CN102141427A - 一种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法，发射换能器通过安装定位机构布置于测量水池中，激光测振仪探头通过三维定位装置安装于水池面，激光束垂直入射到水池内水与空气的交界面，并调整激光束与发射换能器的声轴重合；利用液体媒介与空气的交界面作为激光束的反射面，采用光学的方法检测声场参数，可得到声压量。本发明有益的效果：不需要在声场中布置反光透声膜片，简化了测量步骤。测量光束不需经过液体的内部，因此不需要考虑声光效应对光束的影响，不需要对测试结果进行修正，即可得到声场中的真实的质点振速量值，直接根据声压与质点振速之间的关系便可得到声压量值，提高了测量的效率。

Description

一种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法

技术领域

本发明涉及声场参数测量和校准领域，主要是一种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法。

背景技术

水声科研和生产活动中，水声声压是基本物理参量，水声声压的测量和量值传递一直是通过水听器进行的，这是直接测量声压的方法。为了保证水声声压量值的准确性，必须对传递水听器和标准水听器的灵敏度进行校准和测量。常用的校准方法有互易法和比较法。互易法一直是进行水听器校准的首选方法，但是互易法需要使用发射器和互易换能器进行三组安装操作，才能得到待校水听器的灵敏度，测量过程比较麻烦。比较法是通过比较标准水听器和待校水听器的输出来确定待校水听器的灵敏度。这两种校准方法的不确定度一般在0.7dB左右。

为了进一步提高校准的准确性，光学测量的方法开始引入到水声声压检测的领域中。其原理是通过光学的方法检测声场中的质点振动数据，利用液体中质点振速与声压之间的关系进而可以得到声场中的声压量值。基于光学测量的方法英国国家物理实验室于1988年在0.5MHz～15MHz频段范围内建立了一套国家基准取代传统的互易法来进行水听器的校准，其不确定灵敏度低于0.6dB。

光学方法用于水听器校准的原理和过程可参考附图1。声场中适当的位置放置反光透声膜片，膜片与介质中质点作同相等幅振动，激光束通过透光窗口入射到膜片表面，检测到膜片的振动，即可获得声场中质点振速的信息，进而推导可得到该处的声压量值。质点振速测量完成后移开膜片，将待校水听器布放到膜片所在的位置，测量水听器的开路输出电压。利用得到的声压量值和测量的开路电压数据，便可得到待校水听器的声压灵敏度。由于液体中光弹效应的存在，激光束在测量声场振动时受到声波的调制，光学方法直接测量得到的振动信息并不是真实的质点振速，需要对测量数据进行修正。膜片表面振速u和激光干涉仪所检测到的振速量v之间的关系可表示为v＝2n*u，n*被称为水介质的等效折射系数。对于平面波，n*的值约为1.01，对于球面波，n*的计算按照公式(1)。

$n^{*}=-n_0\frac{{\mathrm{kl}}_0-i}{{\mathrm{kl}}_0}+n_1{\mathrm{kl}}_0{e}^{{\mathrm{ikl}}_0}(\frac{e^{-{\mathrm{ikl}}_1}}{{\mathrm{kl}}_1}+i\underset{{\mathrm{kl}}_0}{\overset{{\mathrm{kl}}_1}{\∫}}\frac{e^{-\mathrm{ix}}}{x}\mathrm{dx})---\left(1\right)$

