實驗(yan)名(ming)稱：液體中(zhong)超聲聲強的(de)光電(dian)測量(liang)

　　研究(jiu)方向(xiang)：光電(dian)測(ce)量

　　測試目的：

　　聲(sheng)強(qiang)是描述聲(sheng)場的(de)基本(ben)物理量口，超聲(sheng)效(xiao)應直接(jie)與聲(sheng)強(qiang)有關。例如在工程技術領域，液體中的(de)聲(sheng)場分(fen)(fen)布(bu)直接(jie)影響(xiang)流場分(fen)(fen)布(bu)口，聲(sheng)強(qiang)的(de)大小(xiao)影響(xiang)著超聲(sheng)波清(qing)洗(xi)、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(she)備(bei)：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(chao)聲光柵遠場衍射光場的觀(guan)測

　　實驗過程(cheng)：

圖：液體聲場光電(dian)測量實(shi)驗裝置

　　液體聲場光電測量實驗裝置如上圖(tu)所示。它由(you)兩個通(tong)道組成(cheng):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(tou)鏡3的后焦面上。CCD相機與計(ji)算機相連(lian)，程(cheng)控采集(ji)衍射場(chang)圖像。

　　實驗(yan)結果：

　　(1)無聲(sheng)場(chang)時遠場(chang)圖像(xiang)特征(zheng)參數提取(qu)。將準直激(ji)光(guang)(guang)束(shu)通過無聲(sheng)場(chang)時的(de)(de)液槽、透(tou)鏡(jing)3和柱面透(tou)鏡(jing)后形成的(de)(de)遠場(chang)圖像(xiang)轉換(huan)為二(er)維灰(hui)度(du)(du)數據矩(ju)陣。在(zai)灰(hui)度(du)(du)矩(ju)陣中(zhong)(zhong)提取(qu)第618行(xing)(xing)(中(zhong)(zhong)間行(xing)(xing))數據進(jin)行(xing)(xing)高斯(si)(si)函數擬合(he)，確定圖像(xiang)的(de)(de)背景灰(hui)度(du)(du)、光(guang)(guang)斑(ban)(ban)峰值強度(du)(du)、光(guang)(guang)斑(ban)(ban)中(zhong)(zhong)心位置和光(guang)(guang)斑(ban)(ban)寬度(du)(du)。再在(zai)灰(hui)度(du)(du)矩(ju)陣中(zhong)(zhong)提取(qu)第309行(xing)(xing)和第927行(xing)(xing)數據進(jin)行(xing)(xing)高斯(si)(si)函數擬合(he)，確(que)定各自的光斑中心位(wei)置，計(ji)算條紋相對圖像豎直(zhi)方向的傾斜角(jiao)度。

　　(2)衍(yan)射圖像(xiang)各(ge)級條(tiao)紋特征(zheng)參數提取。入(ru)射光束直徑(jing)的有限大小會導致各(ge)級衍(yan)射光場分布出現混疊光束直徑(jing)越大，混疊越弱。實驗中，采用透鏡組對入射光束(shu)擴束(shu)，目的就是減(jian)小混(hun)疊(die)。下(xia)面的討論忽略(lve)了(le)各級衍射光場之間的混(hun)疊(die)。首先，在(zai)衍(yan)射(she)圖像灰度矩陣中提取中間行。對該行進行離(li)散(san)傅(fu)里葉(xie)(xie)變換(huan)，濾除高頻分量(liang)。再進行離(li)散(san)傅(fu)里葉(xie)(xie)逆(ni)變換(huan)，得到平滑的曲線并(bing)尋找曲線峰值位置(zhi)。最后(hou)，在(zai)平滑曲線各峰(feng)值位(wei)置附近進(jin)行高斯函數擬合，得(de)到(dao)各級(ji)光斑(ban)的峰(feng)值強度和中心位(wei)置。

　　(3)衍(yan)射(she)圖像各級峰值(zhi)強度歸(gui)一化。以(yi)介(jie)質(zhi)無聲場(chang)(chang)時的遠場(chang)(chang)光(guang)斑中(zhong)心位置為基準(zhun)，以(yi)各射(she)光(guang)斑的最小(xiao)間(jian)距為參(can)考(kao)，確定各衍(yan)射(she)光(guang)斑的射(she)級次(ci)。為排除實(shi)驗(yan)參(can)數對(dui)聲強測量值(zhi)的影響，需要(yao)將超聲光(guang)柵衍(yan)射(she)圖像的各級峰值(zhi)強度對(dui)介(jie)質(zhi)無聲場(chang)(chang)時的遠場(chang)(chang)光(guang)斑峰值(zhi)強度進行歸(gui)一化。

　　安(an)泰ATA-8202射頻功率放大器：

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