超声光栅效应及应用

1、超声光栅效应及应用摘要超声光栅效应是声光相互作用的一种典型类型，尤其是在声光作用距离较小情况下，光波通过介质时，介质折射率形成近似不随时间变化的空间周期性分布，因而光波通过这种周期性分布的介质时，其位相会受到调制。超声光栅是一种可擦除的实时光栅，其光栅常数可以通过超声波的频率来控制, 利用超声光栅技术可以对声波特性（ 如频率、 波速、 波长、 声压衰减、 相位等 ） 等进行测量。随着激光技术的发展, 声光相互作用在控制光的强度、 传播方向等方面又得到了新的应用，因此越来越受到人们的关注。本文研究了液体中声光相互作用的机理，包括介质中声波的传播形式、声光相互作用的类型，着重研究了声光拉曼-奈斯衍

2、射的机理，以及声光拉曼 -奈斯衍射在超声声速和液体浓度测量中的应用。理论和实验研究结果表明:（ 1 ）对于同一种入射光，在相同浓度的液体中，存在一超声频率使得衍射的级数最多，衍射的条纹亮度最高,此应恰好是超声换能器的共振频率，该频率应在10.30MHz 附近。 （ 2）利用高压汞灯不同谱线测量得到超声声速值与公认值比较符合，测量精度较高。（ 3）利用He-Ne 激光作为光源，测得的声速值与公认值差别较大。此由于激光强度大，衍射光斑尺寸大，测量衍射条纹间距时精度较低的原因。由于超声作用将导致光纤布拉格光栅（FBG）发生微弯曲，从而对FBG的纤芯折射率作出相应的调制，使得FBG的反射谱和透射谱发生

3、显著的变化。利用该特点，国外研究者已经实现了基于超声调制FBG 传感器、可调谐反射器、光开关、光纤滤波器等。首先 ,对超声检测中的超声波以及超声换能器进行了简单的介绍,提出检测应用中超声波的优点, 并介绍了超声波的类型,同时对超声换能器产生超声波的原理和超声换能器的结构作了介绍。其次 ,从光栅基本理论出发,得出了超声作用导致光栅横向振动时光栅中存在三种主要的耦合方式,提出了经过修正之后的耦合模方程,根据失谐量定义,从相位匹配条件出发,定性地分析了光栅横向振动的反射谱特性。另外,从光栅超晶格理论出发,本文也简单介绍了纵向振动反射谱特性。第三,提出了基于Newton-Raphson 方法的算法,对

4、横向振动反射谱特性进行了数值模拟,这种算法快速稳定并且收敛。同时对数值模拟的反射谱进行了详细的分析。通过对数值模拟过程中选择的耦合模数目和超声强度进行优化分析, 获得的结论是: 如果没特殊要求的话,多模耦合方程中只需要选择两个模式就可以得到较精确的谱线。最后 ,根据理论分析,计算了要产生一阶包层模需要的超声波长以及对应的超声换能器频率,并进行了光纤光栅超声横向振动实验。测量了不同超声功率下FBG 的反射谱。实验结果与理论基本相吻合。I绪论超声波从1880年居里发现了压电现象以及1893年Galton发现了超声哨子 时，就建立了超声波领域。1986年，英国皇家化学会在 Warmick大学召开 了

5、第一次声振化学（sonochemistry）会议，反映了本领域的研究进展，引起 了工业界和学术界的兴趣，声振化学的发展已能与光化学、激光化学、热 化学和高压化学相提并论。超声波和声波一样，是物质介质中的一种弹性机 械波，只是频率不同。超声学是涉及20kHz以上频率声波的一个声学分支， 人耳一般听不见，它在介质中传播形式可分为两种情形：（1）低振幅传播。 此时，超声波并不改变所通过材料的理化特性，超声波测量就主要是由这类 超声波完成；（2）高能传播。此时，超声波对传播介质发生影响。在弹性 介质中传播的超声波的频率f和周期T一般取决于声源的振动频率和周期， 它们与介质本身的特性无关。而超声波是通过

