CN105352583A - 一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及其应用。该光学方法的步骤为：以一束平行光垂直于超声波的传播方向照明超声波，通过透镜，得到光栅的衍射频谱；接收零级频谱衍射光，经反相、放大及采样处理电路得到对应的电压值，与预先得到的标定对比，得到待测超声波的声压大小，再计算得到声强。本发明提供的装置包含电源、信号补偿电路、信号采集电路、信号反相及放大电路、计算机和沿着光束前进方向依次排列的光源、出射光阑、出射窗、入射窗、凸透镜、滤波光阑、光电探测器；光源分别与电源和信号补偿电路连接；光电探测器、信号反相及放大电路、信号补偿电路、信号采集电路和计算机依次连接。本发明具有较强的测量方向性，实用性。

Description

一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及其应用

技术领域

本发明属于光学测量与计量技术领域，涉及一种测量超声波声压和声强的光学方法和装置及其应用。

背景技术

测量声波或超声波在液体中传播的声压具有实用意义，在声纳探测定位及水声通信等领域有重要应用。传统的对液体中声波或超声波声压进行测量的方法及装置有很多，其中大多数是基于电磁学原理。主要有动圈式、静电式、可变磁阻式、磁致伸缩式及压电式等。如基于固体压电效应的制作而成的声压传感器，其将声压信号直接转换为电压信号，通过电子学手段测得电压大小，由此实现声压信号的测量。其缺点为易受电磁干扰，灵敏度较低以及抗冲击性能较差、较重声阻抗、不适合于在水下部署阵列水听器等。基于光学干涉原理制作的声压传感装置弥补了传统电子学传感技术装置的不足，其动态范围广、灵敏度高、不受电磁干扰等优点，在众多领域已经取代传统的电磁类传感器，如水下声纳光纤阵列探测系统。现有的基于光学干涉原理的声压测量方法大多数与光纤传感技术相结合，其结构大多基于法布里-珀罗干涉仪，迈克尔逊干涉仪、马赫曾德尔干涉仪以及光纤光栅等。法布里-珀罗干涉仪具有体积小、稳定性好等特点，但存在制造工艺复杂与检测声压动态范围有限等不足。

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，提供一种测量超声波声压和声强的光学方法。

本发明的另一目的在于提供实现一种超声波的声压和声强探测装置，是依据上述测量超声波声压和声强的光学方法设计得到。

本发明的再一目的在于提供所述超声波的声压和声强探测装置的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种测量超声波声压和声强的光学方法，包括如下步骤：

(1)标定的过程：

①以一束平行光垂直于超声波的传播方向照明该超声波，形成动态超声光栅；通过透镜得到该动态超声光栅的衍射频谱；

②利用光电探测器接收衍射频谱中的零级频谱衍射光，经反相、放大及采样处理电路得到对应的电压值；

③用标准超声波声压探测器测量超声波的声压，通过测量不同的超声波发射强度，记录输出电压与声波声压的关系，实现标定；

(2)对待测超声波声压的测量：

重复步骤(1)①和②，得到待测超声波的电压值，通过与步骤(1)得到的标定对比，得到待测超声波的声压大小；

(3)声强的测量：

通过式I，计算得到声强；

P＝CV²

式中V为声压，P为声强，C为比例常数。

所述测量超声波声压和声强的光学方法适用于测量在液体中传播的超声波的声压和声强。

一种超声波的声压和声强探测装置，是依据上述测量超声波声压的光学方法设计得到，包含光源、出射光阑、出射窗、入射窗、凸透镜、滤波光阑、光电探测器、电源、信号补偿电路、信号采集电路、信号反相及放大电路和计算机；其中，沿着光束前进方向，光源、出射光阑、出射窗、入射窗、凸透镜、滤波光阑、光电探测器依次排列，组成光路部件；出射光阑、凸透镜和滤波光阑共轴；光源分别与电源和信号补偿电路连接；光电探测器、信号反相及放大电路、信号补偿电路、信号采集电路和计算机依次连接。

