障碍物对液体表面波检测的影响研究

李能能

(西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安710077)



障碍物对液体表面波检测的影响研究

李能能

(西安航空学院 电子工程学院，陕西 西安710077)

为了研究障碍物对液体表面波检测的影响，本实验将一矩形障碍物放置在表面波的传播方向上，激光斜入射到表面波激发器与障碍物之间的区域，观察到衍射图样。当表面波传播到障碍物时发生反射，根据波的叠加原理，障碍物与激发器的距离不同，叠加后的表面波振幅也不同。通过改变障碍物与激发器之间的距离，观察屏上得到不同的衍射图样。利用计算机软件Matlab对不同的衍射图样扫描，得到不同的光强分布。根据光强分布及贝塞尔函数规律，得出不同距离处同一入射点的液体表面波振幅。实验结果表明：液体表面波振幅随着障碍物与激发器之间的距离增大以指数规律减小。

障碍物；液体表面声波；振幅；衍射；衰减

0　引言

自上世纪60年代激光诞生以后，激光很快被应用到液体表面声波(SAW)的检测中。1979年，Weisbuch等人首次分析了液体表面波的光学测量方法[1]，Bar-ter曾采用透射成像技术分析了液体表面声波[2-3]。对于不同频段的液体表面波，有研究采用不同的光学测量方法进行检测[4-5]。作者所在团队曾研究了液体表面波的衰减规律[6-8]，并研究了液体表面波衰减系数与频率之间的变化规律[9]。近年来，该团队又采用光学测量方法，通过检测液体表面波得到水下声场的信息，并取得了很好的实验效果[10-12]。

上述实验都是在理想的实验环境中进行和分析的。一方面，实验液体是蒸馏水，忽略液体表面杂质等干扰物的影响，理想认为是无杂质的表面。另一方面，分析实验现象时，假设液体表面是无穷大的平面，忽略容器边缘对实验的影响。但是，实际被测液体表面存在有杂质，被测液体是在有限的容器中，容器壁的反射会对实验结果产生影响。基于以上诸多因素的影响，本文引入矩形障碍物放于液体表面，激光束照射激发器与障碍物之间的液体表面，产生衍射。逐渐改变障碍物与激发器之间的距离，在远场的观察屏上观察到不同的衍射图样。对衍射图样的分析，得到远近不同的障碍物对液体表面波振幅的影响。

1　实验装置

实验装置如图1所示，由六部分组成：激光光源，低频信号发生器，表面波激发器，障碍物，样品池，光电数据采集及数据处理系统。液体置于样品池中。表面波激发器与函数信号发生器的输出连接，信号发生器输出正弦信号，驱动液体表面波激发器，在液体表面产生表面声波。表面波激发器固定在上下左右可移动的支架上，以便调节表面波激发器与激光入射点的距离。障碍物固定在上下左右可移动的支架上，以便调节障碍物与表面波激发器之间的距离。

本实验中，障碍物与表面波激发器均采用矩形物体，且在液体表面平行放置。未扩束的激光光束经滤光片斜入射到表面波激发器与障碍物之间的液体表面，在液体表面入射光斑为一椭圆形，长轴与表面波的传播方向平行，光斑大约照亮2～3个波形。入射光经表面声波时发生衍射，并在观察屏上观察到衍射图样。用CCD数据采集系统采集衍射图样，利用计算机软件对采集的衍射图样处理，可以得到液体表面声波的相关参数。

图1　实验装置

2　理论分析

实际环境中，液体表面粒子的运动较为复杂，但在实验环境中，由于小功率液体表面波激发器引起液体表面波的振幅较小，因此，该表面波可以近似为正弦波，表示为：

Y=hsin(ωt-kx)

(1)

未扩束的激光束1、2以较小的入射角θ斜入射到液体表面波，液体表面声波对入射光束调制，产生衍射衍射角为θ-φ，并在远场观察到衍射图样，原理如图2所示。

图2　实验原理

由于激光光速远大于液体表面波波速，因此，计算光程差时可近似认为表面波波形不变。根据傅里叶光学，对于理想的液体表面波，观察屏上衍射光场的复振幅分布为[13-14]：

