實(shí)驗(yàn)名稱：液體中超聲聲強(qiáng)的光電測(cè)量

研究方向：光電測(cè)量

測(cè)試目的：

聲強(qiáng)是描述聲場(chǎng)的基本物理量口，超聲效應(yīng)直接與聲強(qiáng)有關(guān)。例如在工程技術(shù)領(lǐng)域，液體中的聲場(chǎng)分布直接影響流場(chǎng)分布口，聲強(qiáng)的大小影響著超聲波清洗、霧化、乳化等效果。聲強(qiáng)還用于表征超聲換能器以及聲學(xué)人工結(jié)構(gòu)等的輻射性能液體中聲強(qiáng)的測(cè)量常用量熱法、輻射壓力法和光學(xué)法等回。光學(xué)法測(cè)量透明液體介質(zhì)中的聲強(qiáng)利用了聲光效應(yīng)。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)呈現(xiàn)疏密相間的交替變化，導(dǎo)致介質(zhì)的光折射率也隨之發(fā)生相應(yīng)的周期性變化。聲光效應(yīng)使得超聲場(chǎng)如同一個(gè)相位光柵光柵間距等于聲波波長(zhǎng)。當(dāng)光波通過(guò)此介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。

測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-8202射頻功率放大器、超聲換能器、上位機(jī)電腦。

圖：超聲光柵遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光場(chǎng)的觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：液體聲場(chǎng)光電測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置

液體聲場(chǎng)光電測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如上圖所示。它由兩個(gè)通道組成:D聲通道，由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器(Aigtek公司，型號(hào)ATA-8202)和超聲換能器(直徑30mm，準(zhǔn)直波束)組成，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)輸入到功率放大器，功率放大器驅(qū)動(dòng)超聲換能器發(fā)射超聲波。2光通道，由激光器(He-Ne激光器，單模輸出，波長(zhǎng)632.8nm，光束直徑≤1mm、透鏡組、底部放有消聲材料的液槽和CCD相機(jī)組成。激光器發(fā)出高斯光束，經(jīng)透鏡1(焦距50mm)和透鏡2(焦距400mm)擴(kuò)束后照射液槽。液槽中注入靜置24h以上(消除氣泡)的自來(lái)水，在超聲波的激勵(lì)下產(chǎn)生超聲光柵。液槽的出射光在透鏡3(焦距800mm)的后焦面上形成遠(yuǎn)場(chǎng)衍射場(chǎng)。柱面透鏡(焦距50mm將各級(jí)衍射光斑展開(kāi)呈水平直線，利于觀測(cè)。CCD相機(jī)的光敏面置于透鏡3的后焦面上。CCD相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，程控采集衍射場(chǎng)圖像。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

(1)無(wú)聲場(chǎng)時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)圖像特征參數(shù)提取。將準(zhǔn)直激光束通過(guò)無(wú)聲場(chǎng)時(shí)的液槽、透鏡3和柱面透鏡后形成的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像轉(zhuǎn)換為二維灰度數(shù)據(jù)矩陣。在灰度矩陣中提取第618行(中間行)數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯函數(shù)擬合，確定圖像的背景灰度、光斑峰值強(qiáng)度、光斑中心位置和光斑寬度。再在灰度矩陣中提取第309行和第927行數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯函數(shù)擬合，確定各自的光斑中心位置，計(jì)算條紋相對(duì)圖像豎直方向的傾斜角度。

(2)衍射圖像各級(jí)條紋特征參數(shù)提取。入射光束直徑的有限大小會(huì)導(dǎo)致各級(jí)衍射光場(chǎng)分布出現(xiàn)混疊光束直徑越大，混疊越弱。實(shí)驗(yàn)中，采用透鏡組對(duì)入射光束擴(kuò)束，目的就是減小混疊。下面的討論忽略了各級(jí)衍射光場(chǎng)之間的混疊。首先，在衍射圖像灰度矩陣中提取中間行。對(duì)該行進(jìn)行離散傅里葉變換，濾除高頻分量。再進(jìn)行離散傅里葉逆變換，得到平滑的曲線并尋找曲線峰值位置。最后，在平滑曲線各峰值位置附近進(jìn)行高斯函數(shù)擬合，得到各級(jí)光斑的峰值強(qiáng)度和中心位置。

(3)衍射圖像各級(jí)峰值強(qiáng)度歸一化。以介質(zhì)無(wú)聲場(chǎng)時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑中心位置為基準(zhǔn)，以各射光斑的最小間距為參考，確定各衍射光斑的射級(jí)次。為排除實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)聲強(qiáng)測(cè)量值的影響，需要將超聲光柵衍射圖像的各級(jí)峰值強(qiáng)度對(duì)介質(zhì)無(wú)聲場(chǎng)時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑峰值強(qiáng)度進(jìn)行歸一化。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯：湯梓紅