压计算,则目标强度值按式(13)计算 Ts=20lg 13 当人射声波信号和散射回波信号在时域上存在叠加时,散射回波信号，不能直接获取可在目标放人声场前后(保持测量装置状态和声场条件不变)两种测量状态下,分别采集人射声波信号p,(n) 及人射声波、散射回波叠加信号.(n),p.(n)与(n)时域相减即得,(n):力,(n)=.(n)一p(n) 对时域信号做傅立叶分析处理,得到人射信号频谱()及回波信号频谱/.,( 对频谱信号进行球面这修菲.人射信号折算到目标声中心处;n( ,散射回波信号折算到距离目标声中心 1m处:.(f r,可按式(14)求得目标强度值 Ts()=2olg 14 测量步骤测量流程如图2所示准备工作脉冲信号设计发单频颜段脉冲目标未放入，采集直达信号布放目标至指定位置布放目标至指定角度采集散射回波信号目标强度计算新的测量角度？新的测量位置? 新频率段无测量结束图2测量程序流程图
GB/T31014一2014 测量步骤如下: a 目标准备;目标表面擦拭干净,放在水中浸泡,使其表面充分浸润,温度达到平衡后方可测量记录目标形状,尺寸,重量等基本信息 b发射换能器和水听器准备:清洗发射换能器和水听器表面,并充分浸泡测量仪器准备开启装置电子测量设备,预热0.5h d)声场有关设备布置;将发射换能器,水听器按图1所示布放,应符合6.3的要求记录实验室水池中水媒质温度、测量水深或静水压脉冲信号设计:目标未放人声场时,发射短脉冲信号,根据水听器接收的时域脉冲序列分析干扰声波的到达时间,实验室水池的混响时间根据6.2的要求,确定测量信号的脉冲宽度和脉冲发射间隔,并记录根据实际情况,设计单频脉冲信号或者宽带脉冲信号目标未放人声场时,发射某一频率(频段)脉冲信号,测量人射波信号控制触发信号同步多次 ,采集平均后记录信号/(n) 8次以上为宜. 将目标按图1所示放人声场,应符合6.3的要求目标布放前后应保持测量装置状态和声场 h 条件不变调整目标的放置姿态,使其符合指定人射角要求 i 发射同一频率(频段)脉冲信号,若人射波与散射回波声信号时域无叠加,则直接测量样品散射回 jD 波,同步多次(s次以上为宜),采集平均后记录信号).() 否则,测人射被.散射回被叠加声信号,同步多次采集平均后记录倍号声.Cw)得到样品散射回被倍号声.(n)一A.(w)一A(n 对信号p(n)和,(n)进行傅立叶分析,获得频谱()和声,(),按式(13)计算该频率(频段)处的目标强度Ts(f 调整目标到下一个测量角度,重复i)k)过程,直到完成该频率(频段)该位置目标所有测量角度的目标强度的测量工作 m调整目标到下一个测量位置,重复h))过程,直到完成该频率(频段),目标所有测量位置和所有测量角度的目标强度的测量工作 n将目标拉出水面,发射下一频率(频段)脉冲信号,重复g)m)过程,直到完成所有频率(频段目标所有位置,所有测量角度下的目标强度的测量工作测量不确定度采用本标准规定的方法,水声目标强度测量不确定度应按附录B测定
GB/I31014一2014 附录A 资料性附录水声目标缩比模型法在水声目标强度测量中的应用 A.1概述当实验室条件难以满足大型目标测量要求时,可以采用缩比模型的方法进行实验室水声目标强度测量缩比模型法是依据空间-波数等效原理,减小样品尺寸,提高频率,以满足实验室条件的测量方法空间-波数等效原理可以作以下概述:当材料参数随频率的变化可忽略时,目标的声学特性仅与无量纲尺寸ka有关,其中卜是波数,a是目标特性中所涉及的各种空间尺寸以及空间坐标因此,可以用不同频率、空间尺寸的缩比模型目标特性在ka相等的条件下模拟大型目标的声学特性下文中,未特别指明时,目标是指缩比模型,相应的各尺寸也是缩比模型的尺寸,频率是指对缩比模型的测量频率 A.2测量原理当目标为大型水声目标或在垂直于人射波方向的投影面内的最大线度不符合规定时,建议采用缩比模型法进行目标强度测量缩比模型法是根据声学中的空间波数等效原理,利用目标的缩比模型代替目标进行测量根据相似性准则,缩比模型尺寸为目标除以模型缩小比例,缩比模型测量频率为目标测量频率乘以模型缩小比例.见式(A.1)和式(A.2): a3 A.1 m A.2 fw=/ Kn 按式(A.3)求得缩比模型目标强度 TS.(f.)=20lg I- (A.3 则目标在待测频率处的目标强度值按式(A.4)计算 (A.4 Ts(f)=TSf 在实验室水池中进行测量,要求缩比模型在垂直于人射波方向的投影面内的最大线度应符合式 A.5)的规定 2rCw (A.5 2a a 根据式(A.1)、式(A.2),可得缩比模型缩小比例K 的要求,见式(A.6) A.6) 2a2 l1 缩比模型的一般要求缩比模型应符合下列要求
GB/T31014一2014 在测量频率范围包括原始待测目标待测频率范围和缩比模型测量频率范围)内,对声散射有影响的各部分材料,要求其声参数变化可忽略;缩比模型的各个部分应使用与原始目标各个部分相同的材料制成; b)缩比模型在垂直于人射波方向的投影面内的最大线度应符合式(A.5)的规定缩比模型的放置姿态应使得声波以指定人射角人射缩比模型; 缩比模型的夹具对测量声场造成的干扰可忽略,建议使用与水媒质阻抗匹配的材料制成,或者 d 用有效的吸声材料对夹具表面进行包裹