所述的超声波的声压和声强探测装置还包括光源座和探测器座；光源、出射光阑和出射窗设置在光源座上；入射窗、凸透镜、滤波光阑和光电探测器设置在探测器座上。

所述的光源可以选取带准直透镜及补偿信号输出的半导体激光管、半导体发光二极管等，以保证出射的光近似为平行光，光波长为可见光或红外光，功率为1～10mW。

所述的光源座的材质优选为金属，从而更有利于固定住光源、出射光阑和出射窗。

所述的探测器座的材质优选为金属，从而更有利于固定住入射窗、凸透镜、滤波光阑和光电探测器。

所述的出射窗的材质优选为玻璃，更优选为有机玻璃或光学玻璃。

所述的入射窗的材质优选为玻璃，更优选为有机玻璃或光学玻璃。

所述的滤波光阑的透光区域直径约等于超声光栅衍射频谱零级爱里斑(Airydisc)的大小，保证过滤一级以上的衍射光，使光电探测器只接收零级衍射光强。

所述的光电探测器首选小型PIN光电二极管或光电池，其光谱响应与光源波长匹配，便于装置的小型化；也可采用小型光电倍增管等器件。

所述超声波的声压和声强探测装置中光路部件为密封防水结构，出射窗和入射窗之间设置有液体通过的结构，从而适用于测量在液体中传播的超声波的光压和光强。

所述超声波的声压和声强探测装置不仅适用于测量超声波的声压和声强，还可用于测量普通声波的声压和声强。

所述的普通声波指的是频率为0～16KHz的声波。

所述超声波的声压和声强探测装置的使用方法，包括如下步骤：

(A)将所述超声波的声压和声强探测装置中的光路部件置于液体中，使得所述光路部件中发出的平行光垂直于待测超声波的传播方向照明该待测超声波；

(B)得到待测超声波的声压和声强。

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，在超声传播方向上，液体等介质的空间折射率将发生周期性变化，即形成动态行波超声位相光栅。当一束光垂直通过超声光栅时将出现衍射，在透镜后焦面上可以观察到与普通位相光栅一样的衍射频谱，各级衍射频谱的光振幅或光强会随超声波声压或强度的大小而发生相应的变化。本发明依据超声光栅衍射原理，以一束平行光垂直于超声的传播方向照明其形成的动态超声光栅，在超声光栅的另一侧，利用透镜得到动态超声光栅的频谱，通过滤波仅探测零级衍射频谱的光强变化，可得到超声波在该液体中传播的声压。具体如下：

设频率为ω、波数为k的平行光束垂直入射厚度为d超声光栅，当d较小时(d＝λ_s/2πλ)，其穿过超声光栅后引起的相位差可表示为

Δφ(x,y,t)＝Δφ₀+δφ_msin(ω_st-k_sx)(1)

式中，x和y分别为超声波方向平面上的横、纵坐标，t为时间，ω_s为超声波的角频率，k_s为超声波的波数，Δφ₀为不存在超声波时光波通过介质时引起的相位差，δφ_m为超声波引起的相位差变化幅值。理论分析及实验表明：相位差变化幅值δφ_m与声压一般成线性关系。如果能测量得到δφ_m，通过计算及标定就可以得到超声波声压。

通过超声光栅后方的光场分布可表示为：

$U(x,y,t)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left({\mathrm{\δ\φ}}_m\right)e^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{n\ω}}_s)t}{e}^{-{\mathrm{in\ωk}}_{s}x}$ (2)

式中，n为衍射级数；

透镜后焦面或频谱面上的光场复振幅分布为：

$U(x_f,y_f,t)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{J}_n\left({\mathrm{\δ\φ}}_m\right)e^{i(\mathrm{\ω}+{\mathrm{n\ω}}_s)t}\mathrm{\δ}(x_f+\frac{nf\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_s})$ (3)

式中，x_f和y_f为频谱面上位置坐标。

后焦面上的光强为：

$I\left(x_f\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\[{J^2}_n\left({\mathrm{\δ\φ}}_m\right)\]\·{\mathrm{\δ}}^2(x_f+\frac{nf\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_s}){\mathrm{\δ}}^2\left(y\right)$ (4)

第n级衍射频谱的归一化光强为：

I_n＝J² _n(δφ_m)(5)

当n＝0时，对应于零级，其光强与相位变化幅值δφ_m有关，如图1所示。在δφ_m<0.6π时，I₀与δφ_m可近似看作线性关系，因此，声压也可看作与零级衍射光强I₀成近似的线性关系。

由以上分析可知，只要测量得到超声光栅零级衍射光强I₀，光强打到探测器产生电压值，则可通过定标的方式得到声压大小。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明提供的方法和装置具有较强的测量方向性，可以测量垂直于光束方向传播的超声波声压或声强，这为确定超声源的方向及位置提供信息。

(2)本发明提供的装置光路简单，所需元件少，容易实现小型化、仪器化，成本低。

(3)本发明提供的方法和装置同样适合于较高频率的普通声波(声波频率在0～16KHz左右)声压的测量。

附图说明

图1是超声光栅零级衍射强度与相位变化幅值的关系图。

图2是实施例1提供的声波声压声强探测装置结构示意图；其中，1-光源，2-光源座，3-出射光阑，4-出射窗，5-探测器座，6-入射窗，7-凸透镜，8-滤波光阑，9-光电探测器，10-电源，11-信号补偿电路，12-信号采集电路，13-计算机，14-信号反相及放大电路；为超声波传播方向。

