水下低频声信号的激光探测及波的衰减

为了探测几十赫兹的低频水下声信号,建立了水下低频声信号的光学探测系统,得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系,声源距离越小,衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后,实验上得到了表面声波的衰减特性,理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化,频率不同衰减系数也不同,而且频率越大,衰减系数越小.     

水下低频声信号的激光探测及波的衰减

为了探测几十赫兹的低频水下声信号,建立了水下低频声信号的光学探测系统,得到了稳定、清晰的衍射图样.得到了衍射图样的宽度与声源距离的变化关系,声源距离越小,衍射图样越宽.当水下声波传至水表面后,实验上得到了表面声波的衰减特性,理论上得到了衍射图样的角宽度和液体表面波振幅的解析关系式.发现表面波振幅的衰减随距离是指数型衰减.并研究了衰减系数随频率的变化,频率不同衰减系数也不同,而且频率越大,衰减系数越小.     

干涉亮条纹强度的不均匀分布

建立了低频液体表面声波的激光干涉测量系统,实验上不仅得到了清晰、稳定的干涉条纹,而且首次发现干涉条纹的强度分布具有空间不均匀性,干涉条纹被限定在一定的空间区域内,中心干涉条纹强度最小,向两边强度逐渐增大,在两边界位置达到极大.根据波动光学原理,得到了干涉条纹分布的解析表达式,并给出了低频表面波振幅、波长与干涉条纹空间限度、干涉条纹间距的数学表达式.理论规律与实验结果吻合较好.     

低频液体表面波衍射条纹的不对称性

实验上实现了低频液体表面波的光衍射,当表面波波长远大于入射光波波长时,得到了稳定、清晰的衍射图样,并首次发现了衍射条纹具有明显的不对称分布.理论上对表面波衍射的近似条件进行了分析,得出了各级衍射条纹角宽度的解析表达式,解释了衍射条纹的非对称分布.衍射图样的不对称分布具有普遍规律,可观察的明显程度与表面波的波长和光波波长的比值有关,在能观察到衍射效应的条件下,当表面波波长远大于光波波长,非对称分布越明显,当表面波波长远接近光波波长时,衍射条纹可近似的看成是对称分布的.     

液体表面低频声波的非线性声光效应

实现了液体表面上低频声波的光衍射,得到了稳定的、具有高阶衍射的高反衬衍射图样.理论上首次考虑到表面声波中的高次谐波,得到了相应的非线性条件下衍射强度分布的解析表达式,并将这种非线性理论与实验结果进行对比.对比结果表明,非线性理论与实验结果有更高的吻合程度.     

低频声表面波对细激光束的衍射效应

对于频率为几十赫兹的液体表面声波,实验上观察到反射光所形成的稳定、清晰的激光干涉图样.改变表面声波振幅,进一步发现了干涉图样的调制效应.调制效应明显地表现为干涉条纹的缺级,并且随表面声波振幅变化.依据波动光学原理,分析了调制作用下光束干涉所产生的光强解析分布及条纹特征,得到了干涉条纹角宽度与表面声波之间的解析关系,并据此对表面声波的特性参量波长和振幅及各级条纹相对光强分布规律进行了测定.     

基于衍射条纹非对称性的表面波衰减系数的测量

通过采用将入射光掠入射到频率为几百赫兹的衰减低频液体表面波上,观察到了清晰的间距分布具有明显非对称性的衍射条纹。当入射光掠入射到低频液体表面上时,衍射图样非对称分布具有普遍性。理论上得到了考虑表面波衰减影响后观察屏处衍射光强分布的解析表达式。理论结果表明:衍射图样的这种非对称分布与衍射级次、入射光波波长、液体表面波波长及表面波衰减系数有关;正负级次衍射亮条纹距离中央零级亮条纹的间距体现表面波衰减信息;正衍射级次之间以及负衍射级次之间的条纹间距体现表面波波长信息。利用所提出的方法实现了对几百赫兹液体表面波的衰减系数的实时便捷测量。     

水平平板上静态液滴的光学效应研究

对液滴表面的光学衍射效应进行实验研究.当用一准直、扩束的激光束自下而上,垂直照射水平放置的平板上的静态液滴表面时,得到了清晰、稳定的衍射图样.衍射图样的强度分布随着入射光束半径的变化而变化.当激光束半径改变到某一特定大小时,衍射图样中心条纹消失.通过对衍射条纹的分布与液体表面形态的理论分析,并根据物理光学原理,得到了条纹强度分布与激光束半径和入射面液面最大高度之间比值是相关的.基于这一发现,提出了一种液滴表面研究的非接触、有效实验方法.     

干涉法测量低频表面波的衰减系数

对于频率为几十赫兹的低频衰减液体表面波,结合激光干涉法和激光扫描法,实验得到反衬度很高的调制干涉图样,理论上给出了干涉图样的条纹宽度,条纹分布范围与表面声波振幅之间的解析关系,实时测量了液体表面波的衰减系数.     

