實驗名稱：液體中超聲聲強的光電測量

研究方向：光電測量

測試目的：

聲強是描述聲場的基本物理量口，超聲效應直接與聲強有關。例如在工程技術領域，液體中的聲場分布直接影響流場分布口，聲強的大小影響著超聲波清洗、霧化、乳化等效果。聲強還用于表征超聲換能器以及聲學人工結構等的輻射性能液體中聲強的測量常用量熱法、輻射壓力法和光學法等回。光學法測量透明液體介質中的聲強利用了聲光效應。聲波在介質中傳播時，介質呈現疏密相間的交替變化，導致介質的光折射率也隨之發生相應的周期性變化。聲光效應使得超聲場如同一個相位光柵光柵間距等于聲波波長。當光波通過此介質時，就會產生衍射現象。

測試設備：信號發生器、ATA-8202射頻功率放大器、超聲換能器、上位機電腦。

圖：超聲光柵遠場衍射光場的觀測

實驗過程：

圖：液體聲場光電測量實驗裝置

液體聲場光電測量實驗裝置如上圖所示。它由兩個通道組成:D聲通道，由信號發生器、功率放大器(Aigtek公司，型號ATA-8202)和超聲換能器(直徑30mm，準直波束)組成，信號發生器產生高頻正弦信號輸入到功率放大器，功率放大器驅動超聲換能器發射超聲波。2光通道，由激光器(He-Ne激光器，單模輸出，波長632.8nm，光束直徑≤1mm、透鏡組、底部放有消聲材料的液槽和CCD相機組成。激光器發出高斯光束，經透鏡1(焦距50mm)和透鏡2(焦距400mm)擴束后照射液槽。液槽中注入靜置24h以上(消除氣泡)的自來水，在超聲波的激勵下產生超聲光柵。液槽的出射光在透鏡3(焦距800mm)的后焦面上形成遠場衍射場。柱面透鏡(焦距50mm將各級衍射光斑展開呈水平直線，利于觀測。CCD相機的光敏面置于透鏡3的后焦面上。CCD相機與計算機相連，程控采集衍射場圖像。

實驗結果：

(1)無聲場時遠場圖像特征參數提取。將準直激光束通過無聲場時的液槽、透鏡3和柱面透鏡后形成的遠場圖像轉換為二維灰度數據矩陣。在灰度矩陣中提取第618行(中間行)數據進行高斯函數擬合，確定圖像的背景灰度、光斑峰值強度、光斑中心位置和光斑寬度。再在灰度矩陣中提取第309行和第927行數據進行高斯函數擬合，確定各自的光斑中心位置，計算條紋相對圖像豎直方向的傾斜角度。

(2)衍射圖像各級條紋特征參數提取。入射光束直徑的有限大小會導致各級衍射光場分布出現混疊光束直徑越大，混疊越弱。實驗中，采用透鏡組對入射光束擴束，目的就是減小混疊。下面的討論忽略了各級衍射光場之間的混疊。首先，在衍射圖像灰度矩陣中提取中間行。對該行進行離散傅里葉變換，濾除高頻分量。再進行離散傅里葉逆變換，得到平滑的曲線并尋找曲線峰值位置。最后，在平滑曲線各峰值位置附近進行高斯函數擬合，得到各級光斑的峰值強度和中心位置。

(3)衍射圖像各級峰值強度歸一化。以介質無聲場時的遠場光斑中心位置為基準，以各射光斑的最小間距為參考，確定各衍射光斑的射級次。為排除實驗參數對聲強測量值的影響，需要將超聲光柵衍射圖像的各級峰值強度對介質無聲場時的遠場光斑峰值強度進行歸一化。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。

審核編輯：湯梓紅