王玉明　王文成　韓鵬斌

摘要： 建立了一個(gè)簡(jiǎn)單可行的光學(xué)系統(tǒng)用于探測(cè)低頻水下聲信號(hào)。水下聲信號(hào)產(chǎn)生的低頻聲波通過(guò)水介質(zhì)傳到液體表面產(chǎn)生表面波，激光束入射到液面時(shí)，在光屏上觀察到了清晰、穩(wěn)定的衍射圖樣，發(fā)現(xiàn)在低頻水下聲信號(hào)的調(diào)制下衍射光場(chǎng)的分布具有明顯的不對(duì)稱(chēng)性。實(shí)驗(yàn)中得到了衍射圖樣光斑光強(qiáng)與位置的分布，理論分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象是很吻合的。結(jié)果表明，在低頻水下聲信號(hào)調(diào)制下衍射光場(chǎng)的分布是非對(duì)稱(chēng)分布的。

關(guān)鍵詞： 低頻水下聲信號(hào)； 液體表面； 衍射圖樣； 非對(duì)稱(chēng)分布

中圖分類(lèi)號(hào)： O436.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.013

Abstract： A measurement system is developed to detect the low-frequency underwater acoustic signal. The clear and high stable diffraction pattern is observed experimentally when the laser beam illuminates on the liquid surface which is modulated by the underwater acoustic signal， the diffraction fringes is asymmetric distribution. The asymmetry of the position and intensity of the diffraction spot were explained with the laser oblique incidence. The experiment is consistent with the theory. The results show that it is asymmetric distribution of the diffraction light field which is modulated by low-frequency underwater acoustic signal.

Keywords： low-frequency underwater acoustic signal； liquid surface； diffraction pattern； asymmetric distribution

引 言

聲光效應(yīng)作為很重要的物理現(xiàn)象，一直以來(lái)都受到人們的重視[1-3]，經(jīng)常用來(lái)探測(cè)聲信號(hào)。Weisburg等首次提出利用液體表面波的光柵衍射效應(yīng)來(lái)研究液體的表面波[4]。液體表面波的研究在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)只是停留在液體表面激發(fā)表面波的研究方式[5-12]。對(duì)于水下聲信號(hào)激發(fā)液體表面波的研究大多采用光—電法或者激光遙感法[13-14]，很少有人用光學(xué)方法研究水下聲場(chǎng)。基于這一問(wèn)題本文利用聲光效應(yīng)建立了一種簡(jiǎn)單、可行的用于探測(cè)水下聲場(chǎng)的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)激光束斜入射到低頻水下聲信號(hào)調(diào)制的液面時(shí)，觀察到了穩(wěn)定、清晰的衍射圖樣。發(fā)現(xiàn)衍射圖樣的分布不同于其他衍射圖樣的分布，得到在低頻水下聲信號(hào)激發(fā)液體表面波的調(diào)制下，衍射圖樣中光斑位置和光強(qiáng)是不對(duì)稱(chēng)分布的，且衍射圖樣的正、負(fù)級(jí)次也是明顯的不對(duì)稱(chēng)分布的。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示，包括：水槽、信號(hào)源、光源、探測(cè)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理系統(tǒng)。樣品池是一個(gè)有機(jī)玻璃水槽，里面盛有水。聲信號(hào)系統(tǒng)包括低頻信號(hào)發(fā)聲器、功率放大器以及水下?lián)P聲器。液體表面距水下?lián)P聲器的距離為6.5 cm，信號(hào)發(fā)聲器產(chǎn)生的低頻聲信號(hào)被功率放大器放大后通過(guò)介質(zhì)水傳到水表面，在水面形成了表面波。光源為He-Ne激光器，波長(zhǎng)為632.8 nm，激光束直徑約為2.3 mm。激光束以1.53 rad的入射角入射到水表面，在水面形成橢圓光斑，橢圓光斑的短軸長(zhǎng)2.3 mm，長(zhǎng)軸長(zhǎng)66.6 mm。其中表面波沿橢圓光斑長(zhǎng)軸方向傳播。實(shí)驗(yàn)中光屏到入射點(diǎn)的距離約為5 m，CCD作為探測(cè)系統(tǒng)用來(lái)采集圖樣，采集到的數(shù)據(jù)直接輸入到計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)來(lái)存儲(chǔ)與處理圖樣。

