CN114300925B - 一种激光声源系统和声波频率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光声源系统和声波频率调节方法，该系统包括：激光子系统，用于通过脉冲激光器生成并输出脉冲激光信号；光路子系统，用于将脉冲激光信号聚焦在谐振腔内的底部表面；声源子系统，用于在谐振腔内的底部表面将脉冲激光信号转换为声波信号；激光子系统，还用于调节脉冲激光器的重复频率，使声波信号的频率以重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号；声源子系统，还用于根据经调节的谐振腔的尺寸，对倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。本发明的激光声源系统可以实现对声波频率的定量调节。

Description

一种激光声源系统和声波频率调节方法

技术领域

本发明属于激光声源技术领域，具体地说，涉及一种激光声源系统和声波频率调节方法。

背景技术

激光声源是脉冲激光通过光路聚焦在介质上(介质例如包括绝缘体、金属、无机材料等能吸收光的物质)，介质在吸收脉冲激光能量后发生光声效应，并在短时间内吸收脉冲激光的能量，将光能转变为热能，再将热能转变为机械能输出声波。

近年来光声技术的发展很快，相较于传统声源产生声波方式，它具有以下的优势：首先，激光声源是直接在介质中产生的，产生声波的过程无需耦合剂，产生的声波与传声介质完全耦合，可以有效避免耦合剂引起的不确定因素；其次，激光声源可以远距离、无接触产生声波，能够比现有的声源(压电式、电磁式等)在更复杂、更极端的环境进行声学检测和测试；并且，当利用固体激发声波时，激光声源可以在很小的范围内产生声波，当激光器输出脉冲能量足够大时，我们就可以在极小的范围内产生高功率密度的声波，适合在一些狭窄的区域和特殊的孔径区域产生声波。

激光声源是一种方便灵活的声源，相较于传统的压电声源等，能够在某些特殊场合和领域例如物理、化学、医学、海洋、环境和材料等研究领域发挥作用，具有较大的研究价值。

对于声源较为受到关注的两个特征就是声压和频谱随着激光技术的飞速发展，脉冲激光器输出的单脉冲能量已经能够达到焦耳级别。此外，材料学的进步提高了光声转换效率，目前，光—热—声的转换效率可以达到百分之三左右。现有基于光声效应的激光声源已经能够产生声压级高达200dB的脉冲声波，但对于激光声源输出声波的频率，现有的研究很少，需要提供一种简单有效的方法对激光声源输出声波频谱进行控制。

在一些应用场景中，对基于光声效应的激光声源的研究主要集中在光声转换效率方面，现有激光声源产生的脉冲声波的声压已经可以超过200dB，但对于激光声源输出声波频谱研究还很少，目前激光声源频谱调节方式主要是通过改变激光脉冲的脉宽和能量，但这种调节方式只能定性调节输出声波的频谱，比如改变频谱主峰的位置，而不能定量调节声波频率。

因此，有必要提供一种新的激光声源系统和声波频率调节方法。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术中无法对声波频率进行定量调节的问题，提供了一种激光声源系统和声波频率调节方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种激光声源系统，包括：依次连接的激光子系统、光路子系统和声源子系统，所述激光子系统包括脉冲激光器，所述声源子系统具有尺寸可调的谐振腔结构；其中，

所述激光子系统，用于通过所述脉冲激光器生成并输出脉冲激光信号；

所述光路子系统，用于将所述脉冲激光信号聚焦在所述谐振腔内的底部表面；

所述声源子系统，用于在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号；

所述激光子系统，还用于调节所述脉冲激光器的重复频率，使所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号；

所述声源子系统，还用于根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

可选地，所述激光子系统还包括：

信号发生器，用于生成并输出正弦波信号；

所述脉冲激光器，用于根据接收到的所述正弦波信号产生脉冲激光信号；

第一调节装置，用于根据来自预定控制设备的频率调节信号，通过调节所述信号发生器输出所述正弦波信号的频率，对所述脉冲激光器的重复频率进行调节。

可选地，所述光路子系统包括依次连接的扩束组件和聚焦组件，所述光路子系统通过扩束组件与脉冲激光器相连接；所述谐振腔的一端为与所述聚焦组件连通的开口端，另一端为封闭端，所述激光子系统还包括第二调节装置；其中，