6、电磁振荡与机械振动的转换 来实现，超声波的发生通常有三种方法：磁控振荡、压电晶体振荡和机械振 荡，前两种方法一般不适合液体乳化混合操作，比较适用的是机械振荡方 法，完成这种转换的装置称为电声换能器。由于超声波的波长很短 ，频率 很高，因而具有一系列与通常声波不同的特点。由于超声波的波长比在同样 介质中的声波波长短得多，衍射现象不明显，所以可以像光一样沿直线传播 具有很好的定向性。超声波同样有干涉现象，能产生驻波。实验证明超声波 遵守折射和反射定律，能够加以汇聚，以获得巨大能量。由于波的强度正比 于频率的平方，所以在相同的振幅时，超声波比普通声波具有大得多的能 量。超声波应用的研究由来已久，20

7、100kHz的超声波作为能量作用：用 于清洗、塑料熔接及许多化工过程。210MHz的超声波作为传播作用： 用于医学扫描、化学分析及松弛现象的研究。一般认为超声在物质介质中 的相互作用的强弱与超声波的频率和强度有关，超声波的作用可归纳为以 下几个方面1: （1）加热作用：介质总体温度的上升是由于吸收声波。（2） 结构影响：当流体放置于高强声场中时，动力搅拌和剪切应力将影响其结 构特性。（3）压缩和松弛作用：当高强声能波通过固体介质时，将会出现 快速的压缩和松弛作用。（4）声冲流：高强的超声波在液、固和气固界面 能引起比较强烈的流，称为“声冲流（5）空化作用：在超声波压力场内， 空化气泡的形成、增

8、长和剧烈破裂以及由此引发的一系列理化效应。因此 超声波在物理、生物、医学、测量等学科及工业、农业领域中得到广泛应 用。如超声清洗、超声雾化、超声探测、超声乳化混合、超声全息显示及 声光效应等。1922年，布里渊（L . Brillouin） 曾预言，当高频声波在液体传播时，如 果有可见光通过该液体，首次提出声波对可见光会产生衍射效应。这一预言1西安工业大学学士学位论文在10年后得到了验证，这一现象被称作声光效应。若声光作用距离 L较小， 光波通过时，介质折射率的空间周期性变化性质可近似认为是时间不变的，其位相受到的调制，如同经过一个正弦位相光栅，正弦位相光栅与普通平面 矩形光栅的衍射主极大满足

9、类似的光栅方程。1935年,拉曼（Raman）和奈斯（Nath）对声光效应进行研究发现,在一定条件下，声光效应的衍射光强 分布类似于普通的光栅，所以也称为液体中的超声光栅0，超声光栅是一种 可擦除的实时光栅，它的光栅常数和位相调制深度可以通过超声波的频率 和振幅来控制，因此越来越受到人们的关注，利用超声光栅技术可以对声 波特性（如频率、波速、波长、声压衰减、相位等）等进行测量；也可以 进行声波定位、探伤、测距；检测声学在实际应用中也越来越广泛，例如 无损检测、探伤、流体测速、定位、测距等声学检测领域也尤为重要。特 别是超声光栅的多普勒频移技术，在外差干涉测量等领域得到了广泛的发 展。近些年，随

10、着激光技术的发展，声光相互作用在控制光的强度、传播方 向等方面又得到了新的应用。因此研究液体中的超声光栅现象具有重要的 实际意义。超声光栅测量液体声速的研究声光衍射理论的概述超声波是一种弹性波，当它通过介质时，介质中的各点将出现随时间 和空间周期性变化的弹性应变。由于弹光效应，介质中各点的折射率也会 产生相应的周期性变化。当光通过有超声波作用的介质时，相位就要受到 调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光束通 过这个光栅时就要产生衍射，这就是通常观察到的声光衍射，而这种衍射 光栅被称为超声光栅。入射光将被光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向 都随超声场而变化。声光调制器就是利