GB/I31014一2014 B 附录规范性附录实验室方法测量水声目标强度的测量不确定度估算及实例 B.1概述测量不确定度是表征合理赋予被测量的值的分散性、与测量结果相关联的参数本附录提供了用实验室方法测量水声目标强度的测量不确定度的估算方法,并给出了具体实例实例参数及数据取自某次101mm不锈钢实心球样品测试 B.2数学模型实验室中进行水声目标强度测量,用信号采集仪分别采集得到放人被测目标前后人射声波信号,散射回波信号p,()、p,(),进行傅立叶变换(DFT),距离修正后由式(B.1)计算得到被测目标的目标强度Ts DFT(p,()) Ts()=20lg B.1 DFT(p(e 对于特定频率,式(B.1)可写成 s-a叫告" B,2) 因被测量为间接测量量,所以采用不确定度传递公式计算其合成标准不确定度式(B.2)中各直接测量量都相互独立,互不相关,不确定度传递公式可简化为式(B.3) 7TS u.(TS)= u(r (B.3 l(p,)+ u(p))+ ui(L)+ L N p 其中 7Ts 8.686 7 aTS8.686 a aTS 8.686× - 7TSs +) =8.686X a B.3标准不确定度的A类评定 A类标准不确定度主要来源于测量的重复性,在相同测量条件下对直接测量量进行重复6次测量. 典型频率/处的测量结果为r,(i=1 ,6 典型频率处的6次测量结果平均值见式(B.4) 了斗 B.4 A类标准不确定度分量ux(r),即单次测量的标准偏差(实验标准偏差,)见式(B.5) 10
GB/T31014一2014 斗- B.5 r°" uAr)=s，= 以某次中101mm不锈钢实心球测试为例,典型频率=300kHa.卢和p，的0次测试数据及实验标准偏差结果见表B.1和表B.2 测试时,保持发射换能器到实心球中心距离L=6.97m,实心球中心到水听器距离尸=1.39m 计算可得不确定度传递公式各灵敏度系数 aTs 8.686 -0.138dB/V ap p 7Ts8.686 =5.088dB/V p ， TS =8.686X (- 0.310dB/m 元 7TS =8.686× - =7.806dB/m 各直接测量量的A类标准不确定度分别为: u(p))=0.336V uAp,)=0.158V IL=0.000m uA(r)=0.000m 表B.1典型频率p的测量数据及实验标准偏差 f/kHz 1/V pe/八V /V p/N ps/V n/八V s/V b/V 300 62.650 62.71o 62.360 62.830 63.070 63.320 62.823 0.336 表B.2典型频率p，的测量数据及实验标准偏差 p/V f/kHz p/V e/V pa/V ;/V pe/V /八y s/八V p， 300 1.730 1.580 1.490 1.680 1.880 1.880 l.707 0.158 B.4标准不确定度的B类评定直接测量量的标准不确定度B类评定是借助于一切可利用的有关信息进行科学判断,确定估计的标准偏差通常是根据有关信息或经验,判断直接测量量r的可能值区间(一a,a),假设其概率分布，根据概率分布和要求的置信水平估计置信因子k,,则直接测量量r的B类不确定度uw(z)见式(B.6): B.6) ug(.r)=a/k，实验室方法测量水声目标强度,引人的不确定度分量主要有: 数字示波器的量化误差测量选用的示波器最大量程为50V,模/数转换器为8bits,量化误差均匀分布在最低有效位的(一1/2，1/2) 所以,半区间a= ×2=0.l56×10-了V o p 元和p，测试时会引人该分量 ia(A)=“a(p)=u/,厅 =0.000V b)离散傅立叶变换(DFT)处理引人的测量不确定度测量中,在对某一测量频率f的脉冲信号 1
GB/I31014一2014 要求整周期采样分析,设计采样率为.,采样点数为N,则DFT频率分辨率为--,测量频率应该为;/=MAf.,MGB/T31014一2014 则典型频率处各直接测量量的合成标准不确定度分别为 u.(p)=、upu=2.104V u.p,)=/uup,=0.223V u.(L)=/au=0.006m u.(r=/w=0.006m 由式(B.3)可计算得典型频率300klHz处,目标强度测量的合成标准不确定度为 u.(TS)=1.172dB B.6扩展不确定度取包含因子人，=2(置信水平95%),则测量的扩展不确定度见式(B.8): =knu (B.8 计算可得本实例典型频率300kHz处,目标强度测量的扩展不确定度为: U=2.24dB 13
GB/I31014一2014 参考文献 [1]GB/T5266一2006声学水声材料纵波声速和衰减系数的测量脉冲管法 [2 GB/T143692011声学水声材料样品插人损失,回声降低和吸声系数的测量方法 C3幻]GB5287一200!舰艇实艇声目标强度测量方法 [[]R.J.乌立克.工程水声原理.北京国防工业出版社,1972. [幻]汪德昭,尚尔昌.水声学.北京;科学出版社,1981. []叶德培.测量不确定度.国防工业出版社,1996 [7]马大献,沈壕声学手册.北京科学出版社,2004 14

