ICS 17.140 U 67
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T31014—2014
声学　 水声目标强度测量实验室方法 Acoustics-Laboratory methods of underwater target strength measurement
2015-02-01实施
2014-09-03发布
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 GB/T 31014—2014
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。 GB/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 target strength;TS 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/T3947-1996,定义7.33]
3.3
缩比模型 scale model 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）；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）；发射换能器辐射面的最大线度，单位为米（m）； -水听器的最大线度，单位为米（m）；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）；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）；
am a1 a2 a3 a4 Cw
1 GB/T31014—2014
f f. fuj fm fu fuj 测量频率范围子段的上限，单位为赫兹（H2）； I;
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)；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)；
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/m"）；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/m）；
I, K.. 缩比模型的缩小比例；
-稳态波周期数；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；入射波和目标散射回波叠加声压信号，单位为帕斯卡（Pa）；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（V)；目标散射回波声压信号，单位为帕斯卡（Pa）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）；目标的目标强度，单位为分贝（dB)；
K k L L: n p. p: p; p. Q r TS TS.m 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（m）；
入w 03 B 发射换能器一3dB波束宽度，单位为弧度（rad)；
-
脉冲宽度，单位为秒(s)；线性调频脉冲信号宽度，单位为秒(s)。
t At
5测量装置
5
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。
2 GB/T31014—2014
fu=2(a′+2a; +a,′)·[L'+/L"-4(Q+K)(a'+2a:+a,)] f.-2(a'+2a+a,) ·[L'- L-4(Q+K)a+2a'+a,]
LW
.(7)
...(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[f1.，fu]进行分段，对于各频率范围子段fij，fu,]，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：
+fuj-fu.t)], 0≤t≤At
p,(t)=A·sin[2元(ftj·t+
...( 9)
2△t
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t>a4/c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) 自标和水听器应处于发射换能器的远场中，使人射到自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。
L.0-3d≥a3
(10)
e）1 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。
4 GB/T 31014—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土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/uPa）； 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土2B： c)） 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；
d) 应具有良好的时间、温度稳定性。 6.7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；
L.c.-2t.c. a2-2a22
as≥
....(11)
.E.
f
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：
c) 放置姿态应使声波以指定人射角人射到目标。
7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（入射声波），人射到目标后产生散射声波使用水听器接收入射声波和散射回波。通过距离修正将测得的入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)求得目标在当前入射方向和测量频率下的目标强度值。
TS=10lg( (I, 1r=1
..(12 )
I GB/T 31014—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 = 201g p,
**(13)
p;
当入射声波信号和散射回波信号在时域上存在叠加时，散射回波信号力，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）及入射声波、散射回波叠加信号p。（n），p。（n）与p（n）时域相减即得p，（n）：p，（n）二p。（n）-力；（n）。
对时域信号做傅立叶分析处理，得到人射信号频谱力：（f）及回波信号频谱力，（f）。对频谱信号进
行球面波修正，人射信号折算到目标声中心处：力：（f）· L-r ，散射回波信号折算到距离目标声中心 1m处：P.（f）·r，可按式（14)求得目标强度值：
L
[p.(f),L.r
TS(f)=20lg
*(14 )
Lp.(f)L
8测量步骤
测量流程如图2所示。
准备工作
1
脉冲信号设计
1
发单频（频段）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
1
采集散射回波信号
目标强度计算
有
新的测量角度？
1无新的测量位置？
有
无新频率（频段）？
a
1无测量结束
图2测量程序流程图
6 ICS 17.140 U 67
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T31014—2014
声学　 水声目标强度测量实验室方法 Acoustics-Laboratory methods of underwater target strength measurement
2015-02-01实施
2014-09-03发布
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 GB/T 31014—2014
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。 GB/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 target strength;TS 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/T3947-1996,定义7.33]
3.3
缩比模型 scale model 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）；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）；发射换能器辐射面的最大线度，单位为米（m）； -水听器的最大线度，单位为米（m）；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）；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）；
am a1 a2 a3 a4 Cw
1 GB/T31014—2014
f f. fuj fm fu fuj 测量频率范围子段的上限，单位为赫兹（H2）； I;
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)；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)；
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/m"）；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/m）；
I, K.. 缩比模型的缩小比例；
-稳态波周期数；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；入射波和目标散射回波叠加声压信号，单位为帕斯卡（Pa）；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（V)；目标散射回波声压信号，单位为帕斯卡（Pa）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）；目标的目标强度，单位为分贝（dB)；
K k L L: n p. p: p; p. Q r TS TS.m 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（m）；
入w 03 B 发射换能器一3dB波束宽度，单位为弧度（rad)；
-
脉冲宽度，单位为秒(s)；线性调频脉冲信号宽度，单位为秒(s)。
t At
5测量装置
5
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。
2 GB/T31014—2014
fu=2(a′+2a; +a,′)·[L'+/L"-4(Q+K)(a'+2a:+a,)] f.-2(a'+2a+a,) ·[L'- L-4(Q+K)a+2a'+a,]
LW
.(7)
...(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[f1.，fu]进行分段，对于各频率范围子段fij，fu,]，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：
+fuj-fu.t)], 0≤t≤At
p,(t)=A·sin[2元(ftj·t+
...( 9)
2△t
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t>a4/c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) 自标和水听器应处于发射换能器的远场中，使人射到自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。
L.0-3d≥a3
(10)
e）1 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。
4 GB/T 31014—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土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/uPa）； 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土2B： c)） 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；
d) 应具有良好的时间、温度稳定性。 6.7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；
L.c.-2t.c. a2-2a22
as≥
....(11)
.E.
f
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：
c) 放置姿态应使声波以指定人射角人射到目标。
7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（入射声波），人射到目标后产生散射声波使用水听器接收入射声波和散射回波。通过距离修正将测得的入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)求得目标在当前入射方向和测量频率下的目标强度值。
TS=10lg( (I, 1r=1
..(12 )
I GB/T 31014—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 = 201g p,
**(13)
p;
当入射声波信号和散射回波信号在时域上存在叠加时，散射回波信号力，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）及入射声波、散射回波叠加信号p。（n），p。（n）与p（n）时域相减即得p，（n）：p，（n）二p。（n）-力；（n）。
对时域信号做傅立叶分析处理，得到人射信号频谱力：（f）及回波信号频谱力，（f）。对频谱信号进
行球面波修正，人射信号折算到目标声中心处：力：（f）· L-r ，散射回波信号折算到距离目标声中心 1m处：P.（f）·r，可按式（14)求得目标强度值：
L
[p.(f),L.r
TS(f)=20lg
*(14 )
Lp.(f)L
8测量步骤
测量流程如图2所示。
准备工作
1
脉冲信号设计
1
发单频（频段）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
1
采集散射回波信号
目标强度计算
有
新的测量角度？
1无新的测量位置？
有
无新频率（频段）？
a
1无测量结束
图2测量程序流程图
6