障礙物對液體表面波檢測的影響研究

李能能

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安710077)

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障礙物對液體表面波檢測的影響研究

李能能

(西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安710077)

為了研究障礙物對液體表面波檢測的影響，本實(shí)驗將一矩形障礙物放置在表面波的傳播方向上，激光斜入射到表面波激發(fā)器與障礙物之間的區(qū)域，觀察到衍射圖樣。當(dāng)表面波傳播到障礙物時發(fā)生反射，根據(jù)波的疊加原理，障礙物與激發(fā)器的距離不同，疊加后的表面波振幅也不同。通過改變障礙物與激發(fā)器之間的距離，觀察屏上得到不同的衍射圖樣。利用計算機(jī)軟件Matlab對不同的衍射圖樣掃描，得到不同的光強(qiáng)分布。根據(jù)光強(qiáng)分布及貝塞爾函數(shù)規(guī)律，得出不同距離處同一入射點(diǎn)的液體表面波振幅。實(shí)驗結(jié)果表明：液體表面波振幅隨著障礙物與激發(fā)器之間的距離增大以指數(shù)規(guī)律減小。

障礙物；液體表面聲波；振幅；衍射；衰減

0　引言

自上世紀(jì)60年代激光誕生以后，激光很快被應(yīng)用到液體表面聲波(SAW)的檢測中。1979年，Weisbuch等人首次分析了液體表面波的光學(xué)測量方法[1]，Bar-ter曾采用透射成像技術(shù)分析了液體表面聲波[2-3]。對于不同頻段的液體表面波，有研究采用不同的光學(xué)測量方法進(jìn)行檢測[4-5]。作者所在團(tuán)隊曾研究了液體表面波的衰減規(guī)律[6-8]，并研究了液體表面波衰減系數(shù)與頻率之間的變化規(guī)律[9]。近年來，該團(tuán)隊又采用光學(xué)測量方法，通過檢測液體表面波得到水下聲場的信息，并取得了很好的實(shí)驗效果[10-12]。

上述實(shí)驗都是在理想的實(shí)驗環(huán)境中進(jìn)行和分析的。一方面，實(shí)驗液體是蒸餾水，忽略液體表面雜質(zhì)等干擾物的影響，理想認(rèn)為是無雜質(zhì)的表面。另一方面，分析實(shí)驗現(xiàn)象時，假設(shè)液體表面是無窮大的平面，忽略容器邊緣對實(shí)驗的影響。但是，實(shí)際被測液體表面存在有雜質(zhì)，被測液體是在有限的容器中，容器壁的反射會對實(shí)驗結(jié)果產(chǎn)生影響?；谝陨现T多因素的影響，本文引入矩形障礙物放于液體表面，激光束照射激發(fā)器與障礙物之間的液體表面，產(chǎn)生衍射。逐漸改變障礙物與激發(fā)器之間的距離，在遠(yuǎn)場的觀察屏上觀察到不同的衍射圖樣。對衍射圖樣的分析，得到遠(yuǎn)近不同的障礙物對液體表面波振幅的影響。

1　實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置如圖1所示，由六部分組成：激光光源，低頻信號發(fā)生器，表面波激發(fā)器，障礙物，樣品池，光電數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。液體置于樣品池中。表面波激發(fā)器與函數(shù)信號發(fā)生器的輸出連接，信號發(fā)生器輸出正弦信號，驅(qū)動液體表面波激發(fā)器，在液體表面產(chǎn)生表面聲波。表面波激發(fā)器固定在上下左右可移動的支架上，以便調(diào)節(jié)表面波激發(fā)器與激光入射點(diǎn)的距離。障礙物固定在上下左右可移動的支架上，以便調(diào)節(jié)障礙物與表面波激發(fā)器之間的距離。

