CN103308142B - 一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法及装置。该方法如下：以一束单色平行光垂直于超声的传播方向照明超声波在液体中形成的动态超声光栅；该动态超声光栅经过透镜后形成行波超声位相光栅的衍射频谱，利用振幅滤波器及成像透镜对该频谱进行处理及成像，得到超声行波光栅的频谱像，测量频谱像上相邻两谱线间距，通过计算得到超声波在液体中的波长；检测或记录频谱像上一级频谱与零级频谱混频后的电信号变化，得到超声波的频率；通过波长和频率，即得到超声波在液体中的速度。实现该方法的装置包括依次连接的光源、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜、测量装置，吸声介质和超声换能器位于透明水槽内部且分别位于两侧。

Description

一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法及装置

技术领域

本发明属于光学测量与计量技术领域，特别涉及一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法及装置。

背景技术

声波或超声波在液体中的传播速度准确测量有实用意义，在声纳探测定位及液体特性测量等领域有重要应用。目前测量液体中的声速的方法主要有驻波法、位相法、超声光栅法等。驻波法和位相法需要装置的调节及移动，测量速度慢，对液体造成扰动，容易引起测量误差，所以超声光栅法应用最为广泛。超声光栅测量方法一般分为光栅衍射法、海德曼法、成像条纹法等，这些方法的共同点是要通过调节超声反射面的位置及角度，形成稳定的超声驻波位相光栅，操作调节过程比较繁琐，有的对超声光栅的成像要求较高。此外，还要已知超声波的工作频率，通过测量得到超声波的波长，利用理论公式间接测量超声波的传播速度。实际上，超声行波在传播的过程中已包含超声波的速度及频率等信息，因此，有必要提供一种更为简单、容易操作的测量方法和装置来测量超声行波的速度及频率。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述测量超声行波在液体中的速度与频率的方法的装置。

本发明的另一目的在于提供所述装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法，包含以下步骤：

（1）以一束单色平行光垂直于超声的传播方向照明超声波在液体中形成的动态超声光栅；

（2）步骤（1）的动态超声光栅经过透镜后形成行波超声位相光栅的衍射频谱，利用振幅滤波器及成像透镜对该频谱进行处理及成像，得到超声行波光栅的频谱像，测量频谱像上相邻两谱线间距x_f，通过

${\mathrm{\λ}}_s=\frac{\mathrm{q\λf}}{x_f}---\left(0\right)$

计算得到超声波在液体中的波长λ_s，其中q为频谱级数，λ为入射光波长，f为透镜焦距；检测或记录频谱像上一级频谱与零级频谱混频后的电信号变化，得到超声波的频率；

（3）通过波长和频率，即得到超声波在液体中的速度；

步骤（2）中所述的透镜优选为凸透镜或傅里叶透镜；

步骤（2）中所述的测量频谱像上相邻两谱线间距x_f优选为通过测微目镜、面阵光电探测器或带小孔的光电探测器进行测量；

当使用测微目镜或面阵光电探测器进行测量时，测量频谱像像上相邻两谱线间距，通过（0）式求得超声波的波长λ_s；

当使用带小孔的光电探测器进行测量时，优选为将带小孔的光电探测器对准频谱或极大光点，沿光谱方向x_f扫描，得到光强与x_f方向距离的曲线，计算两个相邻极大值之间的距离，通过（0）式求得超声波的波长λ_s；

步骤（2）中所述的检测或记录频谱像上一级频谱与零级频谱混频后的电信号变化优选为使用带小孔的光电探测器检测或是使用刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器进行测量；刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器指的是其刷新速度或频率大于超声波的频率；

步骤（3）中所述的速度的计算公式如下：v_s＝λ_sf_s；其中，λ_s为超声波在液体中的波长，f_s为超声波的频率；

实现上述测量超声行波在液体中的速度与频率的方法的装置，包括光源、透明水槽、吸声介质、超声换能器、透镜I、振幅滤波器、成像透镜、测量装置、放大电路和示波器；其中，当测量超声波的波长时，光源、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜以及测量装置沿着光束前进的方向依次排列，此时，测量装置为测微目镜、面阵光电探测器或带小孔的光电探测器；当测量超声波的频率时，光源、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜以及测量装置沿着光束前进的方向依次排列，测量装置与放大电路和示波器依次连接，此时，测量装置为带小孔的光电探测器或是刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器；吸声介质和超声换能器分别位于透明水槽内部的平行于光束方向的两侧，且超声换能器、光源发出且经过透明水槽的光线与吸声介质沿超声发射方向呈依次排列关系；吸声介质用于吸收经过光线垂直照明的超声波；该装置可用于频率超过3M赫兹以上超声波的速度测量；