其中，k＝ω/c为波数；ω为角频率；n0是水介质的折射系数，n₁是水介质的光弹系数，i为虚数符号。

质点振速确定之后，声场中的声压p和水介质的质点振速u之间将满足关系式：p＝ρcu，其中，ρ为水介质的密度，c为声波在水介质中的速度。

可见，等效折射系数依赖于声波的形式(平面波、球面波等)、频率、以及膜片在声场中的布放位置等很多因素，因此会对测量结果的修正产生较大的影响。

发明内容

本发明的目的是为了避免介质声光干涉效应对质点振速测量结果的影响和对等效折射系数繁杂的计算，克服原来光学方法检测液体中质点振速时的技术缺陷，提高测试数据的准确性，提出了一种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法，是利用液体与空气的交界面作为光束反光面的检测方法，该方法不需要在声场中布置反光透声膜片，简化了测量步骤。测量光束不需经过液体的内部，因此不需要考虑声光效应对光束的影响，不需要对测试结果进行修正，即可得到声场中的真实的质点振速量值，直接根据声压与质点振速之间的关系便可得到声压量值，提高了测量的效率。

本发明解决其技术问题采用的技术方案：这种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法，步骤如下：

(1)、发射换能器通过安装定位机构布置于测量水池中，发射换能器离开液体介质与空气的分界面一定的距离d，激光测振仪探头通过三维定位装置安装于水池面，激光束垂直入射到水池内水与空气的交界面，并调整激光束与发射换能器的声轴重合；

(2)、信号源设定产生测量所需的信号，经过功率放大器后激励发射换能器工作，向水介质中辐射声波，调节三维定位装置使得激光测振仪发出的激光束经过水面反射后可以返回到激光器进行相干解调，将光信号转换为电信号，并由解码器进行解码输出，得到振动信息；

(3)、解码器的输出信号经过前置放大器放大后，采用滤波器对放大后的信号进行滤波，滤波后的信号输入到数字示波器进行采集、显示和数据读取。

作为优选，若激光测振仪的灵敏度为K，发射换能器所激励的水面处的质点振速为v，则有：

v＝1/2*U*K

进而可得到该处的声压量值p为：

p＝ρ*c*v＝1/2*ρ*c*U*K

其中，ρ为液体介质的密度，c为声波在液体介质中的声速。

所述的信号源，一般采用商业化的信号发生器，根据测量需求选定，测量时设定好信号的工作频率、幅值、信号形式(正弦、方波、三角波、脉冲或连续波等)等参数，将信号输入到功率放大器进行放大。

所述的功率放大器，一般采用商业化的功率放大器或者根据设计要求订制。其作用是在其标定的频率或者工作频带内对信号源的输出信号进行放大，满足激励发射换能器进行工作的要求。

所述的三维定位装置，其主要功能是满足换能器装夹定位和激光测振仪探头的三维定位调整。发射换能器通过三维定位装置可安装定位在测量水池中，利用定位机构的升降装置将换能器布放于水池内适当位置处。将激光测振仪探头固定在水池池面上，能对激光器探头进行三维调整。

所述的激光测振仪，一般采用能够完成所需工作频段内的振动信号检测的商业化的激光测振仪，或者采用适当的激光产生装置结合光电转换电路以及解调电路等能够完成振动检测功能的设备。

所述的前置放大器，一般选用商业化的设备，根据所需要的工作频段和放大增益进行选定。其主要功能是对其对激光测振仪解码输出之后的信号进行放大。

所述的滤波器，一般选用商业化的设备，根据所需要的工作频段和带外衰减等参数进行选定。其主要功能是对通过滤波器的输入信号进行通带外信号的滤除，消除噪声信号对测量结果的影响，提高检测的信噪比。

所述的数字示波器，一般根据工作频段和采样率需求选用商业化的设备。其主要功能是对激光测振仪的检测信号进行采集、显示和数据分析读取。

本发明有益的效果是：

(1)利用激光测振技术对声场参数(主要是质点振速)进行测量，进而得到声压量值。激光测量方法是一种非接触式测量方法，具有对测量声场不产生干扰的特点，并且具有很高的空间分辨率。

(2)利用液体媒介与空气的表面作为激光束的光学反射面，避免了传统光学测量方法测量声场是激光束需穿过声场受到光弹效应影响，从而对激光束产生调制作用，造成测量结果需要修正的不便。无需对等效折射系数进行复杂的计算。