本實(shí)驗中，障礙物與表面波激發(fā)器均采用矩形物體，且在液體表面平行放置。未擴(kuò)束的激光光束經(jīng)濾光片斜入射到表面波激發(fā)器與障礙物之間的液體表面，在液體表面入射光斑為一橢圓形，長軸與表面波的傳播方向平行，光斑大約照亮2～3個波形。入射光經(jīng)表面聲波時發(fā)生衍射，并在觀察屏上觀察到衍射圖樣。用CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集衍射圖樣，利用計算機(jī)軟件對采集的衍射圖樣處理，可以得到液體表面聲波的相關(guān)參數(shù)。

圖1　實(shí)驗裝置

2　理論分析

實(shí)際環(huán)境中，液體表面粒子的運(yùn)動較為復(fù)雜，但在實(shí)驗環(huán)境中，由于小功率液體表面波激發(fā)器引起液體表面波的振幅較小，因此，該表面波可以近似為正弦波，表示為：

Y=hsin(ωt-kx)

(1)

未擴(kuò)束的激光束1、2以較小的入射角θ斜入射到液體表面波，液體表面聲波對入射光束調(diào)制，產(chǎn)生衍射衍射角為θ-φ，并在遠(yuǎn)場觀察到衍射圖樣，原理如圖2所示。

圖2　實(shí)驗原理

由于激光光速遠(yuǎn)大于液體表面波波速，因此，計算光程差時可近似認(rèn)為表面波波形不變。根據(jù)傅里葉光學(xué)，對于理想的液體表面波，觀察屏上衍射光場的復(fù)振幅分布為[13-14]：

(2)

式中，s為衍射光點(diǎn)在觀察平面上的坐標(biāo)，z為入射點(diǎn)到觀察屏的距離，λ為入射激光的波長，L為激光光斑的寬度，J為虛數(shù)單位，Jn為n階第一類貝塞爾函數(shù)，β=4πhcosθ/λ。

當(dāng)在液體表面波傳播方向有障礙物時，表面波遇到障礙物，由于波的反射原理，表面波反向傳播，反射波可近似認(rèn)為是由障礙物產(chǎn)生的表面波。因此，在振源和障礙物之間認(rèn)為同時存在原表面波和反射波。根據(jù)波的獨(dú)立傳播特性，振源和障礙物之間任意一點(diǎn)的振幅可以看成是原表面波和反射波的疊加。當(dāng)激光照射該區(qū)域，觀察屏上的衍射圖樣可以認(rèn)為是兩列獨(dú)立波產(chǎn)生的衍射光場的疊加。假設(shè)原表面波在觀察屏上的復(fù)振幅為u1(s)，反射波在觀察屏上的復(fù)振幅為u2(s)，由于原表面波與反射波在同一介質(zhì)傳播，所以波長相等，根據(jù)(2)式，則u1(s)和u2(s)可表示為：

(3)

(4)

觀察屏上的衍射光強(qiáng)可表示為：

(5)

由該式可以得到：當(dāng)激光入射角θ和激光波長λ一定時，各級衍射條紋的相對強(qiáng)度是振幅h一元函數(shù)。根據(jù)貝塞爾函數(shù)規(guī)律，通過任一級衍射光強(qiáng)度與零級衍射光強(qiáng)度比較，可求出衍射圖樣對應(yīng)的液體表面波振幅h。隨著障礙物與激發(fā)器之間距離的改變，同一激光入射點(diǎn)處的表面波振幅也改變。但由于液體表面波的衰減特性，障礙物離激發(fā)器越遠(yuǎn)，同一位置激光入射點(diǎn)處表面波振幅越小。

3　實(shí)驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗采用純凈水作為實(shí)驗樣品，溫度為25℃。激光在液體表面的入射角為1.45rad，表面波激發(fā)器與激光入射點(diǎn)的固定距離為6.5cm。入射點(diǎn)到觀察屏的距離為3m。障礙物與表面波激發(fā)器的初始距離為13.5cm。低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出頻率為150 Hz的正弦信號，選擇適當(dāng)?shù)妮敵龉β?，在液體表面產(chǎn)生表面聲波，使產(chǎn)生清晰的衍射圖樣。改變障礙物和激發(fā)器之間的距離，觀察到不同的衍射圖樣。