所述的装置还包括扩束透镜、光阑和准直透镜；其中，当测量超声波的波长时，光源、扩束透镜、光阑、准直透镜、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜以及测量装置沿着光束前进的方向依次排列，此时，测量装置为测微目镜、面阵光电探测器或带小孔的光电探测器；当测量超声波的频率时，光源、扩束透镜、光阑、准直透镜、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜以及测量装置沿着光束前进的方向依次排列，测量装置与放大电路和示波器依次连接，此时，测量装置为带小孔的光电探测器或是刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器；该装置的应用范围更广，不仅可用于超声波的速度和频率的测量，也可用于普通声波的速度和频率的测量；

所述的装置还可包括计算机，计算机分别与测量装置或示波器连接；

所述的光源优选为单色光源或普通的低功率激光器，如汞灯、钠灯、氦氖激光器或半导体激光二极管等；

所述的光阑优选为孔径直径为10到30微米的光阑；

所述的透明水槽的材质可为有机玻璃或光学玻璃；

所述的吸声介质优选为吸声橡胶或吸声海绵；

所述的透镜I为凸透镜或傅里叶透镜；

所述的振幅滤波器优选为通过镀膜、刻蚀或照相制版在一块透明玻璃上制备一个小圆形黑点得到，小圆形黑点的直径在10微米至500微米之间，小圆形黑点透过率为1%到20%之间；

所述的测微目镜优选为测量范围达5毫米、测量精度为10微米的测微目镜；

所述的面阵光电探测器可选如CCD、COMS等面阵光电器件，其光谱响应应与光源波长匹配；

所述的带小孔的光电探测器中小孔的大小优选为能同时通过一级及零级谱线；

在测量超声波频率时，所述的带小孔的光电探测器的工作频率响应范围要大于超声波的工作频率，才能准确测量其频率；同样，所述的放大电路的频率以及所述的示波器的工作频率响应范围要大于超声波的工作频率，才能准确测量其频率；

上述的装置的应用方法，包括如下步骤：

（1）在透明水槽内装入液体，打开超声换能器，得到行波超声光栅；

（2）装上光源，调节光源发出的光束与光学平面或光具座平行，调节扩束透镜、光阑、准直透镜、透镜I与光源发出的光束共轴；调节扩束透镜、光阑、准直透镜的相对位置，获得一束光斑均匀的平行光，投射到由超声换能器和吸声介质产生的行波超声光栅上；

（3）测量波长时，使用面阵光电探测器、带小孔的光电探测器以及测微目镜能分别测量得到，具体如下：

①当使用面阵光电探测器测量时，沿光束方向，调节振幅滤波器与透镜I的相对位置，使振幅滤波器置于透镜I的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜的位置，使振幅滤波器位于成像透镜前方2倍焦距处，再调节面阵光电探测器的位置，使面阵光电探测器位于成像透镜后方2倍焦距处，接收频谱像面信息，记录及测量相邻两谱线之间的距离，便可求得超声波的波长λ_s；

②当使用带小孔的光电探测器测量时，沿光束方向，调节振幅滤波器与透镜I的相对位置，使振幅滤波器置于透镜I的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜的位置，使振幅滤波器位于成像透镜前方2倍焦距处，再调节面阵光电探测器的位置，使面阵光电探测器位于成像透镜后方2倍焦距处，微调带小孔的光电探测器，使其对准频谱或极大光点，沿光谱方向x_f扫描针孔，得到光强与x_f方向距离的曲线，计算两个相邻极大值之间的距离，从而求得超声波的波长λ_s；

③当使用测微目镜测量时，沿光束方向，调节振幅滤波器与透镜I的相对位置，使振幅滤波器置于透镜I的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜的位置，使振幅滤波器位于成像透镜前方2倍焦距处，调节测微目镜，使其看清焦平面上的频谱像，用测微目镜测量相邻两谱线间的距离；

（4）测量超声波的频率时，将带小孔的光电探测器中的小孔对准一级谱线及零级谱线位置，使它们同时被该光电探测器接收，通过示波器测出超声波的频率；或是使用刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器，由频谱像中+1级谱线与零级谱线混频后的信号随时间的变化规律同时测得超声波的频率f_s。

