三角波形激光脉冲在液体中致声的特性分析

为了研究激光脉冲波形对其在液体中致声特性的影响,基于激光致声的热膨胀机制机理,采用理论推导和数值仿真的方法,对三角波形激光脉冲激发声波的特性进行了分析。首先阐述了激光与液体媒质通过热膨胀机制作用激发平面光声源的理论;推导了激光脉冲为三角波形时在约束边界和自由边界下产生声脉冲的解析解,并通过仿真得到了声脉冲剖面;然后通过模拟得到了不同边界下激发光声脉冲的波形;最后分别推导了约束边界和自由边界下的光声转换效率,分析了转换效率的影响因素,并对不同边界下的转换效率进行了求解和对比。结果表明,该研究对激光致声技术的工程应用具有理论指导意义。     

激光脉冲波形对液体中热膨胀机制致声特性的影响

首先阐述了激光与液体媒质作用通过热膨胀机制激发平面光声源的理论;分别针对激光脉冲为正弦波形、三角波形和高斯波形的情况,推导了激光脉冲分别在约束界面和自由界面下产生声脉冲的解析解,然后通过仿真得到了激发声波的光声脉冲剖面和时空分布图;并对比分析了正弦波形、三角波形和高斯波形的激光脉冲分别在约束边界和自由边界下激发声波的峰值声压、光声转换效率和波形等特性.     

激光在液体中的声效应研究

以研究液体中激光声波的特点与应用为目的,从理论上分析脉冲激光在液体中产生的声波的波阵面、光声脉冲波形的特点,并用实验的方法观察脉冲CO2 激光光声脉冲的波形、频谱特性及光击穿现象。结果表明光声波的波阵面与吸收激光能量的媒质的形状有关;光声波的波形随激发机制而变化; CO2 脉冲激光在水中通过热膨胀机制激发的声波能量主要分布在100kHz以下,光击穿时水面可以观察到微爆炸和亮光现象。可以通过液体中光声效应现象和 光声信号波形的变化判断其激发机制,并确定液体的汽化与光击穿阈值,控制激发过程以获得确定特性的光声信号。     

不同黏性液体激光击穿声辐射特性研究

激光与液体介质相互作用时,在不同液体参数情况下,光击穿辐射声信号具有较大的差异性.为研究液体黏性、饱和蒸汽压等特性对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,推导了激光空泡壁的运动方程,构建了激光击穿声辐射测量系统,实验研究了不同液体参数对光击穿辐射声信号的影响.结论:液体饱和蒸汽压越高.激光空泡膨胀辐射的声波强度越低;液体黏性系数越大,将减缓空泡溃灭的速率,导致空泡牛存周期增长,并使空泡溃灭辐射的声波强度降低.     

脉冲激光在水中激发声脉冲的光声能量转换效率

利用TEA-CO_2脉冲激光在水中激发热弹光声信号,采用压电陶瓷水听器接收并将光声信号转换成电信号送入数字存储示波器,计算出声脉冲的能量,从而获得该激发条件下激光能量转换成声波能量的效率η。结果表明不采用凹面镜聚焦激光脉冲能量密度低于2 J/cm~2时,光声转换效率η为10~(-7)～10~(-5),聚焦之后η增大一个数量级;激光脉冲谱线宽度固定时,能量越高,η越高;激光脉冲能量相同时,激光脉冲谱线宽度越大,η越高。故可以通过聚焦、增加激光脉冲谱线宽度、提高激光能量等方法来提高光声转换效率η,获得强的热弹光声信号。     

