低頻水下聲信號調制下衍射光場的分布

王玉明　王文成　韓鵬斌

摘要： 建立了一個簡單可行的光學系統用于探測低頻水下聲信號。水下聲信號產生的低頻聲波通過水介質傳到液體表面產生表面波，激光束入射到液面時，在光屏上觀察到了清晰、穩定的衍射圖樣，發現在低頻水下聲信號的調制下衍射光場的分布具有明顯的不對稱性。實驗中得到了衍射圖樣光斑光強與位置的分布，理論分析發現，結果與實驗所觀察到的現象是很吻合的。結果表明，在低頻水下聲信號調制下衍射光場的分布是非對稱分布的。

關鍵詞： 低頻水下聲信號； 液體表面； 衍射圖樣； 非對稱分布

中圖分類號： O436.1 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.013

Abstract： A measurement system is developed to detect the low-frequency underwater acoustic signal. The clear and high stable diffraction pattern is observed experimentally when the laser beam illuminates on the liquid surface which is modulated by the underwater acoustic signal， the diffraction fringes is asymmetric distribution. The asymmetry of the position and intensity of the diffraction spot were explained with the laser oblique incidence. The experiment is consistent with the theory. The results show that it is asymmetric distribution of the diffraction light field which is modulated by low-frequency underwater acoustic signal.

Keywords： low-frequency underwater acoustic signal； liquid surface； diffraction pattern； asymmetric distribution

引 言

聲光效應作為很重要的物理現象，一直以來都受到人們的重視[1-3]，經常用來探測聲信號。Weisburg等首次提出利用液體表面波的光柵衍射效應來研究液體的表面波[4]。液體表面波的研究在很長一段時間內只是停留在液體表面激發表面波的研究方式[5-12]。對于水下聲信號激發液體表面波的研究大多采用光—電法或者激光遙感法[13-14]，很少有人用光學方法研究水下聲場。基于這一問題本文利用聲光效應建立了一種簡單、可行的用于探測水下聲場的光學探測系統。當激光束斜入射到低頻水下聲信號調制的液面時，觀察到了穩定、清晰的衍射圖樣。發現衍射圖樣的分布不同于其他衍射圖樣的分布，得到在低頻水下聲信號激發液體表面波的調制下，衍射圖樣中光斑位置和光強是不對稱分布的，且衍射圖樣的正、負級次也是明顯的不對稱分布的。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1（a）所示，包括：水槽、信號源、光源、探測系統以及數據存儲與處理系統。樣品池是一個有機玻璃水槽，里面盛有水。聲信號系統包括低頻信號發聲器、功率放大器以及水下揚聲器。液體表面距水下揚聲器的距離為6.5 cm，信號發聲器產生的低頻聲信號被功率放大器放大后通過介質水傳到水表面，在水面形成了表面波。光源為He-Ne激光器，波長為632.8 nm，激光束直徑約為2.3 mm。激光束以1.53 rad的入射角入射到水表面，在水面形成橢圓光斑，橢圓光斑的短軸長2.3 mm，長軸長66.6 mm。其中表面波沿橢圓光斑長軸方向傳播。實驗中光屏到入射點的距離約為5 m，CCD作為探測系統用來采集圖樣，采集到的數據直接輸入到計算機，用計算機來存儲與處理圖樣。

2 實驗及實驗結果

實驗裝置如圖1（a）所示，為了得到穩定、清晰的衍射圖樣，實驗前必須先調節激光束的入射角。實驗時直接用CCD對衍射圖樣進行成像，調節CCD焦距及其位置，當CCD對衍射圖樣的成像達到理想狀態時，對衍射圖樣進行成像拍照并用計算機記錄相應的衍射圖樣。實驗中光屏到入射點的距離約為5 m，當光屏與CCD的位置固定后就可以來確定CCD像素與衍射圖樣寬度的比值，實驗中在光屏上放置一個寬度為定值的標準物體，得到該標準物體成像的寬度與像素數就可以得到距離與像素的比值，我們在這里稱之為距離與像素比。實驗時，改變信號發聲器的頻率，用計算機記錄相應頻率的衍射圖樣。本實驗中，低頻聲信號的頻率間隔為2 Hz，頻率從48 Hz到62 Hz發生變化，得到一系列與其頻率相應的衍射圖樣如圖2所示。其中圖（a）是無聲信號時的圖樣，當激光入射到無低頻聲信號調制的液面時，相當于平面鏡反射，因此，光屏上觀察到的圖樣是一個光斑；圖（b）、圖（c）分別是當水下聲信號的頻率為52 Hz與56 Hz時的衍射圖樣。

從圖2中可以明顯看出衍射圖樣中光斑從上到下間距越來越大，具有非對稱分布的特性。用MATLAB軟件對圖（b）、圖（c）進行掃描與擬合，結果如圖3所示。衍射圖樣中央光斑的位置與圖3下凹位置相對應。在這里我們定義衍射圖樣中央光斑的上，下方分別是衍射圖樣的正，負級。從圖3中可以明顯的觀察到同級正、負光斑的光強是不相等的，且正級光斑光強是大于負級光斑光強；同時也可以得到正級光斑的間距是小于負級光斑的間距的。也就是說在低頻水下聲信號的調制下，衍射光場的分布是不對稱的。

3 理論分析

3.1 衍射光斑的強度分析

3.2 衍射光斑的位置分析

從圖3中容易得到，衍射圖樣正級光斑到中央光斑的像素是小于負級光斑到中央光斑的像素的，且負級光斑間距的像素大于正級光斑間距的像素。實驗中根據之前建立好的比例關系：1像素=0.025 3 mm很容易得到衍射圖樣的間距和各級光斑到中央光斑的距離。表1為各級光斑間距的分布情況，表2為各級光斑到中央光斑的距離。

從表1中可較易得到無論是52 Hz的衍射圖樣還是56 Hz的衍射圖樣，在衍射圖樣中衍射光斑的間距是不相等的，也就是說在低頻水下聲信號的調制下所產生的衍射圖樣是不等間距分布的，即衍射圖樣的分布是不均勻的。從表2中可以得到，當水下低頻聲信號調制時頻率為52 Hz時衍射圖樣同級正、負衍射光斑到中央（零級）光斑的距離是不相等的；同樣當低頻聲信號的頻率為56 Hz時同級正、負光斑到中央（零級）也是不相等的，也就是說對于衍射圖樣在低頻水下聲信號的調制下衍射圖樣正、負級是不對稱的。結果與實驗所觀察到的是很吻合的。

4 結 論

建立了一個簡單的光學測量系統用于探測水下聲信號。當激光束入射到有低頻水下聲信號調制的液體表面時，觀察到了清晰、穩定的衍射圖樣，發現在低頻水下聲信號的調制下衍射光場的分布具有明顯的不對稱性。實驗中得到了衍射圖樣光斑光強與位置的分布，結果與實驗所觀察到的現象是很吻合的。結果表明，在低頻水下聲信號的調制下衍射光場的分布是非對稱分布的。

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（編輯：程愛婕）