超聲光柵效應及應用

1、超聲光柵效應及應用摘要超聲光柵效應是聲光相互作用的一種典型類型，尤其是在聲光作用距離較小情況下，光波通過介質時，介質折射率形成近似不隨時間變化的空間周期性分布，因而光波通過這種周期性分布的介質時，其位相會受到調制。超聲光柵是一種可擦除的實時光柵，其光柵常數(shù)可以通過超聲波的頻率來控制, 利用超聲光柵技術可以對聲波特性（ 如頻率、 波速、 波長、 聲壓衰減、 相位等 ） 等進行測量。隨著激光技術的發(fā)展, 聲光相互作用在控制光的強度、 傳播方向等方面又得到了新的應用，因此越來越受到人們的關注。本文研究了液體中聲光相互作用的機理，包括介質中聲波的傳播形式、聲光相互作用的類型，著重研究了聲光拉曼-奈斯衍

2、射的機理，以及聲光拉曼 -奈斯衍射在超聲聲速和液體濃度測量中的應用。理論和實驗研究結果表明:（ 1 ）對于同一種入射光，在相同濃度的液體中，存在一超聲頻率使得衍射的級數(shù)最多，衍射的條紋亮度最高,此應恰好是超聲換能器的共振頻率，該頻率應在10.30MHz 附近。 （ 2）利用高壓汞燈不同譜線測量得到超聲聲速值與公認值比較符合，測量精度較高。（ 3）利用He-Ne 激光作為光源，測得的聲速值與公認值差別較大。此由于激光強度大，衍射光斑尺寸大，測量衍射條紋間距時精度較低的原因。由于超聲作用將導致光纖布拉格光柵（FBG）發(fā)生微彎曲，從而對FBG的纖芯折射率作出相應的調制，使得FBG的反射譜和透射譜發(fā)生

3、顯著的變化。利用該特點，國外研究者已經(jīng)實現(xiàn)了基于超聲調制FBG 傳感器、可調諧反射器、光開關、光纖濾波器等。首先 ,對超聲檢測中的超聲波以及超聲換能器進行了簡單的介紹,提出檢測應用中超聲波的優(yōu)點, 并介紹了超聲波的類型,同時對超聲換能器產生超聲波的原理和超聲換能器的結構作了介紹。其次 ,從光柵基本理論出發(fā),得出了超聲作用導致光柵橫向振動時光柵中存在三種主要的耦合方式,提出了經(jīng)過修正之后的耦合模方程,根據(jù)失諧量定義,從相位匹配條件出發(fā),定性地分析了光柵橫向振動的反射譜特性。另外,從光柵超晶格理論出發(fā),本文也簡單介紹了縱向振動反射譜特性。第三,提出了基于Newton-Raphson 方法的算法,對

4、橫向振動反射譜特性進行了數(shù)值模擬,這種算法快速穩(wěn)定并且收斂。同時對數(shù)值模擬的反射譜進行了詳細的分析。通過對數(shù)值模擬過程中選擇的耦合模數(shù)目和超聲強度進行優(yōu)化分析, 獲得的結論是: 如果沒特殊要求的話,多模耦合方程中只需要選擇兩個模式就可以得到較精確的譜線。最后 ,根據(jù)理論分析,計算了要產生一階包層模需要的超聲波長以及對應的超聲換能器頻率,并進行了光纖光柵超聲橫向振動實驗。測量了不同超聲功率下FBG 的反射譜。實驗結果與理論基本相吻合。I緒論超聲波從1880年居里發(fā)現(xiàn)了壓電現(xiàn)象以及1893年Galton發(fā)現(xiàn)了超聲哨子 時，就建立了超聲波領域。1986年，英國皇家化學會在 Warmick大學召開 了

5、第一次聲振化學（sonochemistry）會議，反映了本領域的研究進展，引起 了工業(yè)界和學術界的興趣，聲振化學的發(fā)展已能與光化學、激光化學、熱 化學和高壓化學相提并論。超聲波和聲波一樣，是物質介質中的一種彈性機 械波，只是頻率不同。超聲學是涉及20kHz以上頻率聲波的一個聲學分支， 人耳一般聽不見，它在介質中傳播形式可分為兩種情形：（1）低振幅傳播。 此時，超聲波并不改變所通過材料的理化特性，超聲波測量就主要是由這類 超聲波完成；（2）高能傳播。此時，超聲波對傳播介質發(fā)生影響。在彈性 介質中傳播的超聲波的頻率f和周期T一般取決于聲源的振動頻率和周期， 它們與介質本身的特性無關。而超聲波是通過