所述扩束组件，用于对所述脉冲激光器输出的脉冲激光信号进行扩束；

所述聚焦组件，用于将扩束后的脉冲激光信号，经所述谐振腔的开口端传输至所述谐振腔内，并聚焦在所述谐振腔内的封闭端底部表面，以形成底部焦点；

所述第二调节装置，用于根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节所述脉冲激光器的功率，以调节所述脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量，进而对基于所述的单脉冲激光的能量的底部焦点处的光能量密度进行调节；

所述声源子系统，用于在所述底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在所述底部焦点处形成等离子体，并通过所述等离子体的膨胀塌缩，在所述底部焦点处产生声波信号。

可选地，谐振腔包括依次连接的至少两个套筒且相邻套筒之间为嵌套连接，其中，

两个套筒包括第一套筒和第二套筒；

所述第一套筒套设在第二套筒的外侧；第一套筒的一端是与聚焦组件连通的开口端，第一套筒的另一端是与第二套筒嵌套连接的开口端；

第二套筒的一端是与第一套筒嵌套连接的开口端，第二套筒的另一端是封闭端，以作为谐振腔的封闭端。

可选地，所述谐振腔的尺寸调节方式包括手动调节和自动调节中的至少一种；在所述尺寸调节方式包括自动调节的情况下，所述声源子系统还包括：

第三调节装置，用于根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节所述谐振腔的尺寸。

可选地，所述尺寸包括长度和内径中的至少一种。

本发明还公开了一种声波频率调节方法，包括以下步骤：

将脉冲激光器输出的脉冲激光信号聚焦在预设的谐振腔内的底部表面；

在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号；

通过调节所述脉冲激光器的重复频率，对所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号；

根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

可选地，所述在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号，包括：

根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节所述脉冲激光器的功率，以对所述脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量进行调节，进而对基于所述的单脉冲激光的能量的底部焦点处的光能量密度进行调节；

在所述底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在所述底部焦点处形成等离子体，并通过所述等离子体的膨胀塌缩，在所述底部焦点处产生声波信号。

可选地，所述脉冲激光信号是所述脉冲激光器根据信号发生器生成的正弦波信号而产生的激光信号；

所述调节所述脉冲激光器的重复频率，包括：

根据来自预定控制设备的频率调节信号，调节所述信号发生器输出所述正弦波信号的频率，以对所述脉冲激光器的重复频率进行调节。

可选地，所述根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号，包括：

根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节所述谐振腔的尺寸，以对所述谐振腔的共振频率进行调节；

通过调节后的共振频率对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

根据本发明实施例的激光声源系统和声波频率调节方法，可以通过改变脉冲激光器的重复频率倍频出不同频率的声波信号，并通过调节谐振腔的尺寸，对倍频后的声波信号的频谱进行调节，以实现对声波频率的定量调节。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明一实施例提供的激光声源系统的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的激光声源系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的长度可调的圆柱形谐振腔的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激发谐振腔在空气中产生声波的频率图与轮廓对比示意图；

图5为本发明实施例提供的同一尺寸谐振腔在不同重复频率下产生声波的频谱轮廓图；

图6为本发明实施例提供的不同尺寸谐振腔在同一重复频率下产生声波的频谱轮廓图；

图7示出本发明实施例提供的声波频率调节方法的流程图；

图8为本发明实施例提供的激光声源系统的场景示意图。

在附图中：

100-激光声源系统；10-激光子系统；20-光路子系统；30-声源子系统；11-脉冲激光器；12-信号发生器；13-第一调节装置；14-第二调节装置；21-扩束组件；22-聚焦组件；31-谐振腔；32-第三调节装置；301-脉冲激光束；302-开口端；303-第一套筒；304-第二套筒；305-封闭端；

