水下聲信號空間位置探測研究

王江宏

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

歷史上，在海洋內(nèi)部信息傳遞研究方面，人們嘗試的方法有電磁波、光波等等。激光技術(shù)應(yīng)用于探測水下聲源的研究始見于1988年，Tulane大學(xué)M.S.Lee等人［1］用激光強(qiáng)度調(diào)制理論對幾千赫茲的水下聲信號進(jìn)行檢測首次獲得成功。

眾所周知，水面受到擾動形成表面波。1979年，G.Weisbuch等人［2］首次提出表面波的概念，其相當(dāng)于一面衍射光柵。隨后表面波聲光效應(yīng)得到不斷發(fā)展。聲光衍射檢測技術(shù)是利用平面波的聲光相互作用理論，對聲場沒有破壞性的表面聲波進(jìn)行檢測的方法［3］。

近年來，國內(nèi)學(xué)者在水下聲信號研究方面也取得重大進(jìn)展。苗潤才等人［4］提出激光衍射探測水下聲信號的思路。此方法是以水下聲源在水表面引起的橫向微波的振動頻率與水下聲源的振動頻率相等作為基礎(chǔ)研究理論。既往研究對液體表面衰減［5］、振幅與激發(fā)深度［6］、衍射光斑不對稱性［7］等物理關(guān)系進(jìn)行了研究，但對于如何從衍射光斑特點(diǎn)對聲源位置定位沒有進(jìn)行系統(tǒng)研究。

基于以上研究基礎(chǔ)，本文采用絲桿直線模組來控制聲源入水深度和水平移動，承托水下聲源部分采用Z字形拖桿，并與定位器連接，用來調(diào)節(jié)聲源入水深度，定位器調(diào)節(jié)精度可以達(dá)到毫米級。此裝置不僅提高了測量精度，也簡化了操作流程，在實(shí)際應(yīng)用中具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 水下聲信號探測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，分別為有機(jī)玻璃樣品池和液體樣品，低頻信號發(fā)生器和表面聲波激發(fā)源，473 nm藍(lán)光激光光源，水下聲源定位器，衍射圖樣的采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.2 衍射光強(qiáng)原理

對于一個(gè)均勻的光學(xué)介質(zhì)，在沒有聲波經(jīng)過介質(zhì)傳播時(shí)，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)以一定角度斜射到表面波的激光束進(jìn)行調(diào)制時(shí)，會實(shí)現(xiàn)聲光衍射。入射光波在有表面聲波存在的介質(zhì)表面發(fā)生反射后在光屏上可以觀察到清晰的衍射圖樣，激光光斑長軸長度遠(yuǎn)小于入射點(diǎn)到光屏的線度，所以該衍射近似為夫瑯禾費(fèi)衍射（圖2）。

假設(shè)該波紋形狀恒定，為線性波，那么表面波可表示為

其中A為表面波的振幅，k為表面波波矢量，k=2π/λ。

由傅里葉光學(xué)知識可知，經(jīng)表面波調(diào)制后的光場分布為

于是得到衍射場光強(qiáng)分布，即

上式中，ω為表面波角頻率，z為激光光斑的寬度，x′為衍射光斑位于光屏的坐標(biāo)，L為光屏到激光入射點(diǎn)的距離，Jn為第一類貝塞爾函數(shù)，其中n為整數(shù)，rect（x/L）為矩陣函數(shù)，sinc（x）為特殊函數(shù)，Jn2表示為第n級衍射條紋的相對強(qiáng)度，sinc2函數(shù)表示第級衍射條紋形狀及位置，通過上面的分析可知表面波波長決定衍射的空間分布。

聲波在傳播過程中，由于擴(kuò)散、吸收、散射等作用，使聲波的能量隨著與聲源距離的增加而逐漸減小，同一頻率的聲波能量減小量與傳播距離有關(guān)。聲波的散射衰減和吸收衰減都呈指數(shù)規(guī)律衰減，即聲強(qiáng)與傳播距離之間滿足以下關(guān)系：

那么可以得到如下公式：

從上式可知，當(dāng)水下聲源的入水深度不斷增加時(shí)，到達(dá)測試點(diǎn)的聲波強(qiáng)度會越來越小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)選擇波長為473 nm的藍(lán)光激光器作為激光光源，其激光束直徑為2.0 mm。開啟低頻信號發(fā)聲器，設(shè)定頻率為130 Hz。激光束以1.47 rad入射角斜射到液體表面上，調(diào)整波形轉(zhuǎn)換器位置，確定其與水面位置最佳。調(diào)整入射角度，使得激光束通過波形轉(zhuǎn)換器后照射在液體表面，在觀察屏上可以看到清晰的衍射圖樣。