本发明的原理：超声波是一种纵波，其在传播的过程中周期性地挤压液体等介质，在传播方向上形成周期性空间折射率分布，即动态的行波超声位相光栅。对于人眼及CCD等探测器来说，超声波频率太高，因而在透镜成像面上无法观察到行波超声光栅的像，但在透镜频谱面上却可以观察到行波超声光栅的频谱，这也意味着可以对其频谱进行测量、记录或成像。本发明依据超声光栅衍射原理，以一束单色平行光垂直于超声的传播方向照明其形成的动态的行波超声光栅，在超声的另一侧，通过透镜得到行波超声位相光栅的频谱。在频谱面上加入振幅滤波器对该频谱进行处理，再使用成像透镜得到行波超声位相光栅的频谱像，利用面阵光电探测器记录及测量频谱像上相邻两谱线间距，通过计算得到超声波在液体中的波长。若已知超声波的频率，就可间接快速测得超声在液体中的速度，实现对超声在液体中传播速度的快速或实时测量；也可以通过带小孔光电探测器检测或记录频谱像上+1级或-1级频谱与零级频谱混频后的电信号变化，直接测量超声波的频率。本发明方法可以同时测得超声行波在液体中的波长及频率，不必知道一个量求另外一个量。

设声光介质中的超声行波是沿x方向传播的平面纵波并形成动态的超声光栅，其角频率为ω_s，波长为λ_s，k_s＝2π/λ_s为波数。入射平行光的角频率为ω，真空中的波长为λ，波数k＝2π/λ。当光波垂直通过宽度为l、厚度为d、折射率为n₀的声光介质时，其相位差，可由以下公式表示，其中x为位置坐标，t是时间：

$\mathrm{\Δ\φ}(x,t)=\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_m\sin ({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)+{\mathrm{kn}}_{0}d,(-\frac{l}{2}\≤x\≤\frac{l}{2})---\left(1\right)$

δφ_m＝kdΔn_m为相位差的变化幅值，Δn_m为折射率的变化幅值，与介质及超声波源的特性有关。

相应地，单色平行光束通过行波对应的超声位相光栅振幅透过率函数T(x,t)如下，i为复数：

$T(x,t)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{l}\right)e^{\mathrm{i\Δ\φ}(x,t)}=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{l}\right)e^{\mathrm{i\δ}{\mathrm{\φ}}_m\sin ({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)}{e}^{\mathrm{ik}{n}_{0}d}---\left(2\right)$

其中，为矩形函数，常数项对后面的理论推导并不起作用，忽略此项得：

$T(x,t)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{l}\right)e^{\mathrm{i\δ}{\mathrm{\φ}}_m\sin ({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)}---\left(3\right)$

不难得出，透过该行波超声位相光栅后的光的振幅函数U(x,t)为：

U(x,t)＝T(x,t)e^iωt（4）

又由贝塞尔函数可知，式（3）中的指数项可以展开为贝塞尔函数：

$e^{\mathrm{i\δ}{\mathrm{\φ}}_m\sin ({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)}=\underset{q=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_q\left(\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_m\right)\·e^{\mathrm{iq}({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}x)}---\left(5\right)$

联立（3）、（4）、（5）式得

$U(x,t)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{l}\right)\underset{q=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_q\left(\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_m\right)\·e^{i(\mathrm{\ω}+q{\mathrm{\ω}}_s)t}\·e^{-\mathrm{iq}{k}_{s}x}---\left(6\right)$

设光场沿x_f方向分布，由衍射理论，在透镜后焦面或频谱面上的光场复振幅分布为：

$U(x_f,t)=\frac{1}{\mathrm{i\λf}}F\left[U(x,t)\right]---\left(7\right)$

式（7）中f为透镜的焦距，由指数函数的傅里叶变换公式

$F\left(e^{i2\mathrm{\π}{f}_{0}x}\right)=\mathrm{\δ}(f_x-f_0)=\mathrm{\δ}(\frac{x_f}{\mathrm{\λf}}-f_0)---\left(8\right)$