6、電磁振蕩與機械振動的轉換 來實現(xiàn)，超聲波的發(fā)生通常有三種方法：磁控振蕩、壓電晶體振蕩和機械振 蕩，前兩種方法一般不適合液體乳化混合操作，比較適用的是機械振蕩方 法，完成這種轉換的裝置稱為電聲換能器。由于超聲波的波長很短 ，頻率 很高，因而具有一系列與通常聲波不同的特點。由于超聲波的波長比在同樣 介質中的聲波波長短得多，衍射現(xiàn)象不明顯，所以可以像光一樣沿直線傳播 具有很好的定向性。超聲波同樣有干涉現(xiàn)象，能產生駐波。實驗證明超聲波 遵守折射和反射定律，能夠加以匯聚，以獲得巨大能量。由于波的強度正比 于頻率的平方，所以在相同的振幅時，超聲波比普通聲波具有大得多的能 量。超聲波應用的研究由來已久，20

7、100kHz的超聲波作為能量作用：用 于清洗、塑料熔接及許多化工過程。210MHz的超聲波作為傳播作用： 用于醫(yī)學掃描、化學分析及松弛現(xiàn)象的研究。一般認為超聲在物質介質中 的相互作用的強弱與超聲波的頻率和強度有關，超聲波的作用可歸納為以 下幾個方面1: （1）加熱作用：介質總體溫度的上升是由于吸收聲波。（2） 結構影響：當流體放置于高強聲場中時，動力攪拌和剪切應力將影響其結 構特性。（3）壓縮和松弛作用：當高強聲能波通過固體介質時，將會出現(xiàn) 快速的壓縮和松弛作用。（4）聲沖流：高強的超聲波在液、固和氣固界面 能引起比較強烈的流，稱為“聲沖流（5）空化作用：在超聲波壓力場內， 空化氣泡的形成、增

8、長和劇烈破裂以及由此引發(fā)的一系列理化效應。因此 超聲波在物理、生物、醫(yī)學、測量等學科及工業(yè)、農業(yè)領域中得到廣泛應 用。如超聲清洗、超聲霧化、超聲探測、超聲乳化混合、超聲全息顯示及 聲光效應等。1922年，布里淵（L . Brillouin） 曾預言，當高頻聲波在液體傳播時，如 果有可見光通過該液體，首次提出聲波對可見光會產生衍射效應。這一預言1西安工業(yè)大學學士學位論文在10年后得到了驗證，這一現(xiàn)象被稱作聲光效應。若聲光作用距離 L較小， 光波通過時，介質折射率的空間周期性變化性質可近似認為是時間不變的，其位相受到的調制，如同經(jīng)過一個正弦位相光柵，正弦位相光柵與普通平面 矩形光柵的衍射主極大滿足

9、類似的光柵方程。1935年,拉曼（Raman）和奈斯（Nath）對聲光效應進行研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下，聲光效應的衍射光強 分布類似于普通的光柵，所以也稱為液體中的超聲光柵0，超聲光柵是一種 可擦除的實時光柵，它的光柵常數(shù)和位相調制深度可以通過超聲波的頻率 和振幅來控制，因此越來越受到人們的關注，利用超聲光柵技術可以對聲 波特性（如頻率、波速、波長、聲壓衰減、相位等）等進行測量；也可以 進行聲波定位、探傷、測距；檢測聲學在實際應用中也越來越廣泛，例如 無損檢測、探傷、流體測速、定位、測距等聲學檢測領域也尤為重要。特 別是超聲光柵的多普勒頻移技術，在外差干涉測量等領域得到了廣泛的發(fā) 展。近些年，隨

10、著激光技術的發(fā)展，聲光相互作用在控制光的強度、傳播方 向等方面又得到了新的應用。因此研究液體中的超聲光柵現(xiàn)象具有重要的 實際意義。超聲光柵測量液體聲速的研究聲光衍射理論的概述超聲波是一種彈性波，當它通過介質時，介質中的各點將出現(xiàn)隨時間 和空間周期性變化的彈性應變。由于彈光效應，介質中各點的折射率也會 產生相應的周期性變化。當光通過有超聲波作用的介質時，相位就要受到 調制，其結果如同它通過一個衍射光柵，光柵間距等于聲波波長，光束通 過這個光柵時就要產生衍射，這就是通常觀察到的聲光衍射，而這種衍射 光柵被稱為超聲光柵。入射光將被光柵衍射，衍射光的強度、頻率和方向 都隨超聲場而變化。聲光調制器就是利

