超聲光柵效應(yīng)及應(yīng)用

1、超聲光柵效應(yīng)及應(yīng)用摘要超聲光柵效應(yīng)是聲光相互作用的一種典型類型，尤其是在聲光作用距離較小情況下，光波通過介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)折射率形成近似不隨時(shí)間變化的空間周期性分布，因而光波通過這種周期性分布的介質(zhì)時(shí)，其位相會(huì)受到調(diào)制。超聲光柵是一種可擦除的實(shí)時(shí)光柵，其光柵常數(shù)可以通過超聲波的頻率來控制, 利用超聲光柵技術(shù)可以對(duì)聲波特性（ 如頻率、 波速、 波長、 聲壓衰減、 相位等 ） 等進(jìn)行測(cè)量。隨著激光技術(shù)的發(fā)展, 聲光相互作用在控制光的強(qiáng)度、 傳播方向等方面又得到了新的應(yīng)用，因此越來越受到人們的關(guān)注。本文研究了液體中聲光相互作用的機(jī)理，包括介質(zhì)中聲波的傳播形式、聲光相互作用的類型，著重研究了聲光拉曼-奈斯衍

2、射的機(jī)理，以及聲光拉曼 -奈斯衍射在超聲聲速和液體濃度測(cè)量中的應(yīng)用。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:（ 1 ）對(duì)于同一種入射光，在相同濃度的液體中，存在一超聲頻率使得衍射的級(jí)數(shù)最多，衍射的條紋亮度最高,此應(yīng)恰好是超聲換能器的共振頻率，該頻率應(yīng)在10.30MHz 附近。 （ 2）利用高壓汞燈不同譜線測(cè)量得到超聲聲速值與公認(rèn)值比較符合，測(cè)量精度較高。（ 3）利用He-Ne 激光作為光源，測(cè)得的聲速值與公認(rèn)值差別較大。此由于激光強(qiáng)度大，衍射光斑尺寸大，測(cè)量衍射條紋間距時(shí)精度較低的原因。由于超聲作用將導(dǎo)致光纖布拉格光柵（FBG）發(fā)生微彎曲，從而對(duì)FBG的纖芯折射率作出相應(yīng)的調(diào)制，使得FBG的反射譜和透射譜發(fā)生

3、顯著的變化。利用該特點(diǎn)，國外研究者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于超聲調(diào)制FBG 傳感器、可調(diào)諧反射器、光開關(guān)、光纖濾波器等。首先 ,對(duì)超聲檢測(cè)中的超聲波以及超聲換能器進(jìn)行了簡單的介紹,提出檢測(cè)應(yīng)用中超聲波的優(yōu)點(diǎn), 并介紹了超聲波的類型,同時(shí)對(duì)超聲換能器產(chǎn)生超聲波的原理和超聲換能器的結(jié)構(gòu)作了介紹。其次 ,從光柵基本理論出發(fā),得出了超聲作用導(dǎo)致光柵橫向振動(dòng)時(shí)光柵中存在三種主要的耦合方式,提出了經(jīng)過修正之后的耦合模方程,根據(jù)失諧量定義,從相位匹配條件出發(fā),定性地分析了光柵橫向振動(dòng)的反射譜特性。另外,從光柵超晶格理論出發(fā),本文也簡單介紹了縱向振動(dòng)反射譜特性。第三,提出了基于Newton-Raphson 方法的算法,對(duì)

4、橫向振動(dòng)反射譜特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,這種算法快速穩(wěn)定并且收斂。同時(shí)對(duì)數(shù)值模擬的反射譜進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過對(duì)數(shù)值模擬過程中選擇的耦合模數(shù)目和超聲強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化分析, 獲得的結(jié)論是: 如果沒特殊要求的話,多模耦合方程中只需要選擇兩個(gè)模式就可以得到較精確的譜線。最后 ,根據(jù)理論分析,計(jì)算了要產(chǎn)生一階包層模需要的超聲波長以及對(duì)應(yīng)的超聲換能器頻率,并進(jìn)行了光纖光柵超聲橫向振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。測(cè)量了不同超聲功率下FBG 的反射譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論基本相吻合。I緒論超聲波從1880年居里發(fā)現(xiàn)了壓電現(xiàn)象以及1893年Galton發(fā)現(xiàn)了超聲哨子 時(shí)，就建立了超聲波領(lǐng)域。1986年，英國皇家化學(xué)會(huì)在 Warmick大學(xué)召開 了