上式中f_x及f₀表示频谱，得

$U(x_f,t)=\frac{l}{\mathrm{i\λf}}\underset{q=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[J_q\left(\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_m\right)\·e^{i(\mathrm{\ω}+q{\mathrm{\ω}}_s)t}]\·\sin c\left[\frac{l}{\mathrm{\λf}}(x_f+\mathrm{qf\λ}/{\mathrm{\λ}}_s)\right]---\left(9\right)$

其中q取整数，则后焦面上的光强沿x_f方向分布为：

$I\left(x_f\right)=\underset{q=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_q^2\left(\mathrm{\δ}{\mathrm{\φ}}_m\right)\sin c^2\left[\frac{l}{\mathrm{\λf}}(x_f+\mathrm{qf\λ}/{\mathrm{\λ}}_s)\right]---\left(10\right)$

分析（1）、（9）及（10）式可知：

（1）超声行波形成的超声位相光栅在时间与空间域是动态的，振幅分布随时间及空间作周期性变化；

（2）尽管动态超声位相光栅在快速运动，在焦平面或频谱面上得到光栅的衍射频谱在空间域是稳定的，即出现一排极大光点或谱线。若l?2λ_s，则衍射条纹的第q级谱线的峰值强度为相应的谱线位置为

$x_f=-\frac{\mathrm{q\λf}}{{\mathrm{\λ}}_s}---\left(11\right)$

测量相邻谱线位置差或间距，可以得到超声波的波长λ_s；

（3）由式（10）及第一类贝塞尔函数可知，对于弱位相光栅，频谱面上衍射光强主要集中在零级谱线上，一级以上频谱的光强很弱。用面阵光电探测器对其同时记录与测量很困难。

（4）在q级谱线处，光场振幅以ω±qω_s的频率随时间的变化而变化。其中正负一级衍射频谱的光频分别为ω+ω_s及ω-ω_s。若在频谱面上放置一带小孔的快速响应光电探测器，同时让一级谱线与零级谱线进入该光电探测器，其混频后的信号经放大电路再接入示波器中，由于探测器的低通滤波作用，则示波器可以测出频超声波的频率f_s，超声波的频率与圆频率关系为

f_s＝ω_s/2π（12）

再由

v_s＝λ_sf_s（13）

计算得出超声波在液体中的速度v_s。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明利用超声行波形成的超声光栅可以测量超声波的速度。

（2）本发明无需精密调节超声反射镜来产生稳定的驻波超声光栅。

（3）本发明可以直接测量超声波的频率。不需已知超声波的频率，就能测量其速度。

（4）本发明提供的测量装置光路简单，所需元件少，调节方便，测量速度快，容易实现自动控制及测量，且不需预先知道超声波的频率，可推广应用。

（5）本发明提供的装置中超声换能器驱动功率低，使用普通信号发生器就可产生行波超声光栅，实现其速度测量。

（6）本发明提供的方法和装置适合于同时测量普通声波的速度及频率。

附图说明

图1是实施例1提供的装置及光路的示意图，其中：1-光源，2-扩束透镜，3-光阑，4-准直透镜，5-透明水槽，6-超声换能器，7-吸声介质，8-透镜，9-振幅滤波器，10-成像透镜，11-面阵光电探测器，12-计算机，图中的波浪线指的是超声波。

图2是实施例2提供的装置及光路的示意图，其中：1-光源，2-扩束透镜，3-光阑，4-准直透镜，5-透明水槽，6-超声换能器，7-吸声介质，8-透镜，9-振幅滤波器，10-成像透镜，13-带小孔的光电探测器，14-放大电路，15-示波器。

图3是实施例3提供的装置及光路的示意图，其中：1-光源，2-扩束透镜，3-光阑，4-准直透镜，5-透明水槽，6-超声换能器，7-吸声介质，8-透镜，9-振幅滤波器，10-成像透镜，16-测微目镜。