声学水声目标强度测量实验室方法 GB/T31014-2014

声学水声目标强度测量是一项广泛用于声学和水声领域的技术，可以对物体在声波或水中所散发的能量进行测量。这项技术也被广泛应用于海洋工程、水声通信、声纳探测等领域中。

为了规范这项技术，中国国家标准化委员会发布了《声学水声目标强度测量实验室方法GB/T31014-2014》标准。该标准主要涉及目标强度测量仪器的选型、实验室环境的要求、测量方法与数据处理等方面。

目标强度测量仪器的选型

标准中规定了目标强度测量仪器的基本要求，包括发射源与接收器的频率响应、灵敏度、动态范围、噪声等参数。同时还规定了测量仪器的校准方法和周期。

实验室环境的要求

标准中对实验室的环境要求也十分严格，包括温度、湿度、电磁干扰等方面。这些要求旨在保证实验数据的准确性和可重复性。

测量方法与数据处理

标准中详细描述了目标强度测量的操作流程、测量参数的选择、数据采集和处理等方面。其中还介绍了常见误差的来源及其影响，以便用户能够更好地理解和判断实验结果。

总体来说，《声学水声目标强度测量实验室方法GB/T31014-2014》标准对目标强度测量提供了全面而系统的规范，有助于提高测量的准确性和可靠性。未来，我们可以期待该技术在海洋工程、水声通信等领域的更广泛应用。