5、第一次聲振化學(xué)（sonochemistry）會(huì)議，反映了本領(lǐng)域的研究進(jìn)展，引起 了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的興趣，聲振化學(xué)的發(fā)展已能與光化學(xué)、激光化學(xué)、熱 化學(xué)和高壓化學(xué)相提并論。超聲波和聲波一樣，是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機(jī) 械波，只是頻率不同。超聲學(xué)是涉及20kHz以上頻率聲波的一個(gè)聲學(xué)分支， 人耳一般聽不見，它在介質(zhì)中傳播形式可分為兩種情形：（1）低振幅傳播。 此時(shí)，超聲波并不改變所通過材料的理化特性，超聲波測(cè)量就主要是由這類 超聲波完成；（2）高能傳播。此時(shí)，超聲波對(duì)傳播介質(zhì)發(fā)生影響。在彈性 介質(zhì)中傳播的超聲波的頻率f和周期T一般取決于聲源的振動(dòng)頻率和周期， 它們與介質(zhì)本身的特性無關(guān)。而超聲波是通過

6、電磁振蕩與機(jī)械振動(dòng)的轉(zhuǎn)換 來實(shí)現(xiàn)，超聲波的發(fā)生通常有三種方法：磁控振蕩、壓電晶體振蕩和機(jī)械振 蕩，前兩種方法一般不適合液體乳化混合操作，比較適用的是機(jī)械振蕩方 法，完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為電聲換能器。由于超聲波的波長很短 ，頻率 很高，因而具有一系列與通常聲波不同的特點(diǎn)。由于超聲波的波長比在同樣 介質(zhì)中的聲波波長短得多，衍射現(xiàn)象不明顯，所以可以像光一樣沿直線傳播 具有很好的定向性。超聲波同樣有干涉現(xiàn)象，能產(chǎn)生駐波。實(shí)驗(yàn)證明超聲波 遵守折射和反射定律，能夠加以匯聚，以獲得巨大能量。由于波的強(qiáng)度正比 于頻率的平方，所以在相同的振幅時(shí)，超聲波比普通聲波具有大得多的能 量。超聲波應(yīng)用的研究由來已久，20

7、100kHz的超聲波作為能量作用：用 于清洗、塑料熔接及許多化工過程。210MHz的超聲波作為傳播作用： 用于醫(yī)學(xué)掃描、化學(xué)分析及松弛現(xiàn)象的研究。一般認(rèn)為超聲在物質(zhì)介質(zhì)中 的相互作用的強(qiáng)弱與超聲波的頻率和強(qiáng)度有關(guān)，超聲波的作用可歸納為以 下幾個(gè)方面1: （1）加熱作用：介質(zhì)總體溫度的上升是由于吸收聲波。（2） 結(jié)構(gòu)影響：當(dāng)流體放置于高強(qiáng)聲場(chǎng)中時(shí)，動(dòng)力攪拌和剪切應(yīng)力將影響其結(jié) 構(gòu)特性。（3）壓縮和松弛作用：當(dāng)高強(qiáng)聲能波通過固體介質(zhì)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn) 快速的壓縮和松弛作用。（4）聲沖流：高強(qiáng)的超聲波在液、固和氣固界面 能引起比較強(qiáng)烈的流，稱為“聲沖流（5）空化作用：在超聲波壓力場(chǎng)內(nèi)， 空化氣泡的形成、增

8、長和劇烈破裂以及由此引發(fā)的一系列理化效應(yīng)。因此 超聲波在物理、生物、醫(yī)學(xué)、測(cè)量等學(xué)科及工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng) 用。如超聲清洗、超聲霧化、超聲探測(cè)、超聲乳化混合、超聲全息顯示及 聲光效應(yīng)等。1922年，布里淵（L . Brillouin） 曾預(yù)言，當(dāng)高頻聲波在液體傳播時(shí)，如 果有可見光通過該液體，首次提出聲波對(duì)可見光會(huì)產(chǎn)生衍射效應(yīng)。這一預(yù)言1西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文在10年后得到了驗(yàn)證，這一現(xiàn)象被稱作聲光效應(yīng)。若聲光作用距離 L較小， 光波通過時(shí)，介質(zhì)折射率的空間周期性變化性質(zhì)可近似認(rèn)為是時(shí)間不變的，其位相受到的調(diào)制，如同經(jīng)過一個(gè)正弦位相光柵，正弦位相光柵與普通平面 矩形光柵的衍射主極大滿足