不同盐度海水的光击穿声辐射特性研究

强激光聚焦于水下时,通过光击穿机制辐射强声波信号。水体介质的盐度不同,在同等的激光参数、光学系统条件下,光击穿辐射的声波在强度、脉冲波形、频谱特征上具有一定的差异性。为研究水介质盐度对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,构建了激光声测量系统,实验研究了不同水体盐度参数对光击穿辐射声信号的影响。结论：激光击穿水介质伴随空泡脉动、声信号辐射效应;激光声信号脉冲宽度与水体盐度无关;空泡尺寸和激光声信号强度与激光脉冲能量成正比关系;水体盐度与激光声信号的强度早非线性变化关系。研究结果有助于激光声在海洋中的应用。     

基于亥姆霍兹共鸣器的声电转换系统研究

考虑到电站汽轮机噪声的可利用性,利用亥姆霍兹共鸣器和声电转换装置,结合声学理论研究方法对电站汽轮机声场特性进行研究。利用亥姆霍兹共鸣器对声波的放大作用,将电磁式换能器置于亥姆霍兹共鸣器刚性壁板上,使放大的声波能够通过换能器将声能转换成电能,转换的电能通过一个放大稳流电路为负载供电。基于电站汽轮机的声场特性,引进穿孔板作为亥姆霍兹共鸣器矩阵,研究其声质量、声阻抗、声顺等参数;并将电学、力学电路耦合到声学电路进行简化;最后得出了负载两端的电压功率响应曲线,并以此判断声电转换是可以实现的。     

激光激发源对声表面波的影响

利用激光激发声表面波及光差分技术研究激光源对声表面波的影响。实验中利用了Nd∶YAG脉冲激光器激发超声,采用632nm的He-Ne激光器基于光束偏转法的光差分检测系统,测量了铝样品表面的声表面波,获得了很好的信号。在此基础上研究了激发源的形状和能量对激发的声表面波幅度的影响。同时从热弹和融蚀机制下讨论激光声表面波的产生。在这两种机制下,声表面波的幅度发生了很大的变化。随着激光能量密度的增加,声表面波的幅度由线性变化转换为非线性变化。这一结果对激光激发声表面波理论研究有一定的指导意义。     

超快脉冲激光下石墨烯薄膜光声效率影响因素分析

基于固体的光声效应理论,建立了石墨烯薄膜光声效应的理论模型,推导了石墨烯薄膜光声信号的声压表达式.对不同基底的石墨烯薄膜进行了超快脉冲激光下的光声理论计算和实验测试,对比发现,计算值与实验值在频域内的变化趋势基本吻合,有效验证了理论模型的正确性.进而,利用灵敏度分析法对影响石墨烯薄膜光声效率的相关因素进行研究,结果表明...     

一种跨介质的空中-水下激光致声探测技术研究

跨空水介质间的探测技术是世界主要海洋国家的热点研究问题。为研究空中平台与水下的激光致声探测技术,文中在光击穿机制下采用纳秒脉冲激光与水听器之间的光声信号转换来进行空-水跨介质探测模拟实验研究及验证工作。搭建了激光致声空气-水下实验测试系统,采集了激光声扫描探测数据,对典型实验数据在时域内进行分析得出了激光激励声波的传播特性,根据时间互易原理实现了水下激光声信号的三维探测成像。利用有限元法进行激光在水下激发声波及传播的数值仿真,据此对实验进行了验证。此外,从仿真中发现通过提高脉冲能量至2.8×1010 W/cm2所激励的声波在传播400 m后仍能观测出明显的信号,信噪比约为11.3 dB,证明了百米级传输及探测的可能性。此研究结果为采用激光致声技术进行跨空-水介质探测提供了依据。     

激光引发水下声波

激光引发水下声波作为一种新的激发声波的方法,具有很大的潜在应用价值。对光声转换机制、水下声脉冲特性以及声脉冲强度与激发条件的关系等,进行了较为全面的介绍,并给出了一些实验结果。     