(a)　　(b)　　(c)　　(d)　(e)　　(f)

圖3為障礙物和激發(fā)器的距離分別為13.5cm，14.5cm，15.5cm，16.5cm，17.5cm，22.5cm時采集的衍射圖樣。從衍射圖樣可以看到衍射條紋十分清晰，條紋的對比度明顯，衍射條紋顯示明顯的不對稱性，衍射條紋級數(shù)隨著障礙物與激發(fā)器之間的距離增大逐漸減少。

利用計算機(jī)軟件Matlab對衍射圖樣掃描，得到不同衍射條紋的光強(qiáng)分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)衍射條紋的相對強(qiáng)度隨著障礙物與激發(fā)器距離的變化而變化。由衍射圖樣的光強(qiáng)分布圖得到不同距離處衍射光強(qiáng)的正負(fù)二級光強(qiáng)與零級光強(qiáng)比，正負(fù)一級光強(qiáng)與零級光強(qiáng)比，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　障礙物與激發(fā)器不同距離處的衍射條紋光強(qiáng)比

根據(jù)表面聲波衍射光強(qiáng)分布理論，以及貝塞爾函數(shù)分布規(guī)律，已知光強(qiáng)比可求出液體表面波振幅。圖3中的一個衍射圖樣對應(yīng)一個表面波振幅。同一衍射圖樣有四個光強(qiáng)比，利用計算機(jī)軟件，可求出四個表面波振幅，對這四個振幅求平均值，可得到不同距離處的液體表面波振幅，如表2所示。

表2　障礙物與激發(fā)器不同距離處液體表面波振幅

由表2的數(shù)據(jù)可以看出，液體表面聲波振幅隨著障礙物與激發(fā)器之間的距離增大而減小。

對表2中的振幅取對數(shù)，并用最小二乘法擬合，得到液體表面波振幅的對數(shù)值與距離的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4　振幅對數(shù)與距離的關(guān)系

由圖4發(fā)現(xiàn)液體表面波振幅的對數(shù)與距離在誤差范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。由此證明：液體表面波振幅隨著障礙物與激發(fā)器之間的距離呈指數(shù)規(guī)律變化，曲線的斜率為表面波的衰減系數(shù)。這與理論相符。

在實(shí)際的聲光衍射效應(yīng)中，有限的容器、不純凈的液體表面都會有不同程度的表面波反射，會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。且容器容積越小、液體表面障礙物的尺寸越大，影響程度越大，實(shí)驗的測量結(jié)果越不準(zhǔn)確。為了利用液體表面聲光效應(yīng)測得準(zhǔn)確的液體表面性質(zhì)，應(yīng)盡可能將液體置于無限大容器，液體樣品選用純凈的蒸餾水或其他無雜質(zhì)液體。這是因為隨著距離的逐漸增大，反射波的振幅逐漸減小，當(dāng)雜質(zhì)或容器壁距離激發(fā)器距離無窮大時，測量不會受到反射波的影響，測量越準(zhǔn)確。

4　結(jié)論

(1)在液體表面波傳播方向設(shè)置障礙物，激光照射障礙物與表面波激發(fā)器之間的區(qū)域，發(fā)生衍射。改變障礙物與激發(fā)器之間的距離，得到不同的衍射條紋。

(2)理論分析了有障礙物時，液體表面波激光衍射光強(qiáng)分布。分析了障礙物與激發(fā)器距離不同對同一入射點(diǎn)處表面波振幅的影響。

(3)實(shí)驗中，改變障礙物與激發(fā)器之間的距離，得到不同距離處液體表面波振幅。定量分析結(jié)果顯示：隨著距離的增加，液體表面波振幅以指數(shù)規(guī)律減小。實(shí)驗與理論相吻。

由此可得，在聲光衍射效應(yīng)中，為了提高測量準(zhǔn)確度，應(yīng)選擇無塵實(shí)驗室，液體容器盡可能選擇較大容器。

(4)不足之處：該實(shí)驗方法對于實(shí)驗室中有限的障礙物測量準(zhǔn)確度較高，但對于測量實(shí)際環(huán)境中液體表面雜質(zhì)，精確度有待提高。

[1] Weisbuch G,Garbay F.Light Scattering by Surface Tension Waves[J].American Journal of Physics,1979,47(4):355-356.