2 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1（a）所示，為了得到穩(wěn)定、清晰的衍射圖樣，實(shí)驗(yàn)前必須先調(diào)節(jié)激光束的入射角。實(shí)驗(yàn)時(shí)直接用CCD對(duì)衍射圖樣進(jìn)行成像，調(diào)節(jié)CCD焦距及其位置，當(dāng)CCD對(duì)衍射圖樣的成像達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，對(duì)衍射圖樣進(jìn)行成像拍照并用計(jì)算機(jī)記錄相應(yīng)的衍射圖樣。實(shí)驗(yàn)中光屏到入射點(diǎn)的距離約為5 m，當(dāng)光屏與CCD的位置固定后就可以來(lái)確定CCD像素與衍射圖樣寬度的比值，實(shí)驗(yàn)中在光屏上放置一個(gè)寬度為定值的標(biāo)準(zhǔn)物體，得到該標(biāo)準(zhǔn)物體成像的寬度與像素?cái)?shù)就可以得到距離與像素的比值，我們?cè)谶@里稱(chēng)之為距離與像素比。實(shí)驗(yàn)時(shí)，改變信號(hào)發(fā)聲器的頻率，用計(jì)算機(jī)記錄相應(yīng)頻率的衍射圖樣。本實(shí)驗(yàn)中，低頻聲信號(hào)的頻率間隔為2 Hz，頻率從48 Hz到62 Hz發(fā)生變化，得到一系列與其頻率相應(yīng)的衍射圖樣如圖2所示。其中圖（a）是無(wú)聲信號(hào)時(shí)的圖樣，當(dāng)激光入射到無(wú)低頻聲信號(hào)調(diào)制的液面時(shí)，相當(dāng)于平面鏡反射，因此，光屏上觀察到的圖樣是一個(gè)光斑；圖（b）、圖（c）分別是當(dāng)水下聲信號(hào)的頻率為52 Hz與56 Hz時(shí)的衍射圖樣。

從圖2中可以明顯看出衍射圖樣中光斑從上到下間距越來(lái)越大，具有非對(duì)稱(chēng)分布的特性。用MATLAB軟件對(duì)圖（b）、圖（c）進(jìn)行掃描與擬合，結(jié)果如圖3所示。衍射圖樣中央光斑的位置與圖3下凹位置相對(duì)應(yīng)。在這里我們定義衍射圖樣中央光斑的上，下方分別是衍射圖樣的正，負(fù)級(jí)。從圖3中可以明顯的觀察到同級(jí)正、負(fù)光斑的光強(qiáng)是不相等的，且正級(jí)光斑光強(qiáng)是大于負(fù)級(jí)光斑光強(qiáng)；同時(shí)也可以得到正級(jí)光斑的間距是小于負(fù)級(jí)光斑的間距的。也就是說(shuō)在低頻水下聲信號(hào)的調(diào)制下，衍射光場(chǎng)的分布是不對(duì)稱(chēng)的。

3 理論分析

3.1 衍射光斑的強(qiáng)度分析

3.2 衍射光斑的位置分析

從圖3中容易得到，衍射圖樣正級(jí)光斑到中央光斑的像素是小于負(fù)級(jí)光斑到中央光斑的像素的，且負(fù)級(jí)光斑間距的像素大于正級(jí)光斑間距的像素。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)之前建立好的比例關(guān)系：1像素=0.025 3 mm很容易得到衍射圖樣的間距和各級(jí)光斑到中央光斑的距離。表1為各級(jí)光斑間距的分布情況，表2為各級(jí)光斑到中央光斑的距離。

