ICS17.140 U67 中华人民共和国国家标准 GB/T31014—2014 声 声学 水声目标强度测量实验室方法 Acoustics—Laboratorymethodsofunderwatertargetstrengthmeasurement 2014-09-03发布 2015-02-01实施 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布前 言 本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。 本标准由中国科学院提出。 本标准由全国声学标准化技术委员会(SAC/TC17)归口。 本标准的起草单位:中国船舶重工集团公司第七一五研究所、中国科学院声学研究所。 本标准主要起草人:易燕、祖峰磊、赵洪、李水、袁丰华、莫喜平。 ⅠGB/T31014—2014 声学 水声目标强度测量实验室方法 1 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1kHz~500kHz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。 2 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—1996 声学名词术语 3 术语和定义 GB/T3947-1996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:与入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;TS 距离目标等效声中心1m处的反向散射声强级与入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/T3947—1996,定义7.33] 3.3 缩比模型 scalemodel 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。 A———线性调频脉冲信号幅值,单位为伏(V); am———缩比模型在垂直于入射波方向的投影面内的最大线度,单位为米(m); a1———发射换能器辐射面的最大线度,单位为米(m); a2———水听器的最大线度,单位为米(m); a3———目标在垂直于入射波方向的投影面内的最大线度,单位为米(m); a4———目标在声轴方向的投影面内的最大线度,单位为米(m); cw———水媒质中的声速,单位为米每秒(m/s); 1GB/T31014—2014 f———测量频率,单位为赫兹(Hz); fL———测量频率范围的下限,单位为赫兹(Hz); fLj———测量频率范围子段的下限,单位为赫兹(Hz); fm———缩比模型的测量频率,单位为赫兹(Hz); fU———测量频率范围的上限,单位为赫兹(Hz); fUj———测量频率范围子段的上限,单位为赫兹(Hz); Ii———入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/m2); Ir———目标散射回波在距离目标有效声中心r处的声强值,单位为瓦每平方米(W/m2); Km———缩比模型的缩小比例; K———稳态波周期数; k———波数; L———发射换能器到目标声中心的距离,单位为米(m); L'———实验室水池长度,单位为米(m); n———时域信号采样点序号; pa———入射波和目标散射回波叠加声压信号,单位为帕斯卡(Pa); pi———入射波声压信号,单位为帕斯卡(Pa); pj———线性调频脉冲信号,单位为伏(V); pr———目标散射回波声压信号,单位为帕斯卡(Pa); Q———换能器的品质因数; r———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(dB); TSm———缩比模型的目标强度,单位为分贝(dB); t———时间,单位为秒(s); λw———与测量频率相对应的水媒质中声波波长,单位为米(m); θ-3dB———发射换能器-3dB波束宽度,单位为弧度(rad); τ———脉冲宽度,单位为秒(s); Δt———线性调频脉冲信号宽度,单位为秒(s)。 5 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。 2GB/T31014—2014 图1 测量装置组成框图 6 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: L≥a12+a32 λw…………………………(1) L-r≥a12+a22 λw…………………………(2) 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: r≥a22+a32 λw…………………………(3) 可得发射换能器到目标声中心的距离L应符合式(4): L≥a12+2a22+a32 λw…………………………(4) 测试应避免池壁干扰信号,要求脉冲宽度满足式(5): τ≤L′-L cw…………………………(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): τ≥Q+K f…………………………(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fU和测量频率 下限fL,见式(7)和式(8): 3GB/T31014—2014 fU=cw 2(a12+2a22+a32)·[L′+L′2-4(Q+K)(a12+2a22+a32)]……(7) fL=cw 2(a12+2a22+a32)·[L′-L′2-4(Q+K)(a12+2a22+a32)]……(8) 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,fU]进行分段,对于各频率范围子段[fLj,fUj],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: pj(t)=A·sin[2π(fLj·t+fUj-fLj 2Δt·t2)], 0≤t≤Δt……………(9) 发射信号应符合下列要求: a) 调整发射信号幅值,使入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入射声 波、散射回波在时域上无重叠; c) 发射信号应能覆盖目标,即控制发射脉冲信号宽度,符合τ>a4/cw的条件; 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 收的入射声波、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。 c) 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。 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,使入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,使入射到水听器上的散射回波等效于平面波。同时应保 证入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。 L·θ-3dB≥a3 …………………………(10) e) 需要对测试声场的背景噪声进行测量。 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 ±1%; c) 电子测量设备的测量信噪比应不小于20dB。 4GB/T31014—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 入射角度的要求。 6.6 发射换能器和水听器要求 6.6.1 发射换能器 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:1μPa/V); b) 测量频率范围内,指向性开角要覆盖目标,即符合式(10)的规定: c) 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±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-210dB(基准值:1V/μPa); 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±2dB; c) 水听器及其夹具对测量声场造成的干扰