801-控制计算机；12-信号发生器；11-脉冲激光器；802-扩束镜；803-聚焦透镜，31-谐振腔。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如本发明所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和全部组合。本发明所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本发明。如本发明所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。

除非另外限定，否则本发明所用的全部术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本发明的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本发明明确如此限定。

本发明公开了一种激光声源系统，图1示出本发明一实施例的激光声源系统的结构示意图。如图1所示，在一些实施例中，激光声源系统100可以包括依次连接的激光子系统10、光路子系统20和声源子系统30，激光子系统10包括脉冲激光器11，声源子系统30具有尺寸可调的谐振腔31结构。

激光子系统10，用于通过脉冲激光器11生成并输出脉冲激光信号。

光路子系统20，用于将脉冲激光信号聚焦在谐振腔31内的底部表面。

声源子系统30，用于在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号。

在一些实施例中，激光子系统10，还用于调节所述脉冲激光器的重复频率，使所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号。

在一些实施例中，声源子系统30，还用于根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

根据本发明实施例的激光声源系统，可以通过调节所述脉冲激光器的重复频率，对所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号，并通过调节所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，实现对声波频率的定量调节，得到具有确定频谱的声波信号。

图2是本发明另一实施例的激光声源系统的结构示意图，图2与图1相同或等同的组件使用相同的标号。图3是本发明实施例的长度可调的圆柱形谐振腔的结构示意图。下面结合图2和图3，描述根据本发明另一实施例的激光声源系统。

如图2所示，激光声源系统100中的激光子系统10包括脉冲激光器11、信号发生器12、第一调节装置13和第二调节装置14；光路子系统20包括：扩束组件21和聚焦组件22；声源子系统30可以包括：谐振腔31和第三调节装置32。但本发明并不局限于以上描述的，以及在图2中示出的特定的模块，在一些实施例中，激光声源系统100可以只包含其中的部分模块，即激光声源系统100包含更灵活的模块配置，下面结合具体的实施例进行说明。

在一些实施例中，激光子系统10可以称为是激光产生与控制系统10、光路子系统20可以实现为激光束扩束和聚焦光路、声源子系统30可以称为是激光声源产生与调频系统。本发明实施例不做具体限定。

在一些实施例中，激光子系统10还包括信号发生器12和第一调节装置13。

信号发生器12，用于生成并输出正弦波信号。

示例性地，信号发生器12的频率为1kH-200kH的可调频率，Hz为频率计量单位赫兹。在具体应用场景中，可以根据实际需要调整信号发生器12的工作频率，本发明实施例不做具体限定。

脉冲激光器11，用于根据接收到的正弦波信号产生脉冲激光信号。

在一些实施例中，脉冲激光器11可以是固体脉冲激光器。固体脉冲激光器具有体积小、使用方便、输出功率大、重复频率高的特点。

作为示例，脉冲激光器11可以包括掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器中的任一种。在具体应用场景中，可以根据实际需要进行选择使用的脉冲激光器的类型，本发明实施例不做具体限定。

作为示例，脉冲激光光束直径为2.5mm。

作为示例，由脉冲激光器11产生的脉冲激光源的波长例如为300nm-1064nm，脉冲宽度例如为1ps-500ps，单脉冲能量例如为1μJ-500μJ，重复频率例如为1kHz-500kHz。其中，nm是脉冲激光器产生的光束中光波长的计量单位纳米，ps是单一一个光脉冲持续的时间长度单位皮秒，J是能量、热量和功的单位焦耳，μJ表示微焦耳即千分之一焦耳。

作为更具体的示例，脉冲激光器11为Nd：YAG脉冲激光器的情况下，Nd：YAG脉冲激光器输出的激光波长为532nm，脉冲宽度为15ps，单脉冲能量为100μJ，重复频率为1kHz-100kHz可调，工作电流0-60A可调，工作电压0-10V可调。

第一调节装置13，用于根据来自预定控制设备的频率调节信号，通过调节信号发生器12输出正弦波信号的频率，对脉冲激光器11的重复频率进行调节，得到以重复频率为基频进行脉冲激光信号。