11、用衍射光的这些性质来实现光的调 制和偏转的。超声光栅测量液体声速的研究压电陶瓷片（PZT）在高频信号源所产生的交变电场的作用下，发生周期性的压缩和伸长振动，其在液体中的传播就形成超声波 ，当一束平面超声波在液体中传播时 ，其声压 使液体分子作周期性变化，液体的局部就会产生周期性的膨胀与压缩，这使得液体的密度在波传播方向上形成周期性分布，促使液体的折射率也做同样分布，形成了所谓疏密 波，这种疏密波所形成的密度分布层次结构，就是超声场的图像，此时若有平行光沿垂直于超声波传播方向通过液体时 ，平行光会被衍射。以上超声场在液体中形成的密度 分布层次结构是以行波运动的，为了使实验条件易实现，衍射现象易于

12、稳定观察，实验 中是在有限尺寸液槽内形成稳定驻波条件下进行观察，由于驻波振幅可以达到行波振幅的两倍，这样就加剧了液体疏密变化的程度。驻波形成以后，某一时刻t,驻波某一节点两边的质点涌向该节点，使该节点附近成为质点密集区，在半个周期以后，t+T/2 时刻，这个节点两边的质点又向左右扩散，使该波节附近成为质点稀疏区， 而相邻的两波节附近成为质点密集区。5五结论四超声波在其它方面的应用液位测量是工业上经常遇到的一个问题，如化工、石油等企业总是有许 多盛液或盛料的反应锅与储槽需要测定液位或料位。从测量范围来说，有的 只有几十厘米，有的可达几十米；从测量条件来说，有的很简单，有的却十分 复杂。例如：有的

13、是高温高压，有的是低温或真空；有的需要防腐蚀、防辐 照，有的液体挥发性很强，甚至必须防爆；有的从安装上提出苛刻的限制，有 的从维护上提出严格要求等等针对不同要求和不同用途，现已发展了许多液位测量技术，其中超声波技术也是一种很有效的测位方法。 超声波液位测 量有许多优点：它不仅能够定点和连续测位，而且能方便地提供遥测或遥控 所需的信号。与其它测位技术相比，它不需要特别防护，安装和维护较方便， 而且结构、方法都较简单，价格低廉。特别是超声波液位测量技术可以选用 气体、液体或固体作为传声媒质，因而有较大的适应性。在超声波液位测量 技术中，应用最广泛的是超声波脉冲回波方法。其工作原理可简述为：由发射传

14、感器发出超声波脉冲，在媒质中传到液面，经反射后再通过媒质返回到 接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声 速,就能得出从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。超声波液位测量 技术可分为气介式、液介式或固介式三类。根据所用传感器的工作方式，又 可分为自发自收单传感器方式和一发一收双传感器方式超声波液位测量技 术是以超声波作为采集信息的手段，产生和接收超声波信号是这项技术最 关键的问题。实现产生和接收超声波信号的器件就是超声波传感器。为了 提高测量精度，作者研究开发了一种新型的自发自收式电容性超声波传感 器，其本质是一个电容器，它的两极是由一面蒸涂有金属的聚乙烯塑料薄膜

15、和有适当厚度的金属背极构成的。这种新型的自发自收式电容性超声波传 感器，其具有体积小、重量轻、结构简单和控制方便等特点 ，且信号的上升 沿、下降沿都较陡，比传统的压电晶体或压电陶瓷超声波传感器的信号敏感 有利于高精度测量。应用本系统可实现对工业上液位或料位的测量，实验表 明它是一种值得在工业中进一步深入研究和推广应用的检测技术之一。超声波清洗作为一种先进、高效的清洗技术，在国内外越来越得到广泛 的应用。近年来，国内生产的超声波清洗机的种类和数量急增，超声波清洗 技术也在不断发展和提高。超声波清洗技术之所以越来越得到广泛应用，是 由于它具有诸多特点：（1）超声波清洗可大大提高被清洗制件表面的洁净