标定误差对色散条纹共相误差检测影响的修正

色散条纹共相误差检测技术需要以一定的方法对采集的色散条纹图像进行分析处理,才能得到所对应的平移误差值。与其他色散条纹分析方法相比,主峰位移提取法能够同时适用于大量程以及一个波长以内小量程的平移误差检测。但是,该方法的检测精度容易受到条纹中心线标定误差的影响。为对该影响进行修正,首先通过分析平移误差对双孔衍射图样的影响,提出了一种条纹中心线位置自适应提取方法;在此基础上,结合主峰位移提取法的基本原理,提出了修正条纹中心线标定误差影响的方法;最后搭建实验光路,验证了所提修正方法的有效性。实验结果表明,在存在中心线标定误差的情况下,所提方法能够取得小于30nm的测量精度,相比于修正之前精度大大提高。该方法有效地提高了主峰位移提取法的的抗干扰能力与工程实用性。     

可模式识别的水声成像方法

提出一种在自由环境中可以进行模式识别的水声成像方法。利用角域滤波将空间不同入射方向的平面波在阵元域中进行分离,在成像扇面内按要求设计一系列角域带通滤波器,这些滤波器的输出就是从角通带内入射的平面波在阵元域中的快拍数据,可以实现要求输入为阵元域特性数据的目标识别和底质分类等专用的模式识别算法,角域滤波器输出的平面波快拍数据的幅度作为像素值进行水声成像。采用角域滤波的方法可以进行水声成像得到所需要的声图,并且每个像素对应着相应点目标远场平面波入射到接收阵时所产生的快拍数据。仿真和实验数据处理结果表明,采用角域滤波和利用常规波束形成所得到的声图是一样的,并且两种成像方法具有相同的稳健性。      

小振幅低频液体表面波的光学干涉效应的研究

实验上实现了频率为几十赫兹的低频液体表面波的光干涉调制研究,得到了稳定、清晰的干涉图样。理论上对表面波干涉现象进行了分析,得出了条纹分布的解析表达式,较合理的解释了干涉图样的分布现象。该方法适用于低频液体表面波的特性研究,通过分析实验图样,可以对液体的表面张力等特性参数进行研究。     

低频液体表面波激光衍射条纹的特征

用激光衍射法实现了低频液体表面波稳定、清晰、反衬度非常高的条纹,并发现了缺级现象.理论上分析了表面波的光衍射效应,得到了衍射光场和表面波之间的解析表达式,表达式包括衍射因子和干涉因子.通过对衍射因子和干涉因子的分析,得到衍射条纹空间分布与表面波波长的关系、条纹的半角宽度与入射激光光斑覆盖表面波的个数和入射方向的关系、衍射光强度与表面波振幅的关系,并解释了条纹缺级现象.     

Traveling wave tube measurements for low-frequency properties of underwater acoustic materials

A traveling wave tube measurement technique for measuring acoustic properties of underwater acoustic materials was developed.Water temperature and pressure environments of the ocean can be simulated in a water-filled tube,and the acoustic parameters of samples of underwater acoustic materials are measured in the range of low-frequency.A tested sample is located at central position of the tube.A pair of projectors is separately located at both ends of the tube.Using an active anechoic technique,the sound wave transmitting the tested sample is hardly reflected by the surface of secondary transducer.So the traveling sound field is built up in the tube.By separately calculating the transfer functions of every pair of double hydrophones in the sound fields from the both sides of the sample,its reflection coefficients and transmission coefficients are obtained.In the measurement system,the inside diameter of the tube isΦ208 mm,the working frequency range is from 100 to 4000 Hz,the maximum pressure is 5 MPa.The reflection coefficients and transmission coefficients of a water layer and a stainless steel layer samples are measured actually and calculated theoretically.The results show that the measured values are in good agreement with the values calculated,and the measurement uncertainty is not greater than 1.5 dB.     

Combining Brillouin spectroscopy and laser-SAW technique for elastic property characterization of thick DLC films

Surface Brillouin spectroscopy (SBS) has been widely used for elastic property characterization of thin films. For films thicker than 500 nm, however, the wavelength of surface acoustic wave in the frequency range available for SBS is smaller than film thickness, and the SBS measures only the Rayleigh wave of the film. The laser-SAW technique, on the other hand, measures only the low-frequency portion of the surface acoustic wave dispersion and can estimate only one elastic modulus of the film (typically Young's modulus). In this work, we have combined the two methods to determine both Young's modulus and Poisson's ratio of a diamond-like carbon (DLC) film. It was found that reasonable estimates can be obtained for the longitudinal wave velocity, shear wave velocity, and Young's modulus of the film. The Poisson's ratio, however, still has a relatively large measurement error.     

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.     

Rapid and accurate analysis of surface and pseudo-surface waves using adaptive laser ultrasound techniques

A method has been developed to measure the phase velocity of laser generated and detected surface acoustic waves. An optical grating produced by an electronically addressable spatial light modulator (SLM) was imaged onto the sample surface to generate surface acoustic waves whose frequency and wavefront was controlled by the SLM. When the grating period matched the surface acoustic wavelength, the surface wave was strongly excited, thus the wavelength and, thereby the phase velocity was determined. We present results with this method that allows the phase velocity and the angular dispersion of the generalized surface wave as well as the pseudo-surface wave on the (100) nickel to be measured. Measurements on (111) silicon single crystals are also presented. The measurement precision is approximately 0.2%. Methods to further improve the measurement precision are also discussed.