實(shí)驗(yàn)過程中，僅調(diào)節(jié)定位器旋鈕，使水下聲源與水面的距離發(fā)生變化，得到相應(yīng)的水下深度位置的衍射圖樣。采集聲源在水平位置13.0 cm，入水深度從6.5 cm位置開始，每次增加0.5 cm，水平位置每次移動0.5 cm，進(jìn)行衍射圖樣測試。實(shí)驗(yàn)方案如圖3所示，實(shí)驗(yàn)得到一系列對比度很高的衍射光斑，如圖4所示。使用Matlab軟件編輯程序，并對衍射圖樣進(jìn)行處理分析，得到水下聲源深度與相對光強(qiáng)的關(guān)系。

2.1 光斑強(qiáng)度隨著聲源入水深度位置變化而變化

通過多組衍射曲線分布對比可知，在聲源深度變化過程中，光斑強(qiáng)度隨著聲源入水深度位置變化而變化，光斑衍射級數(shù)也隨之發(fā)生變化。從圖5可直觀地看出，在橫向變動聲源位置過程中，光斑強(qiáng)度隨著橫向位置的增加而減小，衍射級數(shù)隨著光斑強(qiáng)度的不斷減小而逐漸消失。

進(jìn)一步對各級光斑相對強(qiáng)度值進(jìn)行分析，如圖6所示，0級衍射光斑相對光強(qiáng)強(qiáng)度最大，隨著衍射級數(shù)向兩側(cè)增加，光斑衍射強(qiáng)度明顯降低。在衍射級數(shù)增加到-3級，光斑相對光強(qiáng)也逐漸減小。在聲源入水深度為6.5 cm時(shí)，橫向位置移動聲源，從13.0 cm位置逐漸移動至14.5 cm時(shí)，發(fā)現(xiàn)各級衍射光斑的相對光強(qiáng)，隨著水平方向聲源移動距離的增加而減小。由圖6可知，曲線衍射光斑光強(qiáng)值逐漸降低，使得倒V形覆蓋的面積明顯變小，衍射光斑級數(shù)也相應(yīng)減少。

2.2 光斑衍射強(qiáng)度隨著衍射級數(shù)增加而降低

對不同橫向位置光斑圖像的光強(qiáng)分析可知，中心0級光斑相對光強(qiáng)強(qiáng)度最大，隨著衍射級數(shù)逐漸向高衍射級增加，光斑衍射強(qiáng)度顯著降低。衍射光斑相對強(qiáng)度分布呈倒V形。通過對不同衍射級數(shù)的衍射光斑光強(qiáng)分析，得到隨著聲源在水下深度不斷增加，各級光斑相對光強(qiáng)逐漸減小，且最高衍射級數(shù)的光斑隨著聲源深度的增加而遞減。

為了進(jìn)一步分析液體表面波衍射光斑強(qiáng)度與水下聲源位置的關(guān)系，以聲源深度為x軸，以聲源橫向位置為y軸，以衍射光斑強(qiáng)度值為z軸，用Matlab軟件分析±2級衍射光斑光強(qiáng)值與聲源位置變化關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，各級衍射光斑相對光強(qiáng)隨聲源位置的變化呈曲線變化。對多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，不同空間位置處，各衍射級光斑相對光強(qiáng)呈起伏變化，從曲面圖像即可初步確定聲源位置。

3 結(jié) 論

根據(jù)聲光衍射效應(yīng)，對水下低頻聲信號探測裝置進(jìn)行改進(jìn)，采用絲桿直線模組來控制移動，可精確控制聲源的水平方向與入水深度。調(diào)節(jié)絲桿直線模組，改變水下聲源距離水面的深度及聲源距離入射點(diǎn)的位置，在接收屏上得到穩(wěn)定高清的衍射光斑，并且衍射光斑的相對強(qiáng)度及空間分布隨著聲源位置的改變而不同。

通過Matlab軟件設(shè)計(jì)程序，分析不同位置處衍射光斑光強(qiáng)分布情況，得到隨著激發(fā)深度增加，衍射光斑相對光強(qiáng)逐漸減少，且衍射級數(shù)也相應(yīng)減少，衍射光斑呈不對稱分布，光斑強(qiáng)度隨著激發(fā)深度的增加而減小。從分析結(jié)果得出，隨著聲源距離測試點(diǎn)位置的增加，衍射光斑強(qiáng)度逐漸減小，為進(jìn)一步水下聲源精準(zhǔn)定位奠定基礎(chǔ)。