一种水下激光声通信声源的设计方法

单个激光声脉冲具有脉宽窄、频带宽的特点,不适于远距离水声通信。为了改善激光声通信声源的频谱特性,提高通信性能,采用对激光声进行调制的方法,建立了调制激光声码元的数学模型,基于该模型,提出一种调制激光声源的设计方法,该方法使调制激光声码元频谱的能量集中体现在调制特征的频率上,降低了信号的频谱宽度,更利于激光声信号在水声信道中远距离传播;推导了在热膨胀机制和光击穿机制下调制激光声码元的调制参量,利用实验获得的热膨胀和光击穿激光声脉冲,仿真了该方法下的调制激光声码元,并分析其频谱特征。结果表明,该声源调制方法是正确和有效的。     

激光致声技术在跨冰层介质的空中-水下通信应用方法

无线电波、声波和光波通信技术可有效应用于复杂的海洋通信环境中,然而在极寒地区和极地区域海面冰层覆盖的情况下,其在远端发送信号将无法穿透冰层介质,而难以实现空中与水下的通信联络,故提出一种应用于跨冰层介质传输的激光致声通信体制,通过空中发射激光与海面固体冰层的互作用诱导声波信号,再利用海面上覆盖冰层的声源辐射,向下方水体传播来建立空中到水下光波与声波的通信链路,系统将光学与声学技术的有机融合,充分利用固体冰层对声波的快速传导作用,探讨光声转换机理、调制编码及激光声传输特点与性能分析,有效解决海洋通信中受冰层覆盖影响和单一种类信号传输受限问题,为海洋跨空通信提供一种新的技术途径。     

Programmable Acoustic Metasurfaces

Metasurfaces open up unprecedented potential for wave engineering using subwavelength sheets. However, a severe limitation of current acoustic metasurfaces is their poor reconfigurability to achieve distinct functions on demand. Here a programmable acoustic metasurface that contains an array of tunable subwavelength unit cells to break the limitation and realize versatile two‐dimensional wave manipulation functions is reported. Each unit cell of the metasurface is composed of a straight channel and five shunted Helmholtz resonators, whose effective mass can be tuned by a robust fluidic system. The phase and amplitude of acoustic waves transmitting through each unit cell can be modulated dynamically and continuously. Based on such mechanism, the metasurface is able to achieve versatile wave manipulation functions, by engineering the phase and amplitude of transmission waves in the subwavelength scale. Through acoustic field scanning experiments, multiple wave manipulation functions, including steering acoustic waves, engineering acoustic beams, and switching on/off acoustic energy flow by using one design of metasurface are visually demonstrated. This work extends the metasurface research and holds great potential for a wide range of applications including acoustic imaging, communication, levitation, and tweezers.     

纵弯转换超声振动球面聚焦系统聚焦特性研究

该文提出了一种由夹心式纵振动换能器与带孔球壳组成的纵弯转换型球面聚焦系统。应用弹性力学的板壳振动理论和亥姆霍兹-基尔霍夫声场理论分析了新型聚焦系统的振动特征和声场聚焦特征,并通过实验进行了验证。研究结果表明,球壳弯曲振动的辐射声场具有显著的聚焦特性,焦点位置、声压强度、焦区形状受球壳曲率半径的影响。在结构一定的情况下,聚焦的特性受谐振频率的影响,高阶谐振频率的聚焦效果比低阶谐振频率好,但焦点声压低于低阶谐振频率。由于弯曲振动与气体介质的辐射阻抗匹配要好于纵向振动,因此这种新型聚焦系统具有更强的实际应用意义。     

激光与液态物质相互作用机理的研究进展

综述了强激光与液态物质相互作用机理的研究进展和现况。阐述了激光诱导液态物质产生的击穿现象及其伴随着热、声、机械等效应的物理过程。介绍了该机制在工业、医学等应用领域中的重要意义和理论价值。提出了目前尚未解决的问题和未来研究的方向。     

Direct frequency modulation of a semiconductor laser by acoustic waves

Frequency modulated signals in the output of a semiconductor laser diode are generated by applying bulk acoustic waves to the device. The mechanism involved is discussed and theoretical and experimental results are compared.