图4是使用实施例1提供的装置拍摄得到行波超声光栅的频谱图。

具体实施方式

下面结合实施例子及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供的装置用于测量超声波的波长。如图1所示，包含光源1、扩束透镜2、光阑3、准直透镜4、透明水槽5、超声换能器6、吸声介质7、透镜8、振幅滤波器9、成像透镜10、面阵光电探测器11和计算机12；光源1、扩束透镜2、光阑3、准直透镜4、透明水槽5、透镜8、振幅滤波器9、成像透镜10和面阵光电探测器11沿着光束前进方向依次排列，超声换能器6和吸声介质7分别位于透明水槽5内部与光束平行的两侧，面阵光电探测器11和计算机12连接。其中，光源1可以为单色光源或普通低功率激光器，如汞灯、钠灯、氦氖激光器或半导体激光二极管等；光阑3的直径约10到30微米，位于扩束透镜2及准直透镜4之间且在它们的焦点上；水槽5可由透明有机玻璃或光学玻璃制作；位于透明水槽5内部的超声换能器6可由普通信号发生器或专用信号电源驱动，可以调节其位置及发射超声波的方向；吸声介质7为吸声海绵或吸声橡胶，用于吸收超声波，防止超声波在水槽壁反射，保证形成行波超声光栅；透镜8为凸透镜或傅里叶透镜，在其焦平面上得到光栅的衍射频谱；振幅滤波器9可以是一块透明玻璃上的一个小圆形黑点，可以通过镀膜、刻蚀或照相制版等工艺制得，其直径在10微米至500微米之间，约艾里斑（Airydisc）大小，与透镜8的焦距有关，黑点透过率可以设计在1%到20%之间，放置在透镜8的后焦面上并与零级频谱重合；调节成像透镜10对前方通过振幅滤波器9的频谱进行成像，可以选择对该频谱成像的放大倍数为一倍，即成像透镜10位于频谱或振幅滤波器9后面2倍焦距处；面阵光电探测器11可选用CCD、COMS等面阵光电器件，其光谱响应应与光源波长匹配，将其放置在成像透镜10后方成像面处；在计算机12上显示、记录并拍摄频谱像。由面阵光电探测器11像素点的大小、透镜焦距及图片中相邻两谱线之间包含像素点数得出相邻两谱线的实际距离，由此得超声波波长λ_s。

使用该装置测量超声波的波长，包括如下步骤：

（1）在透明水槽5内装入纯净水，打开超声换能器6，超声换能器6和吸声介质7产生行波超声光栅。

（2）装上光源1，调节单色光源1发出的光束与光学平面或光具座平行，调节扩束透镜2、光阑3、准直透镜4、透镜8与光源1发出的光束共轴。调节扩束透镜2、光阑3、准直透镜4的相对位置，获得一束光斑均匀的平行光，投射到步骤（1）得到的行波超声光栅上。

（3）沿光束方向，调节振幅滤波器9与透镜8的相对位置，使振幅滤波器9置于透镜8的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜10的位置，使振幅滤波器9位于其前方2倍焦距处，再调节面阵光电探测器11的位置，使面阵光电探测器11位于成像透镜10后方2倍焦距处，即接收频谱像面信息，通过计算机12观察、记录及测量相邻两谱线之间的距离，便可按（0）式求得超声波的波长λ_s。

若面阵光电探测器11的刷新速度或频率足够大，即两次相邻曝光时间间隔足够短，也可以由频谱像中+1级谱线与零级谱线混频后的信号随时间的变化规律同时测得超声波的频率f_s，计算出超声波在液体中的速度。

实施例2

本实施例用于测量超声波的波长及超声频率。采用如图2所示的装置，其包含包含光源1、扩束透镜2、光阑3、准直透镜4、透明水槽5、超声换能器6、吸声介质7、透镜8、振幅滤波器9、成像透镜10、带小孔的光电探测器13（带小孔的响应频率足够大的光电探测器）、放大电路14和示波器15；光源1、扩束透镜2、光阑3、准直透镜4、透明水槽5、透镜8、振幅滤波器9、成像透镜10以及带小孔的光电探测器13沿着光束前进方向依次排列，带小孔的光电探测器13置于测量微调座上，带小孔的光电探测器13、放大电路14和示波器15依次连接，超声换能器6和吸声介质7分别位于透明水槽5内部与光束平行的两侧。其中，带小孔的光电探测器13的小孔尺寸可以调节或可以置换，带小孔的光电探测器13、放大电路14及示波器15的工作频率响应范围要大于超声波的工作频率，才能准确测量其频率，其他部件同实施例1。测量超声波在液体中的波长时，小孔尽可能小，也可以把示波器15换成电压表或电流表来显示光强变化。通过测量相邻两级光谱之间的距离间接得到超声波的速度。