(3)采用该方法对声场参数进行测量具有操作便捷易于实施的特点。

附图说明

图1光学方法用于水听器校准的原理框图；

图2本发明提出的技术方案和具体实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图2所示，本发明利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法，主要包括信号源、功率放大器、三维定位装置、激光测振仪、前置放大器、滤波器和数字示波器。发射换能器通过安装定位机构布置于测量水池中，激光测振仪探头通过三维定位装置安装于水池面，激光束垂直入射到水池内水与空气的交界面。信号源设定产生测量所需的信号，经过功率放大器后激励发射换能器工作，向水介质中辐射声波。调节三维定位装置使得激光测振仪发出的激光束经过水面反射后可以返回到激光器进行相干解调，将光信号转换为电信号，并由解码器进行解码输出，得到振动信息。解码器的输出信号经过前置放大器放大后，采用滤波器对放大后的信号进行滤波，滤波后的信号输入到数字示波器进行采集、显示和数据读取。

将发射换能器固定装夹到到三维定位装置，通过传动装置，将发射换能器布置在测量介质中，发射换能器离开液体介质与空气的分界面一定的距离d。将激光测振仪探头安装到三维定位装置，通过平移旋转等操作调节激光测振仪探头，使得激光束垂直入射到介质表面，并调整激光束与发射换能器的声轴重合。

将信号源、功率放大器、前置放大器、滤波器和数字示波器等设备按照图2的输入输出电连接方式进行连接。信号源的同步信号接入数字示波器的外触发端。设置信号源的频率、幅度、信号形式等参数，打开功率放大器电源，激励发射换能器向介质中辐射声波。激光测振仪的入射光束经过介质表面反射后返回激光测振仪探头，反射光束与激光测振仪本身的参考光束在解码器中进行相干解调，即可得到振动信息。解码器解调信号经过前置放大器和滤波器后在数字示波器上进行显示，读取信号的有效值U(单位：V)，若激光测振仪的灵敏度为K(单位：m/s/V)，发射换能器所激励的水面处的质点振速为v(单位：m/s)，则有：

v＝1/2*U*K

进而可得到该处的声压量值p为：

p＝ρ*c*v＝1/2*ρ*c*U*K

其中，ρ为液体介质的密度，c为声波在液体介质中的声速。

采用该方法对液体媒介中的声参数进行检测，由于激光光束的整个传播与反射过程均是在空气中完成的，液体的光弹效应不会对激光光束产生影响，因此，激光测振仪信号经解调后，即可直接得到声场中真实的质点振速值，进而可以推导得到声压量值，而无需考虑进行复杂的修正计算。

除上述实施例外，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法，其特征是：步骤如下：

(1)、发射换能器通过安装定位机构布置于测量水池中，发射换能器离开液体介质与空气的分界面一定的距离d，激光测振仪探头通过三维定位装置安装于水池面，激光束垂直入射到水池内水与空气的交界面，并调整激光束与发射换能器的声轴重合；

(2)、信号源设定产生测量所需的信号，经过功率放大器后激励发射换能器工作，向水介质中辐射声波，调节三维定位装置使得激光测振仪发出的激光束经过水面反射后可以返回到激光器进行相干解调，将光信号转换为电信号，并由解码器进行解码输出，得到振动信息；

(3)、解码器的输出信号经过前置放大器放大后，采用滤波器对放大后的信号进行滤波，滤波后的信号输入到数字示波器进行采集、显示和数据读取。

2.根据权利要求1所述的利用激光测振仪检测液体媒介中声场参数的方法，其特征是：若激光测振仪的灵敏度为K，发射换能器所激励的水面处的质点振速为v，则有：

v＝1/2*U*K

进而可得到该处的声压量值p为：

p＝ρ*c*v＝1/2*ρ*c*U*K

其中，ρ为液体介质的密度，c为声波在液体介质中的声速。

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