9、類似的光柵方程。1935年,拉曼（Raman）和奈斯（Nath）對(duì)聲光效應(yīng)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),在一定條件下，聲光效應(yīng)的衍射光強(qiáng) 分布類似于普通的光柵，所以也稱為液體中的超聲光柵0，超聲光柵是一種 可擦除的實(shí)時(shí)光柵，它的光柵常數(shù)和位相調(diào)制深度可以通過超聲波的頻率 和振幅來控制，因此越來越受到人們的關(guān)注，利用超聲光柵技術(shù)可以對(duì)聲 波特性（如頻率、波速、波長、聲壓衰減、相位等）等進(jìn)行測(cè)量；也可以 進(jìn)行聲波定位、探傷、測(cè)距；檢測(cè)聲學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中也越來越廣泛，例如 無損檢測(cè)、探傷、流體測(cè)速、定位、測(cè)距等聲學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域也尤為重要。特 別是超聲光柵的多普勒頻移技術(shù)，在外差干涉測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā) 展。近些年，隨

10、著激光技術(shù)的發(fā)展，聲光相互作用在控制光的強(qiáng)度、傳播方 向等方面又得到了新的應(yīng)用。因此研究液體中的超聲光柵現(xiàn)象具有重要的 實(shí)際意義。超聲光柵測(cè)量液體聲速的研究聲光衍射理論的概述超聲波是一種彈性波，當(dāng)它通過介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)中的各點(diǎn)將出現(xiàn)隨時(shí)間 和空間周期性變化的彈性應(yīng)變。由于彈光效應(yīng)，介質(zhì)中各點(diǎn)的折射率也會(huì) 產(chǎn)生相應(yīng)的周期性變化。當(dāng)光通過有超聲波作用的介質(zhì)時(shí)，相位就要受到 調(diào)制，其結(jié)果如同它通過一個(gè)衍射光柵，光柵間距等于聲波波長，光束通 過這個(gè)光柵時(shí)就要產(chǎn)生衍射，這就是通常觀察到的聲光衍射，而這種衍射 光柵被稱為超聲光柵。入射光將被光柵衍射，衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向 都隨超聲場(chǎng)而變化。聲光調(diào)制器就是利

11、用衍射光的這些性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)光的調(diào) 制和偏轉(zhuǎn)的。超聲光柵測(cè)量液體聲速的研究壓電陶瓷片（PZT）在高頻信號(hào)源所產(chǎn)生的交變電場(chǎng)的作用下，發(fā)生周期性的壓縮和伸長振動(dòng)，其在液體中的傳播就形成超聲波 ，當(dāng)一束平面超聲波在液體中傳播時(shí) ，其聲壓 使液體分子作周期性變化，液體的局部就會(huì)產(chǎn)生周期性的膨脹與壓縮，這使得液體的密度在波傳播方向上形成周期性分布，促使液體的折射率也做同樣分布，形成了所謂疏密 波，這種疏密波所形成的密度分布層次結(jié)構(gòu)，就是超聲場(chǎng)的圖像，此時(shí)若有平行光沿垂直于超聲波傳播方向通過液體時(shí) ，平行光會(huì)被衍射。以上超聲場(chǎng)在液體中形成的密度 分布層次結(jié)構(gòu)是以行波運(yùn)動(dòng)的，為了使實(shí)驗(yàn)條件易實(shí)現(xiàn)，衍射現(xiàn)象易于

12、穩(wěn)定觀察，實(shí)驗(yàn) 中是在有限尺寸液槽內(nèi)形成穩(wěn)定駐波條件下進(jìn)行觀察，由于駐波振幅可以達(dá)到行波振幅的兩倍，這樣就加劇了液體疏密變化的程度。駐波形成以后，某一時(shí)刻t,駐波某一節(jié)點(diǎn)兩邊的質(zhì)點(diǎn)涌向該節(jié)點(diǎn)，使該節(jié)點(diǎn)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)，在半個(gè)周期以后，t+T/2 時(shí)刻，這個(gè)節(jié)點(diǎn)兩邊的質(zhì)點(diǎn)又向左右擴(kuò)散，使該波節(jié)附近成為質(zhì)點(diǎn)稀疏區(qū)， 而相鄰的兩波節(jié)附近成為質(zhì)點(diǎn)密集區(qū)。5五結(jié)論四超聲波在其它方面的應(yīng)用液位測(cè)量是工業(yè)上經(jīng)常遇到的一個(gè)問題，如化工、石油等企業(yè)總是有許 多盛液或盛料的反應(yīng)鍋與儲(chǔ)槽需要測(cè)定液位或料位。從測(cè)量范圍來說，有的 只有幾十厘米，有的可達(dá)幾十米；從測(cè)量條件來說，有的很簡單，有的卻十分 復(fù)雜。例如：有的

