李能能

(西安航空學院 電子工程學院，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

(西安航空學院 電子工程學院，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。當表面波傳播到障礙物時發(fā)生反射，根據波的疊加原理，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。利用計算機軟件Matlab對不同的衍射圖樣掃描，得到不同的光強分布。根據光強分布及貝塞爾函數規(guī)律，得出不同距離處同一入射點的液體表面波振幅。實驗結果表明：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60年代激光誕生以后，激光很快被應用到液體表面聲波(SAW)的檢測中。1979年，Weisbuch等人首次分析了液體表面波的光學測量方法[1]，Bar-ter曾采用透射成像技術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測量方法進行檢測[4-5]。作者所在團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與頻率之間的變化規(guī)律[9]。近年來，該團隊又采用光學測量方法，通過檢測液體表面波得到水下聲場的信息，并取得了很好的實驗效果[10-12]。

上述實驗都是在理想的實驗環(huán)境中進行和分析的。一方面，實驗液體是蒸餾水，忽略液體表面雜質等干擾物的影響，理想認為是無雜質的表面。另一方面，分析實驗現象時，假設液體表面是無窮大的平面，忽略容器邊緣對實驗的影響。但是，實際被測液體表面存在有雜質，被測液體是在有限的容器中，容器壁的反射會對實驗結果產生影響。基于以上諸多因素的影響，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，產生衍射。逐漸改變障礙物與激發(fā)器之間的距離，在遠場的觀察屏上觀察到不同的衍射圖樣。對衍射圖樣的分析，得到遠近不同的障礙物對液體表面波振幅的影響。

1　實驗裝置

實驗裝置如圖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，光電數據采集及數據處理系統。液體置于樣品池中。表面波激發(fā)器與函數信號發(fā)生器的輸出連接，信號發(fā)生器輸出正弦信號，驅動液體表面波激發(fā)器，在液體表面產生表面聲波。表面波激發(fā)器固定在上下左右可移動的支架上，以便調節(jié)表面波激發(fā)器與激光入射點的距離。障礙物固定在上下左右可移動的支架上，以便調節(jié)障礙物與表面波激發(fā)器之間的距離。

本實驗中，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。未擴束的激光光束經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數據采集系統采集衍射圖樣，利用計算機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參數。

圖1　實驗裝置

2　理論分析

實際環(huán)境中，液體表面粒子的運動較為復雜，但在實驗環(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制，產生衍射衍射角為θ-φ，并在遠場觀察到衍射圖樣，原理如圖2所示。

圖2　實驗原理

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

(2)

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

當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，反射波可近似認為是由障礙物產生的表面波。因此，在振源和障礙物之間認為同時存在原表面波和反射波。根據波的獨立傳播特性，振源和障礙物之間任意一點的振幅可以看成是原表面波和反射波的疊加。當激光照射該區(qū)域，觀察屏上的衍射圖樣可以認為是兩列獨立波產生的衍射光場的疊加。假設原表面波在觀察屏上的復振幅為u1(s)，反射波在觀察屏上的復振幅為u2(s)，由于原表面波與反射波在同一介質傳播，所以波長相等，根據(2)式，則u1(s)和u2(s)可表示為：

(3)

(4)

觀察屏上的衍射光強可表示為：

(5)

由該式可以得到：當激光入射角θ和激光波長λ一定時，各級衍射條紋的相對強度是振幅h一元函數。根據貝塞爾函數規(guī)律，通過任一級衍射光強度與零級衍射光強度比較，可求出衍射圖樣對應的液體表面波振幅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，同一位置激光入射點處表面波振幅越小。

3　實驗現象及數據分析

本實驗采用純凈水作為實驗樣品，溫度為25℃。激光在液體表面的入射角為1.45rad，表面波激發(fā)器與激光入射點的固定距離為6.5cm。入射點到觀察屏的距離為3m。障礙物與表面波激發(fā)器的初始距離為13.5cm。低頻函數信號發(fā)生器輸出頻率為150 Hz的正弦信號，選擇適當的輸出功率，在液體表面產生表面聲波，使產生清晰的衍射圖樣。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。

利用計算機軟件Matlab對衍射圖樣掃描，得到不同衍射條紋的光強分布，結果發(fā)現衍射條紋的相對強度隨著障礙物與激發(fā)器距離的變化而變化。由衍射圖樣的光強分布圖得到不同距離處衍射光強的正負二級光強與零級光強比，正負一級光強與零級光強比，數據如表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比

根據表面聲波衍射光強分布理論，以及貝塞爾函數分布規(guī)律，已知光強比可求出液體表面波振幅。圖3中的一個衍射圖樣對應一個表面波振幅。同一衍射圖樣有四個光強比，利用計算機軟件，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的數據可以看出，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，并用最小二乘法擬合，得到液體表面波振幅的對數值與距離的變化關系，如圖4所示。

圖4　振幅對數與距離的關系

由圖4發(fā)現液體表面波振幅的對數與距離在誤差范圍內呈線性關系。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規(guī)律變化，曲線的斜率為表面波的衰減系數。這與理論相符。

在實際的聲光衍射效應中，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，會對檢測結果產生影響。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，實驗的測量結果越不準確。為了利用液體表面聲光效應測得準確的液體表面性質，應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，當雜質或容器壁距離激發(fā)器距離無窮大時，測量不會受到反射波的影響，測量越準確。

4　結論

(1)在液體表面波傳播方向設置障礙物，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分布。分析了障礙物與激發(fā)器距離不同對同一入射點處表面波振幅的影響。

(3)實驗中，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。定量分析結果顯示：隨著距離的增加，液體表面波振幅以指數規(guī)律減小。實驗與理論相吻。

由此可得，在聲光衍射效應中，為了提高測量準確度，應選擇無塵實驗室，液體容器盡可能選擇較大容器。

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

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[責任編輯、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，甘肅平涼人，助教，主要從事聲光技術及光電技術研究。

O436;O357.4+3

A

1008-9233(2016)05-0082-05