长脉冲激光在水中激发声波的理论研究
摘 要与传统固体声源相比，激光声源几个独特的优点：比如激光声源可以在液体中快速移动；声源激发方式为非接触式；激光声源的声频谱宽，有利于目标探测和识别；光声源的声脉冲窄，距离分辨精度高。因此，有必要对激光致声的特性进行系统的研究与分析。本文对长脉冲激光作用于液体表面，液体吸收热量产生热膨胀，从而产生高指向性的声波的机理进行了研究。首先介绍了脉冲激光水下致声的理论公式。其次通过运用Matlab软件对研究的理论公式进行编程，得到声压并分析了两个调制过的激光光源对产生声压的影响，以及在无量刚参数变化对两个激光光源所得到的声压的影响。最后通过改变激光的脉冲宽度、聚焦半径、接收器与激光作用点的距离、角度和吸收系数，观察声压频谱的变化。分析可得激光脉宽过大，所得到的声压频谱变得很低。接收点也是个是否能得到所需波形的重要因素，接收点的角度为90度时就无法得到波形。吸收系数改变对声压频谱的分析中让我观察到了吸收系数为1左右时声压频谱出现多峰的现象。声压的频谱与激光的脉冲宽度、接收器与激光作用点的距离、角度和吸收系数有关，与聚焦半径无关。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 激光水下声源的国内研究现状 4
1.2.2 激光水下声源的国外研究现状 6
第二章 激光在水中激发声波的理论研究 8
2.1 脉冲激光致声的线性理论 8
2.1.1 垂直脉冲响应 11
2.1.2 水平脉冲响应 14
2.2 脉冲激光致声的非线性理论 16
2.3 本章小结 16
第三章 长脉冲激光在水中激发的声压波形的分析 17
3.1 激光水下声源的空间与时间特性波形 17
3.1.1 激光水下声源的空间特性波形 17
3.1.2 激光水下声源的时间特性波形 18
3.1.3 两个调制后的激光光源所得到的声压比较 20
3.2 激光在水中激发得到的声压波形的分析 21
3.3 本章小结 23
第四章 参数改变对声压
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频谱的影响 25
4.1 脉冲宽度改变对声压频谱的影响 25
4.2 角度改变对声压频谱的影响 26
4.3 聚焦半径改变对声压频谱的影响 26
4.4 接收点与激光作用点之间的距离改变对声压频谱的影响 27
4.5 吸收系数改变对声压频谱的影响 28
4.6 本章小结 29
第五章 总结与展望 30
5.1 工作总结 30
5.2 研究展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 37
科技文献翻译 37
绪论
研究背景及意义
1881年，Bell首先发现了光声效应[1]。1963年，在第三届国际量子电子学会议上[2] (Quantum Electronic Proceeding of the Internation Congress) , Basov首先发表了激光加热产生等离子体的学术研究报告，开启了强功率激光同物质作用致等离子体的探索。1964年，美国人Brewer和Riekhoff首次表示采用激光与水相互作用产生声波。1973年，美国一位教授做了首次采用激光与水相互作用方式产生声波的实验，实验中，该教授第一次测量了激光致水下声源的信号幅度、信号频谱和信号空间特征[3]。
现有的水下声源一般可以分为以下几种[21]:炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源（包括气流声源和液体动力式声源）、电磁式声源、等离子体声源和激光声源。炸药爆炸式声源作为一种传统的声源，具有宽频谱、高功率、无指向性等特征，至今仍然被应用于水声干扰[4,5]，炸药震源等诸多领域。电声换能器声源利用电声换能器将电信号转换成声信号，所使用的材料不同，产生的声源性能也各不相同[6]，电声换能器的在早期就已得到应用。在实际应用中，一般将多个换能器以阵列方式排列，获得所需要的具有指向性及较大声压的声源。参量阵声源则是利用发射器同时发出两个频率相近的大振幅声波，由于大振幅高频声波在水中传输时的非线性，便会在水中产生差频声波和频声波[7]。参量阵声源即利用频率较低的差频声波对海底地形和地层结构进行探测。气流声源则是一种机械式的声频或超声频段的振动发声器[8]。液体动力式声源利用液体中的漩涡能量，漩涡能量通过转换得到声波。液体动力式声源的构造不一样，产生声波的机理也不同。气体动力式声源和液体动力式声源结构简单，在实际应用中，具有性价比高的优点，然而其涉及到的流体动力学比较复杂，大部分的数学模型也仅限于实验经验或工程应用中的模型[9]，因此，流体动力声源声波产生和特征的研究限制了其应用范围的进一步拓展。电磁式声源的作用原理和一般的电声换能器比较接近，其辐射的声波特性主要取决于声源本身的结构，且结构简单，工作可靠[10]。
激光声源相比于固体声源，有以下独特的优点：激光在液体中激发声波得到的光声源同液体周围相互作用相互影响，只要移动激光束，就可以让光声源在液体中快速移动，而且不会造成湍流。激光从空气射向液体，不需要相互接触就能激发声波，若使用在机载平台上，激发的声波受平台速度影响小。当激励电压变大时，传统声纳就会在换能器前方或表面形成空泡，控制强声波的发射。激光声源的激光声频带，声频谱宽为几赫兹～几百千赫兹，可很好的用于探测和目标识别。激光声源的声脉冲较窄，能够准确的分辨距离。
国内外研究现状