13、是高溫高壓，有的是低溫或真空；有的需要防腐蝕、防輻 照，有的液體揮發(fā)性很強(qiáng)，甚至必須防爆；有的從安裝上提出苛刻的限制，有 的從維護(hù)上提出嚴(yán)格要求等等針對(duì)不同要求和不同用途，現(xiàn)已發(fā)展了許多液位測(cè)量技術(shù)，其中超聲波技術(shù)也是一種很有效的測(cè)位方法。 超聲波液位測(cè) 量有許多優(yōu)點(diǎn)：它不僅能夠定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)位，而且能方便地提供遙測(cè)或遙控 所需的信號(hào)。與其它測(cè)位技術(shù)相比，它不需要特別防護(hù)，安裝和維護(hù)較方便， 而且結(jié)構(gòu)、方法都較簡單，價(jià)格低廉。特別是超聲波液位測(cè)量技術(shù)可以選用 氣體、液體或固體作為傳聲媒質(zhì)，因而有較大的適應(yīng)性。在超聲波液位測(cè)量 技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的是超聲波脈沖回波方法。其工作原理可簡述為：由發(fā)射傳

14、感器發(fā)出超聲波脈沖，在媒質(zhì)中傳到液面，經(jīng)反射后再通過媒質(zhì)返回到 接收傳感器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲 速,就能得出從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面。超聲波液位測(cè)量 技術(shù)可分為氣介式、液介式或固介式三類。根據(jù)所用傳感器的工作方式，又 可分為自發(fā)自收單傳感器方式和一發(fā)一收雙傳感器方式超聲波液位測(cè)量技 術(shù)是以超聲波作為采集信息的手段，產(chǎn)生和接收超聲波信號(hào)是這項(xiàng)技術(shù)最 關(guān)鍵的問題。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生和接收超聲波信號(hào)的器件就是超聲波傳感器。為了 提高測(cè)量精度，作者研究開發(fā)了一種新型的自發(fā)自收式電容性超聲波傳感 器，其本質(zhì)是一個(gè)電容器，它的兩極是由一面蒸涂有金屬的聚乙烯塑料薄膜

15、和有適當(dāng)厚度的金屬背極構(gòu)成的。這種新型的自發(fā)自收式電容性超聲波傳 感器，其具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單和控制方便等特點(diǎn) ，且信號(hào)的上升 沿、下降沿都較陡，比傳統(tǒng)的壓電晶體或壓電陶瓷超聲波傳感器的信號(hào)敏感 有利于高精度測(cè)量。應(yīng)用本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)上液位或料位的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)表 明它是一種值得在工業(yè)中進(jìn)一步深入研究和推廣應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)之一。超聲波清洗作為一種先進(jìn)、高效的清洗技術(shù)，在國內(nèi)外越來越得到廣泛 的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)生產(chǎn)的超聲波清洗機(jī)的種類和數(shù)量急增，超聲波清洗 技術(shù)也在不斷發(fā)展和提高。超聲波清洗技術(shù)之所以越來越得到廣泛應(yīng)用，是 由于它具有諸多特點(diǎn)：（1）超聲波清洗可大大提高被清洗制件表面的潔凈

16、 度，這在近代電子、航空、宇航等高、精、尖科學(xué)技術(shù)發(fā)展中 ，顯得尤為重 要；（2）清洗速度快、工效高；（3）超聲波清洗機(jī)的應(yīng)用便于清洗工藝 的實(shí)施及工藝過程的連續(xù)自動(dòng)化；（4）不宜用其它清洗工藝清洗的易碎物品或制件，可用超聲波清洗法進(jìn)行較好的清洗；（5）外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜具西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文有狹小縫隙、孔洞的制件（或部件），用其它工藝清洗不徹底時(shí)可用超聲波濤 洗法清洗干凈；（6）大大降低清洗作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，特別是大批量的小制 件（或部件），尤其適用于超聲波清洗。五結(jié)論本文主要研究了液體中聲光相互作用的機(jī)理，液體中超聲光柵的形成 和利用超聲光柵測(cè)量液體中的聲速；最后討論了超聲波的應(yīng)用，如超聲

17、波 測(cè)量液位的應(yīng)用、超聲波清洗技術(shù)的應(yīng)用、超聲檢測(cè)等。在理論研究的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)觀察了液體中超聲波與光波的拉曼-奈斯衍射。拉曼-奈斯衍射的各級(jí)衍射光對(duì)稱地分布在零級(jí)光兩側(cè)，衍射光的強(qiáng)度隨級(jí)數(shù)增加而減少，而衍射光相對(duì)于入射光有一個(gè)多普勒頻移。從 實(shí)驗(yàn)測(cè)量液體中的聲速可見：（1）對(duì)于同一種入射光，在相同濃度的液體 中，存在一超聲頻率，使得到衍射的級(jí)數(shù)最多，衍射的條紋亮度最高，此時(shí) 的超聲頻率恰好是超聲換能器的共振頻率，該頻率在10.30MHz附近。（2）利用高壓汞燈不同譜線測(cè)量得到超聲聲速值與理論值比較符合，測(cè)量精度 較高。（3）利用He-Ne激光作為光源，測(cè)得的聲速值與公認(rèn)值差別較大。 此由于