16、 度，这在近代电子、航空、宇航等高、精、尖科学技术发展中 ，显得尤为重 要；（2）清洗速度快、工效高；（3）超声波清洗机的应用便于清洗工艺 的实施及工艺过程的连续自动化；（4）不宜用其它清洗工艺清洗的易碎物品或制件，可用超声波清洗法进行较好的清洗；（5）外形结构比较复杂具西安工业大学学士学位论文有狭小缝隙、孔洞的制件（或部件），用其它工艺清洗不彻底时可用超声波涛 洗法清洗干净；（6）大大降低清洗作业的劳动强度，特别是大批量的小制 件（或部件），尤其适用于超声波清洗。五结论本文主要研究了液体中声光相互作用的机理，液体中超声光栅的形成 和利用超声光栅测量液体中的声速；最后讨论了超声波的应用，如超声

17、波 测量液位的应用、超声波清洗技术的应用、超声检测等。在理论研究的基础上，通过实验观察了液体中超声波与光波的拉曼-奈斯衍射。拉曼-奈斯衍射的各级衍射光对称地分布在零级光两侧，衍射光的强度随级数增加而减少，而衍射光相对于入射光有一个多普勒频移。从 实验测量液体中的声速可见：（1）对于同一种入射光，在相同浓度的液体 中，存在一超声频率，使得到衍射的级数最多，衍射的条纹亮度最高，此时 的超声频率恰好是超声换能器的共振频率，该频率在10.30MHz附近。（2）利用高压汞灯不同谱线测量得到超声声速值与理论值比较符合，测量精度 较高。（3）利用He-Ne激光作为光源，测得的声速值与公认值差别较大。 此由于

18、激光强度大，衍射光斑尺寸大，测量衍射条纹间距时精度较低的原 因。致谢本论文所做工作自始至终都是在教授的悉心指导下完成的，全部工作都凝结着她的汗水与心血。朱老师学识渊博，治学严谨，她在学术上的造诣 使我受益终生。她注重培养学生的独立工作能力，从不限制学生的思维方 式，关键时候的点拨又起到画龙点睛的作用。朱老师严谨的治学风范，一 丝不苟的敬业精神、饱满的工作热情、严谨求实的科学态度、高度负责的 精神以及对学生无微不至的关怀，时时感动和激励着我，使我受益匪浅， 将会深远地影响我的一生。衷心感谢实验室老师在毕业设计中提供支持和帮助。感谢数理系所有老师，感谢西安工业大学多年来的教育和培养。感谢04100

19、4班全体同学这四年来的鼎力支持。深深的感谢家人及朋友 们的支持和帮助。没有她们的关心和爱护，就没有我的今天和未来！最后衷心感谢百忙之中抽出时间参加论文评阅和评议的各位老师，感谢他们为审阅本文所付出的珍贵的指教和辛勤。6参考文献参考文献1皆振发,戴结林.超声光栅测液体中的声速.安徽教育学院学报,2007,25(3):28 312 严天惠.超声波清洗的广泛应用.现代机械，2002(4):1031043 J. W. Goodman 著，詹达三，董经武，顾本源译，秦克诚校.傅里叶光学导论M. 北京：科学出版社，1976.4 羊国光，宋菲君.高等物理光学M.合肥：中国科学术大学出版社,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附录A附录A卜列图表是测微目镜中衍射条纹的读数，小数点后第三位为估数值：(mm表1:以汞灯为光源，在普通水情况下频率为u =10.37 +0.01MHZ时，测微目镜中衍射条纹位置的读数( mm色、-3-2-10123黄0.2720.9851.6112.2812.9503.5714.293绿0.

24、3921.0331.6922.2812.7733.5334.180蓝0.8531.3341.8742.2812.6833.2293.705表2:以汞灯为光源，在普通水情况下频率为u =10.43 MH时，测微目镜中衍射条纹位置的读数：(mrm色-3-2-10123黄0.1240.8361.4932.3053.1083.7744.481绿0.2460.9061.5262.3053.0873.7144.369蓝0.6421.2292.2892.3052.3163.3853.965表3:以汞灯为光源，在浓度为0.3 %的盐水下频率 u =10.21 +0.01MHZ时，测微目镜中衍射条纹位置读数：(mrm级 色-3-2-10123黄0.9161.6762.3343.063