作为示例，重复频率为基频进行倍频的声波信号包括：以重复频率为基础频率的二倍频声波信号、三倍频声波信号、……、N倍频声波信号中的至少一个声波信号，N为大于1的整数。

在一些实施例中，预定控制设备可以包括但不限于：计算机设备、个人电脑、智能手机、平板电脑、个人数字助理、服务器等。

本发明实施例中的预定控制设备例如可以称为是控制计算机，一方面，通过该控制计算机可以改变信号发生器的输出正弦波信号的频率，来调节固体激光器输出脉冲激光的重复频率；另一方面，通过该控制计算机可以改变脉冲激光器的功率来调节脉冲激光器输出单脉冲的能量。

在实际应用场景中，预定控制设备可以是独立于激光声源系统的外部控制设备，可以是被布置位于激光声源系统内部的控制设备。具体地，该预定控制设备可以具有独立的计算和处理能力，以用于实现上述改变信号发生器的输出正弦波信号的频率以及改变脉冲激光器的功率的功能。

在本发明实施例中，信号发生器12可以为脉冲激光器11提供的正弦波信号为时序信号；脉冲激光器11可以根据该正弦波时序信号产生和输出脉冲激光信号，第一调节装置13在预定控制设备的频率调节信号的控制下对脉冲激光器11的重复频率进行调节。

第二调节装置14，用于根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节脉冲激光器11的功率，以调节脉冲激光器11输出的单脉冲激光的能量，进而对基于的单脉冲激光的能量的底部焦点处的光能量密度进行调节。

继续参考图2，在一些实施例中，光路子系统20包括依次连接的扩束组件21和聚焦组件22。谐振腔31的一端为与聚焦组件22连通的开口端，另一端为封闭端；激光子系统10还包括第二调节装置14。

在一些实施例中，扩束组件21是用于改变激光光束直径和发散角的透镜组件；聚焦组件22是用于对穿过的激光光束进行聚焦，从而形成聚焦光板。

示例性地，扩束组件21例如可以是扩束透镜，聚焦组件22例如可以是聚焦透镜。可选地，扩束透镜为放大倍数为5倍，扩束激光波长为532nm；可选地，聚焦透镜的焦距为100-400mm，聚焦激光波长为532nm，可聚焦到光斑直径100μm以内。

在一些实施例中，扩束组件21，用于对所述脉冲激光器输出的脉冲激光信号进行扩束；聚焦组件22，用于将扩束后的脉冲激光信号，经谐振腔31的开口端传输至谐振腔31内，并聚焦在谐振腔31内的封闭端底部表面，以形成底部焦点。

在本发明实施例中，从脉冲激光器11发出的激光束通常具有一定的发散角，先通过扩束组件21对脉冲激光信号进行扩束以改善脉冲激光信号的准直度，再利用聚焦组件22对扩束后的脉冲激光信号进行聚焦，即可得到较小的高功率密度光斑，从而有利于提高聚焦组件22能够达到的聚焦效果。

在一些实施例中，扩束组件21和聚焦组件22形成的光路，可以用于将脉冲激光聚焦在金属谐振腔内底部表面的中心位置。

作为一种可选实现方式，在预先搭建好光路子系统20之后，脉冲激光器11产生脉冲激光光束，脉冲激光光束经扩束镜和聚焦透镜的传输，光束的焦点位置即可确定，通过移动金属谐振腔的位置，可以使得脉冲激光聚焦在谐振腔内底部金属表面中心位置。

在该实现方式中，可以通过手动方式移动金属谐振腔的位置，也可以通过自动方式移动金属谐振腔的位置。例如，本公开实施例中的金属谐振腔的位置可调，响应于预设控制计算机发送的位置调节信号，调节金属谐振腔的位置直到脉冲激光聚焦在谐振腔内底部金属表面中心位置。

声源子系统30，用于在底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在底部焦点处形成等离子体，并通过等离子体的膨胀塌缩，在底部焦点处产生声波信号。