從表1中可較易得到無(wú)論是52 Hz的衍射圖樣還是56 Hz的衍射圖樣，在衍射圖樣中衍射光斑的間距是不相等的，也就是說(shuō)在低頻水下聲信號(hào)的調(diào)制下所產(chǎn)生的衍射圖樣是不等間距分布的，即衍射圖樣的分布是不均勻的。從表2中可以得到，當(dāng)水下低頻聲信號(hào)調(diào)制時(shí)頻率為52 Hz時(shí)衍射圖樣同級(jí)正、負(fù)衍射光斑到中央（零級(jí)）光斑的距離是不相等的；同樣當(dāng)?shù)皖l聲信號(hào)的頻率為56 Hz時(shí)同級(jí)正、負(fù)光斑到中央（零級(jí)）也是不相等的，也就是說(shuō)對(duì)于衍射圖樣在低頻水下聲信號(hào)的調(diào)制下衍射圖樣正、負(fù)級(jí)是不對(duì)稱(chēng)的。結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所觀察到的是很吻合的。

4 結(jié) 論

建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)用于探測(cè)水下聲信號(hào)。當(dāng)激光束入射到有低頻水下聲信號(hào)調(diào)制的液體表面時(shí)，觀察到了清晰、穩(wěn)定的衍射圖樣，發(fā)現(xiàn)在低頻水下聲信號(hào)的調(diào)制下衍射光場(chǎng)的分布具有明顯的不對(duì)稱(chēng)性。實(shí)驗(yàn)中得到了衍射圖樣光斑光強(qiáng)與位置的分布，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所觀察到的現(xiàn)象是很吻合的。結(jié)果表明，在低頻水下聲信號(hào)的調(diào)制下衍射光場(chǎng)的分布是非對(duì)稱(chēng)分布的。

參考文獻(xiàn)：

[1] ADLER R，KORPEL A，DESMARES P.An instrument for making surface waves visible[J].IEEE Transaction on Sonics and Ultrasonics，1968，15（3）：157-160.

[2] KORPEL A，LAUB L J，SIEVERING H C.Measurement of acoustic surface wave propagation characteristics by reflected light[J].Applied Physics Letters，1967，10（3）：295-298.

[3] DEVOLDER S，WEVERS M，DEMEESTER P.Thin layer thickness measurements based on the acoustic-optic technique[J].Applied Physics Letters，1996，68（12）：1732-1734.

[4] WEISBURG G，GARBAY F.Light scattering by surface tension waves [J].American Journal of Physics，1979，47（4）：355-356.

[5] 苗潤(rùn)，楊宗立.液體表面波物理特性及其光學(xué)效應(yīng)的研究[J].物理學(xué)報(bào)，1996，45（9）：1521-1525.

[6] 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 Letter，2002，80（17）：3033-3035.

[7] DONG J，QI J X.MIAO R C.Measurement of the damping of liquid surface wace by diffraction method[J].Brazilian Journal of Physics，2007，37（3B）：1129-1133.

[8] ZHU F，MIAO R C，XU C L，et al.Measurement of the dispersion relation of capillary waves by laser diffraction[J].American Journal of Physics，2007，75（10）：896-898.

[9] 劉香蓮，苗潤(rùn)才，羅道斌，等.低頻液體表面波衍射條紋的不對(duì)稱(chēng)性[J].激光技術(shù)，2007，31（6）：590-592.

[10] 董軍.液體表面波衍射條紋的不對(duì)稱(chēng)性和彎曲液面的臨界反射效應(yīng)[D].西安：陜西師范大學(xué)，2006.

[11] 苗潤(rùn)才，滕曉麗，葉青.液體表面低頻聲波的非線(xiàn)性聲光效應(yīng)[J].光子學(xué)報(bào)，2003，32（10）：1264-1267.

[12] 劉香蓮，苗潤(rùn)才，李增生，等.激光衍射法測(cè)量液體粘滯系數(shù)[J].應(yīng)用激光，2008，28（2）：145-149.

[13] HARLAND A R，PETZING J N，TYRER J R.Visualising scattering underwater acoustic fields using laser Doppler vibrometry[J].Journal of Sound and Vibration，2007，305（4/5） 659-671.

[14] HE H J，F(xiàn)ENG S S.Ultrashort Pulse Laser Used to Generate Sound under Water[J].IEEE ，1999，2（4），336-337.

（編輯：程愛(ài)婕）