18、激光強(qiáng)度大，衍射光斑尺寸大，測(cè)量衍射條紋間距時(shí)精度較低的原 因。致謝本論文所做工作自始至終都是在教授的悉心指導(dǎo)下完成的，全部工作都凝結(jié)著她的汗水與心血。朱老師學(xué)識(shí)淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，她在學(xué)術(shù)上的造詣 使我受益終生。她注重培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立工作能力，從不限制學(xué)生的思維方 式，關(guān)鍵時(shí)候的點(diǎn)撥又起到畫龍點(diǎn)睛的作用。朱老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范，一 絲不茍的敬業(yè)精神、飽滿的工作熱情、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度、高度負(fù)責(zé)的 精神以及對(duì)學(xué)生無微不至的關(guān)懷，時(shí)時(shí)感動(dòng)和激勵(lì)著我，使我受益匪淺， 將會(huì)深遠(yuǎn)地影響我的一生。衷心感謝實(shí)驗(yàn)室老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中提供支持和幫助。感謝數(shù)理系所有老師，感謝西安工業(yè)大學(xué)多年來的教育和培養(yǎng)。感謝04100

19、4班全體同學(xué)這四年來的鼎力支持。深深的感謝家人及朋友 們的支持和幫助。沒有她們的關(guān)心和愛護(hù)，就沒有我的今天和未來！最后衷心感謝百忙之中抽出時(shí)間參加論文評(píng)閱和評(píng)議的各位老師，感謝他們?yōu)閷忛啽疚乃冻龅恼滟F的指教和辛勤。6參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1皆振發(fā),戴結(jié)林.超聲光柵測(cè)液體中的聲速.安徽教育學(xué)院學(xué)報(bào),2007,25(3):28 312 嚴(yán)天惠.超聲波清洗的廣泛應(yīng)用.現(xiàn)代機(jī)械，2002(4):1031043 J. W. Goodman 著，詹達(dá)三，董經(jīng)武，顧本源譯，秦克誠校.傅里葉光學(xué)導(dǎo)論M. 北京：科學(xué)出版社，1976.4 羊國光，宋菲君.高等物理光學(xué)M.合肥：中國科學(xué)術(shù)大學(xué)出版社,1991.5 A.

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22、and L. P. Zawada Detection of porosity in glass ceramicmatrix composites using an ultrasonic multiple - gate c - scantechniqne, Materials Evaluation. Vo l. 54, 1996 (7) : 827 8317西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文17 呂霞付,楊海麟,王武.超聲波在生物發(fā)酵工程中的應(yīng)用.生物技術(shù)通訊，2001,12(4):3103 1318 劉鎮(zhèn)清，劉驍超.聲無損檢測(cè)的若干新進(jìn)展.無損檢測(cè)，2000,22(9):40340519 Liu ZQ

23、, Lu MD, Wei MA. Structures no ise reduction of ultrasonic signals using artificial neural network adaptive filtering. Ultrasonics, 1997, 35 (4) : 325328附錄A附錄A卜列圖表是測(cè)微目鏡中衍射條紋的讀數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后第三位為估數(shù)值：(mm表1:以汞燈為光源，在普通水情況下頻率為u =10.37 +0.01MHZ時(shí)，測(cè)微目鏡中衍射條紋位置的讀數(shù)( mm色、-3-2-10123黃0.2720.9851.6112.2812.9503.5714.293綠0.

24、3921.0331.6922.2812.7733.5334.180藍(lán)0.8531.3341.8742.2812.6833.2293.705表2:以汞燈為光源，在普通水情況下頻率為u =10.43 MH時(shí)，測(cè)微目鏡中衍射條紋位置的讀數(shù)：(mrm色-3-2-10123黃0.1240.8361.4932.3053.1083.7744.481綠0.2460.9061.5262.3053.0873.7144.369藍(lán)0.6421.2292.2892.3052.3163.3853.965表3:以汞燈為光源，在濃度為0.3 %的鹽水下頻率 u =10.21 +0.01MHZ時(shí)，測(cè)微目鏡中衍射條紋位置讀數(shù)：(mrm級(jí) 色-3-2-10123黃0.9161.6762.3343.063