在本发明实施例中，通过光路子系统20对激光束进行扩束和聚焦，在谐振腔31内底部产生足够小的光斑，并通过调节脉冲激光器11的功率，来调节脉冲激光器11输出的单脉冲激光的能量，使该光斑达到足够高的光功率密度，产生等离子体，然后通过等离子的膨胀塌缩在谐振腔内底部形成激光声源，产生与空气耦合的声波。

下面参考图3，描述本发明实施例的谐振腔的具体结构。在图3示出的场景中，谐振腔31包括依次连接的至少两个套筒且相邻套筒之间为嵌套连接，两个套筒包括第一套筒303和第二套筒304，所述第一套筒303套设在第二套筒304的外侧。第一套筒303的一端是与聚焦组件22连通的开口端302，第一套筒303的另一端是与第二套筒304嵌套连接的开口端；第二套筒304的一端是与第一套筒303嵌套连接的开口端，第二套筒304的另一端是封闭端305，以作为谐振腔31的封闭端。

其中，谐振腔31的底部305封闭，脉冲激光束301从谐振腔31的上部开口端302进入谐振腔31，激光声源在谐振腔31内的封闭端305处产生。

在一些可选实施例中，声源子系统30可由一个长度可调和/或内径可调的圆柱形的金属谐振腔或具有金属壁面的谐振腔；圆柱形的金属谐振腔易于估算其谐振频率。示例性地，谐振腔31由金属铜材料构成或由包含铜的复合材料构成。

在一些可选实施例中，谐振腔31的第一套筒303和第二套筒304为两个圆柱形金属套筒。

作为示例，第一套筒303的尺寸参数可以是：长100mm，内径42mm，外径44mm，两端均开口。

作为示例，第二套筒304的尺寸参数可以是：长105mm，内径40mm，外径42mm，一端开口，另一端封闭，封闭底部厚度1mm。

作为示例，由第一套筒303和第二套筒304组成的谐振腔31的长度可调范围为100mm-200mm。

在一些实施例中，谐振腔可被调节的尺寸参数包括长度和内径中的至少一种。示例性地，谐振腔的整体长度可以在一定长度范围内变化例如100mm-400mm，谐振腔的内径大小也可以在一定范围内进行调节，例如可以是20mm-40mm。

应理解，本发明实施例中的谐振腔的具体结构能够使得该谐振腔具有可改变的整体长度和/或可改变的内径，更具体的结构实现方式可以根据实际需要进行预先设定，本发明实施例不做具体限定。

在一些实施例中，谐振腔31一端开口，另一端封闭。经过扩束与聚焦的激光束从谐振腔31的开口端进入谐振腔31内，然后聚焦在谐振腔内封闭端底部表面。基于固体中激光等离子机制(Plasma Regime)，在谐振腔31内封闭端底部(焦点处)形成一个等离子体声源，等离子周期性的膨胀塌缩，产生与空气耦合的声波在腔体内传播。在一些实施例中，谐振腔31可以是由两个互相嵌套的圆柱形金属套筒构成，不同尺寸的谐振腔31具有不同的谐振频率，因此可以通过调节腔体整体长度可以改变输出声波的波形及频率。

在一些实施例中，谐振腔31的尺寸调节方式包括手动调节和自动调节中的至少一种；在尺寸调节方式包括自动调节的情况下，声源子系统30还包括：第三调节装置32，用于根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节谐振腔31的尺寸。

在一些实施例中，谐振腔31可以预先刻好标尺，标尺用于显示谐振腔31的实际长度，在尺寸调节方式包括手动调节的情况下，可以通过手动或自动滑动相互间嵌套连接的套筒来改变谐振腔的长度。

在一些实施例中，可以通过手动调节和自动调节相结合的方式调节谐振腔31的尺寸，例如先根据经验将谐振腔31的尺寸手动调节至一个尺寸经验值，再根据接收到的来自预定控制设备的尺寸调节信号，通过第三调节装置32在该尺寸经验值的基础上自动进行微调，从而通过调节后的腔体尺寸调节输出声波的波形和频率，输出特定频谱的激光声信号。