使用该装置测量超声波的波长及频率，包括如下步骤：

（1）同实施例1步骤（1）。

（2）同实施例1步骤（2）。

（3）沿光束方向，调节振幅滤波器9与透镜8的相对位置，使振幅滤波器9置于透镜8的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜10的位置，使振幅滤波器9位于其前方2倍焦距处。通过调整测量微调座，使带小孔的光电探测器13对准零级及第一级谱线位置，使它们同时被该光电探测器13接收，通过示波器15测出超声波的频率f_s。按（0）式计算得超声波的波长，再按式（13）计算超声行波在液体中的速度。

实施例3

本实施例提供的装置可用于测量超声波的波长。其构成部件和部件之间的排布大致与实施例1提供的装置相同，区别在于不含计算机12以及选用测微目镜16代替面阵光电探测器11。光源1可以为单色光源或普通低功率激光器，如汞灯、钠灯、氦氖激光器、半导体激光二极管等，其发出的光束通过扩束镜2、光阑3、准直镜4后输出均匀的平行光，投射到由超声换能器6和吸声介质7产生的行波超声光栅上，经过透镜8形成超声光栅的频谱，频谱经振幅滤波器9处理后经成像透镜10得到光栅的频谱像，用测微目镜测量相邻两谱线见的距离，通过计算得超声波波长λ_s。

使用该装置测量超声波的波长，包括如下步骤：

（1）同实施例1步骤（1）。

（2）同实施例1步骤（2）。

（3）沿光束方向，调节振幅滤波器9与透镜8的相对位置，使振幅滤波器9置于透镜8的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜10的位置，使振幅滤波器9位于其前方2倍焦距处。经过透镜8形成超声光栅的频谱，频谱经振幅滤波器处理后经成像透镜得到光栅的频谱像。调节测微目镜16，使其看清焦平面上的频谱像，测量相邻频谱之间的距离，即可按（0）式计算超声波的波长。

应用实施例

使用实施例1提供的装置对在纯净水中的超声波的速度进行检测，其中，光源1（波长为632.8nm），透镜8为凸透镜，吸声介质7为吸声橡胶，面阵光电探测器为CCD摄像机。按实施例1中的步骤使用该装置测量超声波的速度。

CCD摄像机拍摄的行波超声光栅的频谱图如图4所示。根据实验所采用的CCD摄像机像素尺寸的大小（3.75μm/像素），以及图像处理技术，获得相邻两谱线的宽度约为187.5μm。依据式（11）以及实验中采用的光源波长（632.8nm）与透镜8焦距（183mm）大小计算得超声行波的波长约为624.4μm，再由示波器的测量得到其频率约为f_s＝2.4MHz，由式（13）可得超声波在水中的速度约为1498.6m/s，与常用的理论值1450m/s接近。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种测量超声行波在液体中的速度与频率的方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)以一束单色平行光垂直于超声的传播方向照明超声波在液体中形成的动态超声光栅；

(2)步骤(1)的动态超声光栅经过透镜后形成超声行波光栅的衍射频谱，利用振幅滤波器及成像透镜对该频谱进行处理及成像，得到超声行波光栅的频谱像，测量频谱像上相邻两谱线间距x_f，通过计算得到超声波在液体中的波长λ_s，其中q为频谱级数，λ为入射光波长，f为透镜焦距；检测或记录频谱像上一级频谱与零级频谱混频后的电信号变化，得到超声波的频率；

(3)通过波长和频率，即得到超声波在液体中的速度。

2.根据权利要求1所述的测量超声行波在液体中的速度与频率的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的透镜为凸透镜或傅里叶透镜。

3.根据权利要求1所述的测量超声行波在液体中的速度与频率的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的测量频谱像上相邻两谱线间距为通过测微目镜、面阵光电探测器或带小孔的光电探测器进行测量；

当使用测微目镜或面阵光电探测器进行测量时，测量频谱像上相邻两谱线间距x_f，通过公式求得超声波的波长λ_s；

当使用带小孔的光电探测器进行测量时，是将带小孔的光电探测器对准频谱或极大光点，沿光谱方向扫描针孔，得到光强与光谱方向距离的曲线，测量两个相邻极大值之间的距离x_f，通过公式求得超声波的波长λ_s。

4.根据权利要求1所述的测量超声行波在液体中的速度与频率的方法，其特征在于：步骤(2)中所述的检测或记录频谱像上一级频谱与零级频谱混频后的电信号变化为使用带小孔的光电探测器或刷新速度或频率大于超声波频率的面阵光电探测器进行测量。

