液体中激光等离子体声波声谱特性研究

对高功率激光与液体物质作用时产生的等离子体声波声谱特性进行了实验研究.采用压电陶瓷(PZT)水听器测量了不同情况下的激光等离子体声波,对采集的信号经过傅立叶变换(FFT)后得到相应的声谱进行频谱分析.结果表明:激光等离子体声波的频谱分布、峰值频率与激光能量、激光在水下的衰减特性和水下环境无关.     

激光诱导双空泡声波特性研究

利用高功率激光与液体物质相互作用产生双空泡,采用高速照相机、高频测量水听器对激光双空泡的生长过程及辐射的声波信号进行了测量,对不同双空泡间距、不同激光能量产生的以及不同方位的声波分别进行采集,并与单空泡声波进行比较,对其特性进行分析。分析结果表明:双空泡之间距离的减小与作用激光能量的增大,引起空化声波声压逐渐增大;而双空泡声波频率峰值始终保持在1kHz,与实验条件的改变无关;双空泡声波相对于单空泡声波声压增大,频率峰值并没有发生明显的改变。     

基于小波分析的激光空泡声波特性研究

采用PZT（Piezoelectric Transducer）水听器对激光空泡声波进行了实验研究。利用小波变换对不同激光能量、不同作用金属物质、不同波长下检测的声波信号频谱特性进行了分析。结果表明：激光空泡声波主要频率集中在0～150 kHz范围内,小波分解后,低频a6级信号的能量占总能量的绝大部分,信号的主要频率成分集中在0～20 kHz。     

激光诱导单空泡溃灭噪声频谱特性研究

采用压电陶瓷水听器对液体中激光诱导单空泡溃灭噪声进行了信号检测实验。描述了实验仪器实施配置方法,并编制了一款应用小波变换、快速傅里叶变换(FFT)等信号分析手段对测得的空化噪声信号进行小波降噪、功率谱分析的空化噪声分析软件。该软件试用表明,小波降噪技术应用于空化信号分析是一种有效的方法。设计的噪声分析软件能够快速直观地反映噪声信号的频谱特征,实现空化的在线检测和监测。研究结果对水轮机、螺旋桨等水利机械的空蚀预警及空化空蚀现象的研究和应用具有一定意义。     

环境压强对激光空泡声波特性影响的实验研究

环境压强是影响空泡脉动的一个重要因素.为了研究环境压强对激光空泡声波特性的影响,采用理想液体中单空泡运动的理论模型,对不同环境压强下液体中空泡运动过程进行了数值模拟,并通过充气泵精确调节高压水箱内的气压,采用高速照相机、高频测量水听器,得到了在不同压强条件下,空泡脉动特性的序列图像和声谱图,根据实验数据研究了不同环境压强下液体中激光诱导产生的空泡脉动规律与声波特性.结果表明:环境压强的改变影响了空泡生存周期和脉动的剧烈程度,但对声波的强度和声谱分布没有影响.辐射的频率集中在0~50 kHz 范围内,所辐射的声波能量主要集中在0~20 kHz 频段范围,并在2 kHz 与8 kHz 有两个明显的频率峰值.     

激光空泡脉动特性的实验和理论研究

采用自行研制的基于光偏转原理的高灵敏度光纤传感器研究了激光在水中铝靶表面产生的等离子体空泡及其脉动特性。通过实验获得了激光等离子体空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程；判定了空泡在两次脉动中对应的最大和最小泡半径。进而结合空泡溃灭理论，推算了激光空泡在各次脉动周期中含气量的变化。实验结果表明，激光空泡的含气量越小，空泡收缩越剧烈，气泡所能收缩的最小泡半径越小，其相应溃灭周期也越短。     

脉冲激光打孔声波产生机理研究

为了研究激光打孔过程中声波信号产生机理。利用电容传声器、PVDF传感器分别测量了激光打孔过程中的声波型号与冲击波信号,比较并分析了氧气为辅助气体、无辅助气体时声波信号的异同。研究结果表明:激光作用于孔内材料诱导产生的等离子体冲击波是激光打孔过程中产生声波的主要原因;辅助气体不是产生声波信号的必要条件;氧气作为辅助气时起到两方面作用:一方面,气流的物理作用减弱材料蒸汽和等离子对激光的屏蔽效应,维持较为连续的声波信号输出;另一方面,氧气的化学作用会增强材料蒸汽和等离子的屏蔽效应。氧气的物理作用与化学作用交替进行产生了不连续的声波信号。     