具体实施方式

下面结合实施例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

一种超声波的声压和声强探测装置，如图2所示，包括光源1，光源座2，出射光阑3，出射窗4，探测器座5，入射窗6，凸透镜7，滤波光阑8，光电探测器9，电源10，信号补偿电路11，信号采集电路12，计算机13，信号反相及放大电路14。其中，沿着光束前进方向，光源1、出射光阑3、出射窗4、入射窗6、凸透镜7、滤波光阑8和光电探测器9依次排列，组成光路部件；出射光阑3、凸透镜7和滤波光阑8共轴；光源1分别与电源10和信号补偿电路11连接；光电探测器9、信号反相及放大电路14、信号补偿电路11、信号采集电路12和计算机13依次连接；光源1、出射光阑3和出射窗4设置在光源座2上；入射窗6、凸透镜7、滤波光阑8和光电探测器9设置在探测器座上。

本发明装置的调整过程为：以光源1出射的平行光为基准，调节出射光阑3、凸透镜5、滤波光阑8共轴，再装上出射窗4、入射窗6及探测器9，最后进行防水密封，保证器件及电路在水中电绝缘。出射窗4和入射窗6之间具有液体通过的结构，从而能捕捉到在液体中传播的超声波，进而测定其声压和声强。

该装置的使用步骤如下：

(A)将光路部件置于液体中，使得光路部件中发出的平行光垂直于待测超声波的传播方向照明该待测超声波，也就是当输出信号最大时，平行光垂直或基本垂直于待测超声波的传播方向照明该待测超声波；

(B)得到待测超声波的声压和声强。

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 (10)

1.一种测量超声波声压和声强的光学方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)标定的过程：

①以一束平行光垂直于超声波的传播方向照明该超声波，形成动态超声光栅；通过透镜得到该动态超声光栅的衍射频谱；

②利用光电探测器接收衍射频谱中的零级频谱衍射光，经反相、放大及采样处理电路得到对应的电压值；

③用标准超声波声压探测器测量超声波的声压，通过测量不同的超声波发射强度，记录输出电压与声波声压的关系，实现标定；

(2)对待测超声波声压的测量：

重复步骤(1)①和②，得到待测超声波的电压值，通过与步骤(1)得到的标定对比，得到待测超声波的声压大小；

(3)声强的测量：

通过式I，计算得到声强；

P＝CV²

式中V为声压，P为声强，C为比例常数。

2.权利要求1所述测量超声波声压和声强的光学方法的应用，其特征在于：所述测量超声波声压和声强的光学方法用于测量在液体中传播的超声波的声压和声强。

3.一种超声波的声压和声强探测装置，其特征在于：依据权利要求1所述测量超声波声压的光学方法设计得到，包含光源、出射光阑、出射窗、入射窗、凸透镜、滤波光阑、光电探测器、电源、信号补偿电路、信号采集电路、信号反相及放大电路和计算机；其中，沿着光束前进方向，光源、出射光阑、出射窗、入射窗、凸透镜、滤波光阑、光电探测器依次排列，组成光路部件；出射光阑、凸透镜和滤波光阑共轴；光源分别与电源和信号补偿电路连接；光电探测器、信号反相及放大电路、信号补偿电路、信号采集电路和计算机依次连接。

4.根据权利要求3所述超声波的声压和声强探测装置，其特征在于：还包括光源座和探测器座；光源、出射光阑和出射窗设置在光源座上；入射窗、凸透镜、滤波光阑和光电探测器设置在探测器座上。

5.根据权利要求4所述超声波的声压和声强探测装置，其特征在于：

所述的光源座的材质为金属；

所述的探测器座的材质为金属；

所述的出射窗的材质为玻璃；

所述的入射窗的材质为玻璃。

6.根据权利要求3所述超声波的声压和声强探测装置，其特征在于：

所述的光源为带准直透镜及补偿信号输出的半导体激光管或半导体发光二极管；

所述的滤波光阑的透光区域直径基本等于超声光栅衍射频谱零级爱里斑的大小。

7.根据权利要求3所述超声波的声压和声强探测装置，其特征在于：所述的光电探测器为小型PIN光电二极管、小型光电池或小型光电倍增管。

8.根据权利要求3所述超声波的声压和声强探测装置，其特征在于：所述超声波的声压和声强探测装置中光路部件为密封防水结构，出射窗和入射窗之间设置有液体通过的结构。

9.权利要求3所述超声波的声压和声强探测装置的应用，其特征在于：所述超声波的声压和声强探测装置还用于测量普通声波的声压和声强。

10.权利要求3所述超声波的声压和声强探测装置的应用，其特征在于包括如下步骤：

(A)将所述超声波的声压和声强探测装置中的光路部件置于液体中，使得所述光路部件中发出的平行光垂直于待测超声波的传播方向照明该待测超声波；

(B)得到待测超声波的声压和声强。