图4为本发明实施例的激发谐振腔在空气中产生声波的频率图与轮廓对比示意图。图4中脉冲激光器的重复频率为200Hz，谐振腔长157mm，内径40mm；通过原始频谱可以看出以激光器重复频率200Hz为基频，可以倍频出不同频率的声波，其频率范围从可听声到超声波。

在图4中，声波轮廓图与声波原始频谱图可以相互对应。为方便对比，后续可以通过用频谱轮廓图代替原始频谱图来示出声波频谱特性。

图5为本发明实施例的同一尺寸谐振腔在不同重复频率下产生声波的频谱轮廓图。图5中可调谐振腔长157mm，内径40mm。通过对比重复频率f＝40Hz和重复频率f＝200Hz的激光声信号频谱轮廓图可以发现，在同一谐振腔下，不同重复频率激发的激光声信号的频谱轮廓具有很高相似性。

图6为本发明实施例的不同尺寸谐振腔在同一重复频率下产生声波的频谱轮廓图。图6中激光器重复频率f＝100Hz，可调谐振腔1长度为125mm，可调谐振腔2长度为157mm，内径均为40mm。通过对比二者的频谱轮廓图可以发现，同一重复频率的脉冲激光器激发不同尺寸谐振腔产生声波的频谱图有明显的区别。因此，通过调节谐振腔长度可有效改变激光声源输出声波的频谱。

通过上述图4-图6的描述可知，根据本发明实施例的激光声源系统，可以利用高重复频率的固体脉冲激光器激发位于谐振腔内底部的金属靶介质从而产生声波，并通过改变脉冲激光器的重复频率得到倍频的不同频率的声波，声波的频率范围从可听声到超声波；再通过调节谐振腔的尺寸改变其谐振腔的共振频率，对倍频后的声波频率进行调节，实现激光声源的频率可大范围调节。

下面结合附图，介绍本发明实施例的声波频率调节方法。通过该声波频率调节方法，可以有效调节激光声源输出声波的频率。图7示出本发明实施例的声波频率调节方法的流程图。

在本发明实施例中，声波频率调节方法可以应用于上述实施例描述的激光声源系统。如图7所示，本发明实施例的声波频率调节方法可以包括如下步骤。

S710，将脉冲激光器输出的脉冲激光信号聚焦在预设的谐振腔内的底部表面。

S720，在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号。

S730，调节脉冲激光器的重复频率，使声波信号的频率以重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号。

S740，根据经调节的谐振腔的尺寸，对倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

在本发明实施例中，通过改变激光器的重复频率倍频出不同频率声波，再通过调节谐振腔对倍频后的声波信号进行调节，从而通过调节脉冲激光器的重复频率和固体谐振腔的尺寸来实现声波信号的频率可调。

在一些实施例中，步骤S720具体可以包括：S11，根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节所述脉冲激光器的功率，以对所述脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量进行调节，进而对基于所述的单脉冲激光的能量的底部焦点处的光能量密度进行调节；S12，在所述底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在所述底部焦点处形成等离子体，并通过所述等离子体的膨胀塌缩，在所述底部焦点处产生声波信号。

在该实施例中，响应于预设控制计算机发送的功率调节信号，调节脉冲激光器的功率来改变输出单脉冲激光的能量，当焦点处功率密度大于光声效应中等离子体机制的阈值时，在焦点处形成等离子体。然后通过等离子的膨胀、塌缩，在谐振腔内底部形成点声源，输出声波。

在一些实施例中，脉冲激光信号是所述脉冲激光器根据信号发生器生成的正弦波信号而产生的激光信号。

在该实施例中，步骤S730中调节所述脉冲激光器的重复频率的步骤具体可以包括：根据来自预定控制设备的频率调节信号，调节所述信号发生器输出所述正弦波信号的频率，以对所述脉冲激光器的重复频率进行调节。