5.根据权利要求1所述的测量超声行波在液体中的速度与频率的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的速度的计算公式如下：v_s＝λ_sf_s；其中，λ_s为超声波在液体中的波长，f_s为超声波的频率。

6.实现权利要求1所述测量超声行波在液体中的速度与频率的方法的装置，其特征在于：包括光源、扩束透镜、光阑、准直透镜、透明水槽、吸声介质、超声换能器、透镜I、振幅滤波器、成像透镜、测量装置、放大电路和示波器；

其中，当测量超声波的波长时，光源、扩束透镜、光阑、准直透镜、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜以及测量装置沿着光束前进的方向依次排列，此时，测量装置为测微目镜、面阵光电探测器或带小孔的光电探测器；当测量超声波的频率时，光源、扩束透镜、光阑、准直透镜、透明水槽、透镜I、振幅滤波器、成像透镜以及测量装置沿着光束前进的方向依次排列，测量装置与放大电路和示波器依次连接，此时，测量装置为带小孔的光电探测器或是刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器；

吸声介质和超声换能器分别位于透明水槽内部的平行于光束方向的两侧，且超声换能器、光源发出且经过透明水槽的光线与吸声介质沿超声发射方向呈依次排列关系。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括计算机，计算机分别与测量装置或示波器连接。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述的光源为单色光源或普通的低功率激光器；

所述的光阑为孔径直径为10到30微米的光阑；

所述的透明水槽的材质为有机玻璃或光学玻璃；

所述的吸声介质为吸声橡胶或吸声海绵；

所述的透镜I为凸透镜或傅里叶透镜；

所述的振幅滤波器为通过镀膜、刻蚀或照相制版在一块透明玻璃上制备一个小圆形黑点得到，小圆形黑点的直径在10微米至500微米之间，小圆形黑点透过率为1％到20％之间；

所述的测微目镜为测量范围达5毫米、测量精度为10微米的测微目镜；

所述的面阵光电探测器的光谱响应与光源波长匹配；

所述的带小孔的光电探测器中小孔的大小为能同时通过一级及零级谱线。

9.利用权利要求6所述的装置测量超声行波在液体中的波长与频率的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在透明水槽内装入液体，打开超声换能器，得到超声行波光栅；

(2)装上光源，调节光源发出的光束与光学平面或光具座平行，调节扩束透镜、光阑、准直透镜、透镜I与光源发出的光束共轴；调节扩束透镜、光阑、准直透镜的相对位置，获得一束光斑均匀的平行光，投射到由超声换能器和吸声介质产生的超声行波光栅上；

(3)测量波长时，使用面阵光电探测器、带小孔的光电探测器以及测微目镜能分别测量得到，具体如下：

①当使用面阵光电探测器测量时，沿光束方向，调节振幅滤波器与透镜I的相对位置，使振幅滤波器置于透镜I的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜的位置，使振幅滤波器位于成像透镜前方2倍焦距处，再调节面阵光电探测器的位置，使面阵光电探测器位于成像透镜后方2倍焦距处，接收频谱像面信息，记录及测量相邻两谱线之间的距离，求得超声波的波长λ_s；

②当使用带小孔的光电探测器测量超声波的波长时，沿光束方向，调节振幅滤波器与透镜I的相对位置，使振幅滤波器置于透镜I的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜的位置，使振幅滤波器位于成像透镜前方2倍焦距处，再调节带小孔的光电探测器的位置，使带小孔的光电探测器位于成像透镜后方2倍焦距处，微调带小孔的光电探测器，使其对准频谱或极大光点，沿光谱方向扫描针孔，得到光强与光谱方向距离的曲线，计算两个相邻极大值之间的距离，从而求得超声波的波长λ_s；

③当使用测微目镜测量时，沿光束方向，调节振幅滤波器与透镜I的相对位置，使振幅滤波器置于透镜I的后焦平面上并与零级频谱重合，调节成像透镜的位置，使振幅滤波器位于成像透镜前方2倍焦距处，调节测微目镜，使其看清焦平面上的频谱像，用测微目镜测量相邻两谱线间的距离；

(4)测量超声波的频率时，将带小孔的光电探测器中的小孔对准一级谱线及零级谱线位置，通过示波器测出超声波的频率；或是使用刷新速度或频率足够大的面阵光电探测器，由频谱像中+1级谱线与零级谱线混频后的信号随时间的变化规律同时测得超声波的频率f_s。