(2)

式中，s为衍射光点在观察平面上的坐标，z为入射点到观察屏的距离，λ为入射激光的波长，L为激光光斑的宽度，J为虚数单位，Jn为n阶第一类贝塞尔函数，β=4πhcosθ/λ。

当在液体表面波传播方向有障碍物时，表面波遇到障碍物，由于波的反射原理，表面波反向传播，反射波可近似认为是由障碍物产生的表面波。因此，在振源和障碍物之间认为同时存在原表面波和反射波。根据波的独立传播特性，振源和障碍物之间任意一点的振幅可以看成是原表面波和反射波的叠加。当激光照射该区域，观察屏上的衍射图样可以认为是两列独立波产生的衍射光场的叠加。假设原表面波在观察屏上的复振幅为u1(s)，反射波在观察屏上的复振幅为u2(s)，由于原表面波与反射波在同一介质传播，所以波长相等，根据(2)式，则u1(s)和u2(s)可表示为：

(3)

(4)

观察屏上的衍射光强可表示为：

(5)

由该式可以得到：当激光入射角θ和激光波长λ一定时，各级衍射条纹的相对强度是振幅h一元函数。根据贝塞尔函数规律，通过任一级衍射光强度与零级衍射光强度比较，可求出衍射图样对应的液体表面波振幅h。随着障碍物与激发器之间距离的改变，同一激光入射点处的表面波振幅也改变。但由于液体表面波的衰减特性，障碍物离激发器越远，同一位置激光入射点处表面波振幅越小。

3　实验现象及数据分析

本实验采用纯净水作为实验样品，温度为25℃。激光在液体表面的入射角为1.45rad，表面波激发器与激光入射点的固定距离为6.5cm。入射点到观察屏的距离为3m。障碍物与表面波激发器的初始距离为13.5cm。低频函数信号发生器输出频率为150 Hz的正弦信号，选择适当的输出功率，在液体表面产生表面声波，使产生清晰的衍射图样。改变障碍物和激发器之间的距离，观察到不同的衍射图样。

(a)　　(b)　　(c)　　(d)　(e)　　(f)

图3为障碍物和激发器的距离分别为13.5cm，14.5cm，15.5cm，16.5cm，17.5cm，22.5cm时采集的衍射图样。从衍射图样可以看到衍射条纹十分清晰，条纹的对比度明显，衍射条纹显示明显的不对称性，衍射条纹级数随着障碍物与激发器之间的距离增大逐渐减少。

利用计算机软件Matlab对衍射图样扫描，得到不同衍射条纹的光强分布，结果发现衍射条纹的相对强度随着障碍物与激发器距离的变化而变化。由衍射图样的光强分布图得到不同距离处衍射光强的正负二级光强与零级光强比，正负一级光强与零级光强比，数据如表1所示。

表1　障碍物与激发器不同距离处的衍射条纹光强比

根据表面声波衍射光强分布理论，以及贝塞尔函数分布规律，已知光强比可求出液体表面波振幅。图3中的一个衍射图样对应一个表面波振幅。同一衍射图样有四个光强比，利用计算机软件，可求出四个表面波振幅，对这四个振幅求平均值，可得到不同距离处的液体表面波振幅，如表2所示。

表2　障碍物与激发器不同距离处液体表面波振幅

由表2的数据可以看出，液体表面声波振幅随着障碍物与激发器之间的距离增大而减小。

对表2中的振幅取对数，并用最小二乘法拟合，得到液体表面波振幅的对数值与距离的变化关系，如图4所示。

图4　振幅对数与距离的关系

由图4发现液体表面波振幅的对数与距离在误差范围内呈线性关系。由此证明：液体表面波振幅随着障碍物与激发器之间的距离呈指数规律变化，曲线的斜率为表面波的衰减系数。这与理论相符。