在该实施例中，通过调节信号发生器输出所述正弦波信号的频率，来调节脉冲激光器输出脉冲激光的重复频率，从而使谐振腔内底部点声源以重复频率为基础频率进行倍频处理后，可以得出不同频率的声波，倍频后的不同频率的声波在频谱上以脉冲激光器重复频率整数倍分布，频谱范围从可听声延伸至超声波。

在一些实施例中，步骤S710具体可以包括：S21，利用扩束组件对脉冲激光器输出的脉冲激光信号扩束；S22，使用聚焦组件将扩束后的脉冲激光信号聚焦在谐振腔内的封闭端底部表面，以形成底部焦点。

在该实施例中，可以利用扩束组件对脉冲激光器产生的脉冲激光扩束，并利用聚焦组件将扩束后的脉冲激光通过聚焦透镜聚焦在谐振腔内的封闭端底部表面，例如聚焦在金属谐振腔内底部表面的中心位置。

在一些实施例中，步骤S740具体可以包括：S31，根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节所述谐振腔的尺寸，以对所述谐振腔的共振频率进行调节；S32，通过调节后的共振频率对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

在该实施例中，由于靠近共振频率的频率会基于谐振效应而改变甚至放大传出谐振腔，而远离共振频率的频率在谐振腔内传输时会被损耗衰减。因此，改变谐振腔的尺寸可以改变谐振腔的共振频率，从而有效地调节激光声源输出声波的频率。

根据上述实施例描述的声波频率调节方法，可以通过调节所述脉冲激光器的重复频率，对所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号，并通过调节所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，实现对声波频率的定量调节，得到具有确定频谱的声波信号。

上面声波频率调节方法的步骤划分只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本发明实施例的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在本发明实施例的保护范围内。

下面结合图8描述本发明示例性实施例的激光声源系统的具体工作流程。图8为本发明实施例的激光声源系统的场景示意图。在图8所示的场景中，包括：控制计算机801，信号发生器12，脉冲激光器11，扩束镜802，聚焦透镜803，谐振腔31，该谐振腔为长度可调的固体谐振腔。

在图8中，信号发生器12生成并向脉冲激光器11出正弦波信号，脉冲激光器11根据该正弦波信号生成并输出脉冲激光，脉冲激光的激光束经过扩束镜802和聚焦透镜803组成的聚焦光路，聚焦在固体谐振腔31内底部的金属表面。

在本发明实施例中，当单脉冲激光的能量足够高，聚焦焦斑足够小，就可以产生足够高的能量密度。焦斑处能量密度大于固体中光声效应—等离子体机制的能量阈值例如107W/cm²时，会发生复杂的多光子电离和雪崩电离，在焦斑处形成等离子体。等离子的形成可以看作是瞬间完成的。由于对激光的屏蔽效应，等离子体会强烈吸收后续激光束的能量，形成局部高温高压的环境。然后，等离子体快速膨胀、塌缩，在金属表面焦斑处产生与空气耦合的声波。

在一些实施例中，通过控制计算机801可以改变脉冲激光器11的重复频率，以重复频率为基础频率进行倍频，得到不同频率的声波，在频谱上以脉冲激光器11的重复频率的整数倍分布，频谱范围从可听声延伸至超声波。倍频后的声波在谐振腔31内传播，从谐振腔31的开口端传出。由于固体谐振腔31具有共振频率，共振频率的大小与谐振腔31的尺寸有关。频谱图上靠近共振频率的频率会基于谐振效应而改变甚至放大传出谐振腔，而远离共振频率的频率在谐振腔内传输时会被损耗衰减。因此，改变谐振腔31的尺寸可以改变谐振腔的共振频率，从而有效地调节激光声源输出声波的频率；以及通过控制计算机801可以改变脉冲激光器11的功率，以用于对声波信号的幅值进行调节，得到频率可调且幅值可调的声波信号。

需要明确的是，本发明并不局限于上文实施例中所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了描述的方便和简洁，这里省略了对已知方法的详细描述，并且上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实施例的范围之内并且形成不同的实施例。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光声源系统，其特征在于，包括：依次连接的激光子系统、光路子系统和声源子系统，所述激光子系统包括脉冲激光器，所述声源子系统具有尺寸可调的谐振腔结构；其中，