[2] Barter J D,Lee P H Y.Real-time Wave-amplitude Spectrum Analyzer for Air-liquid Interfaces[J].Applied Physics Letters,1994,64(15):1896-1898.

[3] Barter J D,Lee P H Y.Imaging Surface-wave Analyzer for Liquid Surfaces[J].Applied Optics,1997,36(12):2630-2635.

[4] Li Q,Zhao M,Tang S,et al.Two-dimensional Scanning Laser Slope Gauge:Measurements of Ocean-ripple Structures[J].Applied Optics,1993,32(24):4590-4597.

[5] Miao R C,Zhao X F,Shi J.Modulated Interference of Reflected Light from A Liquid Surface Wave at Tens Hertz Frequencies[J].Optics Communications,2006,259(2):592-597.

[6] 苗潤才,時堅,趙曉鳳.干涉法測量低頻表面波的衰減系數(shù)[J].光子學(xué)報,2005,34(3):382-385.

[7] Miao R C,Yang Z L,Zhu J T,et al.Visualization of Low-frequency Liquid Surface Acoustic Waves by Means of Optical Diffraction[J].Applied Physics Letters,2002,80(17):3033-3035.

[8] 時堅,董軍,曾祥梅,等.衍射法測量低頻液體表面波的衰減系數(shù)[J].光學(xué)技術(shù),2009,35(3):377-379,383.

[9] 苗潤才,劉香蓮,羅道斌.激光衍射法測表面波的衰減系數(shù)與頻率的關(guān)系[J].激光雜志,2007,28(6):20-21.

[10] Miao R C,Wang Y M,Meng F,et al.Optical Measurement of the Liquid Surface Wave Amplitude with Different Intensities of Underwater Acoustic Signal[J].Optics communications,2014,313(4):285-289.

[11] 苗潤才,許佳婷,謝甜,等.低頻水下聲信號的激光探測[J].應(yīng)用光學(xué),2012,33(5):974-978.

[12] 苗潤才,王玉明,孟峰,等.水下低頻聲信號的激光探測及波的衰減[J].光子學(xué)報，2013,42(4):432-436.

[13] Goodman J W.Introduction to Fourier Optics[M].New York:McGraw-Hill,1968:69-72.

[14] 苗潤才,羅道斌,朱峰,等.低頻液體表面波激光衍射條紋的特征[J].光子學(xué)報，2007,36(11):2134-2137.

[責(zé)任編輯、校對：東艷]

Study on the Influence of Obstacles on Liquid Surface Acoustic Wave Detection

LINeng-neng

(School of Electronic Engineer,Xi,an Aeronautical University,Xi'an 710077)

In order to study the influence of obstacles on the liquid surface acoustic wave detection,a rectangular obstacle is placed in the direction of propagation of the liquid surface acoustic wave (SAW).Diffraction patterns from SAW are observed when the laser beam shines in the area between the wave excitation and the rectangular obstacle.The reflection occurs when the surface wave propagates to the obstacle.According to the superposition principle of the wave,the amplitude of the surface wave varies with the change of the distance between the obstacle and the exciter.Different diffraction patterns are obtained on the observation screen through changing the distance between the obstacle and the exciter.Different light intensity distributions are obtained through scanning different diffraction patterns via computer software.According to the light intensity distribution and Bessel's function,the liquid surface wave amplitude of the same incident point at different distances is obtained.Experiment results show that the surface acoustic wave amplitude decreases exponentially as the distance between the exciter and the obstacle increases.

obstacle;liquid surface acoustic wave;amplitude;diffraction;attenuation

2016-07-21

李能能(1983-)，女，甘肅平?jīng)鋈耍?，主要從事聲光技術(shù)及光電技術(shù)研究。

O436;O357.4+3

A

1008-9233(2016)05-0082-05