11、用衍射光的這些性質來實現(xiàn)光的調 制和偏轉的。超聲光柵測量液體聲速的研究壓電陶瓷片（PZT）在高頻信號源所產生的交變電場的作用下，發(fā)生周期性的壓縮和伸長振動，其在液體中的傳播就形成超聲波 ，當一束平面超聲波在液體中傳播時 ，其聲壓 使液體分子作周期性變化，液體的局部就會產生周期性的膨脹與壓縮，這使得液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，促使液體的折射率也做同樣分布，形成了所謂疏密 波，這種疏密波所形成的密度分布層次結構，就是超聲場的圖像，此時若有平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過液體時 ，平行光會被衍射。以上超聲場在液體中形成的密度 分布層次結構是以行波運動的，為了使實驗條件易實現(xiàn)，衍射現(xiàn)象易于

12、穩(wěn)定觀察，實驗 中是在有限尺寸液槽內形成穩(wěn)定駐波條件下進行觀察，由于駐波振幅可以達到行波振幅的兩倍，這樣就加劇了液體疏密變化的程度。駐波形成以后，某一時刻t,駐波某一節(jié)點兩邊的質點涌向該節(jié)點，使該節(jié)點附近成為質點密集區(qū)，在半個周期以后，t+T/2 時刻，這個節(jié)點兩邊的質點又向左右擴散，使該波節(jié)附近成為質點稀疏區(qū)， 而相鄰的兩波節(jié)附近成為質點密集區(qū)。5五結論四超聲波在其它方面的應用液位測量是工業(yè)上經(jīng)常遇到的一個問題，如化工、石油等企業(yè)總是有許 多盛液或盛料的反應鍋與儲槽需要測定液位或料位。從測量范圍來說，有的 只有幾十厘米，有的可達幾十米；從測量條件來說，有的很簡單，有的卻十分 復雜。例如：有的

13、是高溫高壓，有的是低溫或真空；有的需要防腐蝕、防輻 照，有的液體揮發(fā)性很強，甚至必須防爆；有的從安裝上提出苛刻的限制，有 的從維護上提出嚴格要求等等針對不同要求和不同用途，現(xiàn)已發(fā)展了許多液位測量技術，其中超聲波技術也是一種很有效的測位方法。 超聲波液位測 量有許多優(yōu)點：它不僅能夠定點和連續(xù)測位，而且能方便地提供遙測或遙控 所需的信號。與其它測位技術相比，它不需要特別防護，安裝和維護較方便， 而且結構、方法都較簡單，價格低廉。特別是超聲波液位測量技術可以選用 氣體、液體或固體作為傳聲媒質，因而有較大的適應性。在超聲波液位測量 技術中，應用最廣泛的是超聲波脈沖回波方法。其工作原理可簡述為：由發(fā)射傳

14、感器發(fā)出超聲波脈沖，在媒質中傳到液面，經(jīng)反射后再通過媒質返回到 接收傳感器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時間，根據(jù)媒質中的聲 速,就能得出從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。超聲波液位測量 技術可分為氣介式、液介式或固介式三類。根據(jù)所用傳感器的工作方式，又 可分為自發(fā)自收單傳感器方式和一發(fā)一收雙傳感器方式超聲波液位測量技 術是以超聲波作為采集信息的手段，產生和接收超聲波信號是這項技術最 關鍵的問題。實現(xiàn)產生和接收超聲波信號的器件就是超聲波傳感器。為了 提高測量精度，作者研究開發(fā)了一種新型的自發(fā)自收式電容性超聲波傳感 器，其本質是一個電容器，它的兩極是由一面蒸涂有金屬的聚乙烯塑料薄膜

15、和有適當厚度的金屬背極構成的。這種新型的自發(fā)自收式電容性超聲波傳 感器，其具有體積小、重量輕、結構簡單和控制方便等特點 ，且信號的上升 沿、下降沿都較陡，比傳統(tǒng)的壓電晶體或壓電陶瓷超聲波傳感器的信號敏感 有利于高精度測量。應用本系統(tǒng)可實現(xiàn)對工業(yè)上液位或料位的測量，實驗表 明它是一種值得在工業(yè)中進一步深入研究和推廣應用的檢測技術之一。超聲波清洗作為一種先進、高效的清洗技術，在國內外越來越得到廣泛 的應用。近年來，國內生產的超聲波清洗機的種類和數(shù)量急增，超聲波清洗 技術也在不斷發(fā)展和提高。超聲波清洗技術之所以越來越得到廣泛應用，是 由于它具有諸多特點：（1）超聲波清洗可大大提高被清洗制件表面的潔凈