所述激光子系统，用于通过所述脉冲激光器生成并输出脉冲激光信号；

所述光路子系统，用于将所述脉冲激光信号聚焦在所述谐振腔内的底部表面；

所述声源子系统，用于在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号；

所述激光子系统，还用于调节所述脉冲激光器的重复频率，使所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号；

所述声源子系统，还用于根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号；

所述激光子系统还包括：

信号发生器，用于生成并输出正弦波信号；

所述脉冲激光器，用于根据接收到的所述正弦波信号产生脉冲激光信号；

第一调节装置，用于根据来自预定控制设备的频率调节信号，通过调节所述信号发生器输出所述正弦波信号的频率，对所述脉冲激光器的重复频率进行调节；

所述光路子系统包括依次连接的扩束组件和聚焦组件，所述光路子系统通过扩束组件与脉冲激光器相连接；所述谐振腔的一端为与所述聚焦组件连通的开口端，另一端为封闭端，所述激光子系统还包括第二调节装置；其中，

所述扩束组件，用于对所述脉冲激光器输出的脉冲激光信号进行扩束；

所述聚焦组件，用于将扩束后的脉冲激光信号，经所述谐振腔的开口端传输至所述谐振腔内，并聚焦在所述谐振腔内的封闭端底部表面，以形成底部焦点；

所述第二调节装置，用于根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节所述脉冲激光器的功率，以调节所述脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量，进而对基于所述的单脉冲激光的能量的底部焦点处的光能量密度进行调节；

所述声源子系统，用于在所述底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在所述底部焦点处形成等离子体，并通过所述等离子体的膨胀塌缩，在所述底部焦点处产生声波信号；

谐振腔包括依次连接的至少两个套筒且相邻套筒之间为嵌套连接，其中，

两个套筒包括第一套筒和第二套筒；

所述第一套筒套设在第二套筒的外侧；第一套筒的一端是与聚焦组件连通的开口端，第一套筒的另一端是与第二套筒嵌套连接的开口端；

第二套筒的一端是与第一套筒嵌套连接的开口端，第二套筒的另一端是封闭端，以作为谐振腔的封闭端。

2.根据权利要求1所述的激光声源系统，其特征在于，所述谐振腔的尺寸调节方式包括手动调节和自动调节中的至少一种；在所述尺寸调节方式包括自动调节的情况下，所述声源子系统还包括：

第三调节装置，用于根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节所述谐振腔的尺寸。

3.根据权利要求1所述的激光声源系统，其特征在于，

所述尺寸包括长度和内径中的至少一种。

4.一种声波频率调节方法，其特征在于，利用权利要求1所述的激光声源系统，包括以下步骤：

将脉冲激光器输出的脉冲激光信号聚焦在预设的谐振腔内的底部表面；

在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号；

通过调节所述脉冲激光器的重复频率，对所述声波信号的频率以所述重复频率为基频进行倍频，得到倍频后的声波信号；

根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在所述谐振腔内的底部表面将所述脉冲激光信号转换为声波信号，包括：

根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节所述脉冲激光器的功率，以对所述脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量进行调节，进而对基于所述的单脉冲激光的能量的底部焦点处的光能量密度进行调节；

在所述底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在所述底部焦点处形成等离子体，并通过所述等离子体的膨胀塌缩，在所述底部焦点处产生声波信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光信号是所述脉冲激光器根据信号发生器生成的正弦波信号而产生的激光信号；

所述调节所述脉冲激光器的重复频率，包括：

根据来自预定控制设备的频率调节信号，调节所述信号发生器输出所述正弦波信号的频率，以对所述脉冲激光器的重复频率进行调节。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述根据经调节的所述谐振腔的尺寸，对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号，包括：

根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节所述谐振腔的尺寸，以对所述谐振腔的共振频率进行调节；

通过调节后的共振频率对所述倍频后的声波信号的频谱进行调节，得到具有确定频谱的声波信号。

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