基于激光回馈干涉系统的PZT迟滞特性测量

压电陶瓷迟滞特性对精密控制系统的精度具有重要影响,目前PZT迟滞特性的测量方法精度较低或者测量系统复杂,难以实现高精度测量。总结分析了目前测量压电陶瓷特性的方法,并使用基于激光回馈干涉原理的微片激光回馈干涉测量系统,利用物体表面的散射光对压电陶瓷的迟滞特性进行测量和分析。该方法不需靶镜,对被测对象要求较低,测量便捷,测量精度达到纳米量级,对精密控制系统中压电陶瓷的校准测量具有重要意义。     

激光空泡溃灭过程的数值计算

提出了激光空泡溃灭的简单计算模型。在确定初始状态时考虑并减去整个溃灭过程中的热传导和水蒸气在空泡壁面的凝结与蒸发因素,这样在计算过程中空泡内的水蒸气质量不变,同时考虑了整个溃灭过程中水的可压缩性。研究了半径1 mm激光空泡的溃灭过程。空泡壁的最大溃灭速度可达1172.8 m/s,空泡中心的最高压强可达8.8728×108 Pa,最高温度11038 K,最小半径15 μm。该模型简单实用,激光空泡初始条件的确定,为研究激光空泡与弹塑性固体壁面的相互作用打下了基础。     

固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究

采用两套基于光偏转原理的光纤传感器测量了固壁旁激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。通过实验获得了激光空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程,判定了空泡在两次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期,并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。此外,在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和激光空泡在固体壁面附近溃灭时产生的射流冲击力的作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。     

含气量对粘性液体中空泡声波频谱特性的影响

通过压电陶瓷(PZT)水听器获取粘性液体中激光空泡脉动辐射的声波,结合分析液体粘性与空泡含气量对空泡最大半径以及脉动周期的影响,实验研究了含气量对粘性液体中空泡声波频谱特性的影响。分析结果表明,在入射激光能量不变的情况下,激光空泡第1次脉动过程中泡内的含气量随着液体粘度的增加而减少,空泡脉动辐射声波的峰值频率有向高频移动的趋势。     

液体温度对空泡生长和溃灭过程的影响

采用光偏转测试系统研究了不同温度纯净水中激光空泡脉动过程,通过实验获得了激光空泡在靶表面膨胀和收缩全过程,确定了空泡的最大、最小泡半径、脉动周期和泡壁运动速度。实验采用0℃到70℃的纯净水,测量了空泡的泡半径和脉动周期等特征参量变化情况。实验结果表明,液体温度是影响空泡脉动的一个非常重要的因素,随着液体温度的增加空泡的最大泡半径和溃灭周期均呈增加趋势。给出了相应的理论解释。     

表面张力对空泡脉动特性影响的实验研究

采用光偏转(OBD)测试系统对不同表面张力液体中激光空泡脉动特性进行了实验研究,探测了不同表面张力液体中空泡前2次脉动的全过程,分析了液体表面张力变化对空泡脉动特性的影响。结果表明:表面张力延缓了空泡的膨胀过程,加速了空泡的收缩,缩短了空泡脉动周期;表面张力越大,空泡对应的最大泡半径越小而收缩所能达到的最小泡半径亦越小;表面张力加强了空泡泡能的损失。     

不同环境压强下激光空泡溃灭射流的实验研究

为了研究环境压强对固壁面附近激光空泡溃灭射流的影响,采用光偏转方法对固体壁面附近空泡溃灭行为进行了实验研究,得到了不同环境压强下空泡的溃灭时间、溃灭射流冲击压强。结果表明,相同激光能量下,环境压强对空泡溃灭时间、射流冲击压强都有非线性的影响关系,环境压强越大,溃灭时间越小,射流冲击压强越大;在空泡溃灭的前期,泡壁加速率较小且受环境压强的影响较小;在溃灭的后期,射流形成,空泡上表面泡壁中心点速率迅速增大,且相应阶段的加速率随着环境压强的增大而增大。这一结果对激光水下加工及空泡动力学的研究有积极的意义。     

激光诱导水垢等离子体温度精确求解研究

为了减小谱线自发辐射跃迁几率等参量的不确定性带来的计算误差,采用一种改进型的迭代Boltzmann算法研究了激光诱导水垢等离子体的电子温度,经过12次迭代,线性相关系数由0.7687提高到0.99991,得到水垢等离子体的电子温度为5012K。Lorentz函数拟合Ca Ⅱ 393.37nm得到水垢等离子体的电子密度是5.7×1016cm-3,远高于临界值6.4×1015cm-3,证明激光诱导水垢等离子体满足局部热力学平衡模型。结果表明,本方法不仅操作简单,而且可以明显提高等离子体特征参量的求解精度。