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.     

低频水下声信号的激光探测

根据表面波声光效应的原理,提出了一种低频水下声信号的激光探测技术,并建立了实验装置。在几十赫兹的低频段,对水下声源所产生的表面声波进行了探测。实验过程中,利用MATLAB软件对拍摄的衍射图样进行扫描分析,得到了衍射图样中条纹的像素差。根据波长与条纹间距的解析关系式,得到了低频液体表面声波波长,其大小在毫米量级。利用计算机编程,根据最小二乘法拟合色散关系的回归曲线,测量结果与理论色散关系吻合。该方法具有实时、非接触的特点。     

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。     

衍射法测量低频液体表面波的衰减系数

提出了一种可用于几百赫兹低频液体表面声波研究的激光衍射法测量新技术。在实验上采用入射光掠入射到表面波上在远场得到了中间亮,两边暗的高反衬度的衍射条纹,实验中发现对频率为几百赫兹的低频衰减液体表面波,当移动振源改变激光入射点与振源间距离时发现零级条纹消失,这意味着此时的衍射效率接近100%。在理论上给出了衍射光强度与表面波振幅的解析关系,并利用所提出的新技术实现了对几百赫兹液体表面波的衰减系数的实时测量。     

水下声辐射激励水表面声波的特征参数测量

采用激光干涉方法对水下声辐射激励水表面声波的特征参数频率和振幅进行了测量研究。从理论上对水表面声波激光相干测量信号的频谱构成进行了分析,在此基础上提出了水表面声波两个重要声学参数频率和振幅的解算方法,并通过数值仿真进行了验证。搭建了一套简单的激光干涉测量实验系统,对不同频率和声压激励的水表面声波进行了测量实验,验证了水表面声波频率和振幅解调方法的准确性。对水表面声波横向传播的振幅衰减现象进行了初步的实验研究,结果表明水表面声波的频率越高,振幅的横向衰减越快。研究表明激光相干检测方法能够准确地实现水表面声波振幅和频率的测量。      

液体表面波振幅与激发深度的关系

研究了液体表面波振幅随激发深度的变化特性.采用探针式激发器激发,观察到液体表面波的衍射图样;改变激发深度,得到不同激发深度处的衍射图样;根据衍射图样分布与表面波振幅之间的关系并进行计算机编程,获得表面波振幅与激发深度之间的关系.用最小二乘法拟合,发现:液体表面波振幅随激发深度的增加而减小,并呈指数规律.     

液体表面波振幅与激发深度的关系

研究了液体表面波振幅随激发深度的变化特性.采用探针式激发器激发,观察到液体表面波的衍射图样|改变激发深度,得到不同激发深度处的衍射图样|根据衍射图样分布与表面波振幅之间的关系并进行计算机编程,获得表面波振幅与激发深度之间的关系.用最小二乘法拟合,发现|液体表面波振幅随激发深度的增加而减小,并呈指数规律.     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

液体对微振动的放大效应

根据表面波声光效应的原理,实验上建立了固体表面微振动的激光衍射测量系统.当激光斜入射到微振动引起的液体表面波上,观察到了清晰、反衬度非常高的衍射图样.利用MATLAB软件对拍摄的衍射图样进行扫描,得到了衍射光斑的光强分布图,并根据衍射图样宽度与表面波振幅的解析关系式,求出了液体表面波的振幅,其大小在微米量级.改变样品池中液体的深度,测得不同深度下液体表面波的振幅,给出了表面波振幅与液体深度之间的解析关系,并发现了液体对微振动的放大效应.利用液体对微振动的放大效应,求出了固体表面微振动的振幅,实现了固体表面微振动的探测.     

利用流-固交界面上的伪瑞利波幅度进行液位检测的实验测量

基于流-固交界面上的伪瑞利波衰减依赖半空间流体性质这一特点,提出了一种利用伪瑞利波幅度测量液位的声学方法,并设计实验对其可行性进行了探讨。首先简要介绍了该方法的理论基础,回顾了前一篇文章的数值模拟工作所得到的重要结论;而后在水槽内进行实验,使用两个源距固定的横波换能器分别激发和接收铝制柱体表面的伪瑞利波,测量了不同液面高度下的脉冲伪瑞利波幅度及其主频偏移,并与数值模拟结果进行了比较。实验结果表明,测量所得的伪瑞利波幅度变化范围略小于数值模拟所得到的结果,但二者在反映变化规律上具有较好的一致性,即:随着液面高度的升高,脉冲伪瑞利波幅度近似呈指数下降,与此同时主频向低频偏移,偏移量近似呈线性规律增大。本文的研究结果从实验上验证了这一检测方法的可行性和有效性。      

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.     

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.     

基于蒙特卡洛法的水下无线光传输特性分析

水下无线光传输面临功率衰减和时域宽度变大的问题,蓝绿光长距离传输特性更难以测试。利用蒙特卡洛法对水下蓝绿高斯光束传输过程进行仿真,分析海水类型、传输距离和发散角等因素对接收功率及脉冲响应的影响,数值对比小发散角情况下不同海水类型和传输距离的接收面上功率分布。结果表明,随着海水衰减系数、传输距离和发散角的增加,接收功率逐渐减小,时域宽度扩展变大。其中浑浊港湾海水在10 m以上传输距离时,接收功率受发散角的影响微乎其微,而时域宽度随发散角的增加由0.32 ns变为0.8 ns。虽然传输距离相差一倍,纯海水和清澈海水功率相似度依然高达99%。基于海水衰减系数的差异性,利用功率相似度和面积比来研究水下长距离的传输,可高效快速地获得长距离传输特性。     

一维非线性声波传播特性

针对一维非线性声波的传播问题进行了有限元仿真和实验研究. 首先推导了一维非线性声波方程的有限元形式, 含有高阶矩阵的非线性项导致声波具有波形畸变、谐波滋生、基频信号能量向高次谐波传递等非线性特性. 编制有限元程序对一维非线性声波进行了计算并对仿真得到的畸变非线性声波信号进行处理, 分析其传播性质和物理意义. 为验证有限元计算结果, 开展了水中的非线性声波传播的实验研究, 得到了不同输入信号幅度激励下和不同传播距离的畸变非线性声波信号. 然后对基波和二次谐波的传播性质进行详细讨论, 分析了二次谐波幅度与传播距离和输入信号幅度的变化关系及其意义, 拟合出二次谐波幅度随传播距离变化的方程并阐述了拟合方程的物理意义. 结果表明, 数值仿真信号及其频谱均与实验结果有较好的一致性, 证实计算方法和结果的正确性, 并提出了具有一定物理意义的二次谐波随传播距离变化的简单数学关系. 最后还对固体中的非线性声波传播性质进行了初步探讨. 本研究工作可为流体介质中的非线性声传播问题提供理论和实验依据.     

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.