16、 度，這在近代電子、航空、宇航等高、精、尖科學技術發(fā)展中 ，顯得尤為重 要；（2）清洗速度快、工效高；（3）超聲波清洗機的應用便于清洗工藝 的實施及工藝過程的連續(xù)自動化；（4）不宜用其它清洗工藝清洗的易碎物品或制件，可用超聲波清洗法進行較好的清洗；（5）外形結構比較復雜具西安工業(yè)大學學士學位論文有狹小縫隙、孔洞的制件（或部件），用其它工藝清洗不徹底時可用超聲波濤 洗法清洗干凈；（6）大大降低清洗作業(yè)的勞動強度，特別是大批量的小制 件（或部件），尤其適用于超聲波清洗。五結論本文主要研究了液體中聲光相互作用的機理，液體中超聲光柵的形成 和利用超聲光柵測量液體中的聲速；最后討論了超聲波的應用，如超聲

17、波 測量液位的應用、超聲波清洗技術的應用、超聲檢測等。在理論研究的基礎上，通過實驗觀察了液體中超聲波與光波的拉曼-奈斯衍射。拉曼-奈斯衍射的各級衍射光對稱地分布在零級光兩側，衍射光的強度隨級數(shù)增加而減少，而衍射光相對于入射光有一個多普勒頻移。從 實驗測量液體中的聲速可見：（1）對于同一種入射光，在相同濃度的液體 中，存在一超聲頻率，使得到衍射的級數(shù)最多，衍射的條紋亮度最高，此時 的超聲頻率恰好是超聲換能器的共振頻率，該頻率在10.30MHz附近。（2）利用高壓汞燈不同譜線測量得到超聲聲速值與理論值比較符合，測量精度 較高。（3）利用He-Ne激光作為光源，測得的聲速值與公認值差別較大。 此由于

18、激光強度大，衍射光斑尺寸大，測量衍射條紋間距時精度較低的原 因。致謝本論文所做工作自始至終都是在教授的悉心指導下完成的，全部工作都凝結著她的汗水與心血。朱老師學識淵博，治學嚴謹，她在學術上的造詣 使我受益終生。她注重培養(yǎng)學生的獨立工作能力，從不限制學生的思維方 式，關鍵時候的點撥又起到畫龍點睛的作用。朱老師嚴謹?shù)闹螌W風范，一 絲不茍的敬業(yè)精神、飽滿的工作熱情、嚴謹求實的科學態(tài)度、高度負責的 精神以及對學生無微不至的關懷，時時感動和激勵著我，使我受益匪淺， 將會深遠地影響我的一生。衷心感謝實驗室老師在畢業(yè)設計中提供支持和幫助。感謝數(shù)理系所有老師，感謝西安工業(yè)大學多年來的教育和培養(yǎng)。感謝04100

19、4班全體同學這四年來的鼎力支持。深深的感謝家人及朋友 們的支持和幫助。沒有她們的關心和愛護，就沒有我的今天和未來！最后衷心感謝百忙之中抽出時間參加論文評閱和評議的各位老師，感謝他們?yōu)閷忛啽疚乃冻龅恼滟F的指教和辛勤。6參考文獻參考文獻1皆振發(fā),戴結林.超聲光柵測液體中的聲速.安徽教育學院學報,2007,25(3):28 312 嚴天惠.超聲波清洗的廣泛應用.現(xiàn)代機械，2002(4):1031043 J. W. Goodman 著，詹達三，董經(jīng)武，顧本源譯，秦克誠校.傅里葉光學導論M. 北京：科學出版社，1976.4 羊國光，宋菲君.高等物理光學M.合肥：中國科學術大學出版社,1991.5 A.

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23、, Lu MD, Wei MA. Structures no ise reduction of ultrasonic signals using artificial neural network adaptive filtering. Ultrasonics, 1997, 35 (4) : 325328附錄A附錄A卜列圖表是測微目鏡中衍射條紋的讀數(shù)，小數(shù)點后第三位為估數(shù)值：(mm表1:以汞燈為光源，在普通水情況下頻率為u =10.37 +0.01MHZ時，測微目鏡中衍射條紋位置的讀數(shù)( mm色、-3-2-10123黃0.2720.9851.6112.2812.9503.5714.293綠0.

24、3921.0331.6922.2812.7733.5334.180藍0.8531.3341.8742.2812.6833.2293.705表2:以汞燈為光源，在普通水情況下頻率為u =10.43 MH時，測微目鏡中衍射條紋位置的讀數(shù)：(mrm色-3-2-10123黃0.1240.8361.4932.3053.1083.7744.481綠0.2460.9061.5262.3053.0873.7144.369藍0.6421.2292.2892.3052.3163.3853.965表3:以汞燈為光源，在濃度為0.3 %的鹽水下頻率 u =10.21 +0.01MHZ時，測微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù)：(mrm級 色-3-2-10123黃0.9161.6762.3343.063