在实际的声光衍射效应中，有限的容器、不纯净的液体表面都会有不同程度的表面波反射，会对检测结果产生影响。且容器容积越小、液体表面障碍物的尺寸越大，影响程度越大，实验的测量结果越不准确。为了利用液体表面声光效应测得准确的液体表面性质，应尽可能将液体置于无限大容器，液体样品选用纯净的蒸馏水或其他无杂质液体。这是因为随着距离的逐渐增大，反射波的振幅逐渐减小，当杂质或容器壁距离激发器距离无穷大时，测量不会受到反射波的影响，测量越准确。

4　结论

(1)在液体表面波传播方向设置障碍物，激光照射障碍物与表面波激发器之间的区域，发生衍射。改变障碍物与激发器之间的距离，得到不同的衍射条纹。

(2)理论分析了有障碍物时，液体表面波激光衍射光强分布。分析了障碍物与激发器距离不同对同一入射点处表面波振幅的影响。

(3)实验中，改变障碍物与激发器之间的距离，得到不同距离处液体表面波振幅。定量分析结果显示：随着距离的增加，液体表面波振幅以指数规律减小。实验与理论相吻。

由此可得，在声光衍射效应中，为了提高测量准确度，应选择无尘实验室，液体容器尽可能选择较大容器。

(4)不足之处：该实验方法对于实验室中有限的障碍物测量准确度较高，但对于测量实际环境中液体表面杂质，精确度有待提高。

[1] Weisbuch G,Garbay F.Light Scattering by Surface Tension Waves[J].American Journal of Physics,1979,47(4):355-356.

[2] Barter J D,Lee P H Y.Real-time Wave-amplitude Spectrum Analyzer for Air-liquid Interfaces[J].Applied Physics Letters,1994,64(15):1896-1898.

[3] Barter J D,Lee P H Y.Imaging Surface-wave Analyzer for Liquid Surfaces[J].Applied Optics,1997,36(12):2630-2635.

[4] Li Q,Zhao M,Tang S,et al.Two-dimensional Scanning Laser Slope Gauge:Measurements of Ocean-ripple Structures[J].Applied Optics,1993,32(24):4590-4597.

[5] Miao R C,Zhao X F,Shi J.Modulated Interference of Reflected Light from A Liquid Surface Wave at Tens Hertz Frequencies[J].Optics Communications,2006,259(2):592-597.

[6] 苗润才,时坚,赵晓凤.干涉法测量低频表面波的衰减系数[J].光子学报,2005,34(3):382-385.

[7] 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 Letters,2002,80(17):3033-3035.

[8] 时坚,董军,曾祥梅,等.衍射法测量低频液体表面波的衰减系数[J].光学技术,2009,35(3):377-379,383.

[9] 苗润才,刘香莲,罗道斌.激光衍射法测表面波的衰减系数与频率的关系[J].激光杂志,2007,28(6):20-21.

[10] Miao R C,Wang Y M,Meng F,et al.Optical Measurement of the Liquid Surface Wave Amplitude with Different Intensities of Underwater Acoustic Signal[J].Optics communications,2014,313(4):285-289.

[11] 苗润才,许佳婷,谢甜,等.低频水下声信号的激光探测[J].应用光学,2012,33(5):974-978.

[12] 苗润才,王玉明,孟峰,等.水下低频声信号的激光探测及波的衰减[J].光子学报，2013,42(4):432-436.

[13] Goodman J W.Introduction to Fourier Optics[M].New York:McGraw-Hill,1968:69-72.

[14] 苗润才,罗道斌,朱峰,等.低频液体表面波激光衍射条纹的特征[J].光子学报，2007,36(11):2134-2137.

[责任编辑、校对：东艳]

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，甘肃平凉人，助教，主要从事声光技术及光电技术研究。

O436;O357.4+3

A

1008-9233(2016)05-0082-05