激光与物质的作用过程是一个非常复杂的过程[11]，包含物质对激光的反射、物质对激光能量的吸收、物质热膨胀、激光对物质加热引起的汽化(如激光入射到水表面产生的汽化现象)、等离子体波的产生、超宽带白光光谱及电磁波谱的产生、激光能量在等离子体下的吸收作用、激光致空泡的脉动及其辐射的声波、还有由激光击穿而产生的等离子体等。然而，这些过程在作用过程中，大多是非平衡过程和非线性过程，且相互影响偶合，从而使得研究变得十分困难。在液体中，激光产生声波一共有三种主要的产生机制，下面对三种机制做简单介绍[12]。
热膨胀机制：当液体被激光照射的时候，由于液体本身对激光能量的吸收作用，吸收了激光能量的液体在瞬时加热，若吸收的激光能量还不足以引起液体汽化或相变，由于吸收激光能量的液体其温度升高，发生瞬时膨胀，对周围没有吸收激光能量的液体产生压缩，从而产生光声脉冲。热膨胀机制产生的声波信号其声能级较小，而且在声光转换上，有着很低的的效率，一般为[13]。热膨胀机制可以产生重复性较好的，生具有相同特性的水下声波。
汽化机制：当液体的汽化阈值被液体表面所吸收的激光能量超过时，在激光照射的液体区域中，液体就会快速从表面喷出，同时，在液体表面会产生较强的声波脉冲，这是相对液体表面产生一反冲力而导致的。液体的汽化过程只有当其吸收的激光能量大于汽化阈值时才会发生，因此需要较强的激光能量密度。就转换效率而言，在汽化机制下，光声要高于热膨胀机制，约为[13]。
击穿机制：强光场使得液体分子在高强度的激光脉冲入射到液体中时被电离，从而产生等离子体球，其中有高温、高压的离子体。同时，等离子体可以增强激光能量继续传播的损耗。由于大量的激光能量被等离子体球吸收，等离子体球发生爆炸式膨胀，并同时向外辐射冲击波，即为等离子体冲击波。冲击波最初的扩散速度远大于声波的速度，并在较短时间内迅速减小，最终成为声波。等离子体球在向外膨胀的时候，其能量发生装换，最终成热能。空泡伴随着等离子体球的产生而产生，同时，空泡的脉动对周围水体挤压和舒张，形成对外传播的空泡溃灭声波。液体的光击穿机制具有阈值特性，激光能量密度需要大于液体的击穿阈值才能在液体中引起击穿并产生等离子体，与汽化机制不同的是，在光击穿机制下，水的光击穿阈值约为，并且，此时的光声转换效率比热膨胀机制和气化机制下的效率要更大，约为1030%[14]。但击穿机制产生的声波，通常只能用来产生强声脉冲信号，因为这种信号的重复性不好。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 激光水下声源的国内研究现状 4
1.2.2 激光水下声源的国外研究现状 6
第二章 激光在水中激发声波的理论研究 8
2.1 脉冲激光致声的线性理论 8
2.1.1 垂直脉冲响应 11
2.1.2 水平脉冲响应 14
2.2 脉冲激光致声的非线性理论 16
2.3 本章小结 16
第三章 长脉冲激光在水中激发的声压波形的分析 17
3.1 激光水下声源的空间与时间特性波形 17
3.1.1 激光水下声源的空间特性波形 17
3.1.2 激光水下声源的时间特性波形 18
3.1.3 两个调制后的激光光源所得到的声压比较 20
3.2 激光在水中激发得到的声压波形的分析 21
3.3 本章小结 23
第四章 参数改变对声压
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频谱的影响 25
4.1 脉冲宽度改变对声压频谱的影响 25
4.2 角度改变对声压频谱的影响 26
4.3 聚焦半径改变对声压频谱的影响 26
4.4 接收点与激光作用点之间的距离改变对声压频谱的影响 27
4.5 吸收系数改变对声压频谱的影响 28
4.6 本章小结 29
第五章 总结与展望 30
5.1 工作总结 30
5.2 研究展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 37
科技文献翻译 37
绪论
研究背景及意义
1881年，Bell首先发现了光声效应[1]。1963年，在第三届国际量子电子学会议上[2] (Quantum Electronic Proceeding of the Internation Congress) , Basov首先发表了激光加热产生等离子体的学术研究报告，开启了强功率激光同物质作用致等离子体的探索。1964年，美国人Brewer和Riekhoff首次表示采用激光与水相互作用产生声波。1973年，美国一位教授做了首次采用激光与水相互作用方式产生声波的实验，实验中，该教授第一次测量了激光致水下声源的信号幅度、信号频谱和信号空间特征[3]。
现有的水下声源一般可以分为以下几种[21]:炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源（包括气流声源和液体动力式声源）、电磁式声源、等离子体声源和激光声源。炸药爆炸式声源作为一种传统的声源，具有宽频谱、高功率、无指向性等特征，至今仍然被应用于水声干扰[4,5]，炸药震源等诸多领域。电声换能器声源利用电声换能器将电信号转换成声信号，所使用的材料不同，产生的声源性能也各不相同[6]，电声换能器的在早期就已得到应用。在实际应用中，一般将多个换能器以阵列方式排列，获得所需要的具有指向性及较大声压的声源。参量阵声源则是利用发射器同时发出两个频率相近的大振幅声波，由于大振幅高频声波在水中传输时的非线性，便会在水中产生差频声波和频声波[7]。参量阵声源即利用频率较低的差频声波对海底地形和地层结构进行探测。气流声源则是一种机械式的声频或超声频段的振动发声器[8]。液体动力式声源利用液体中的漩涡能量，漩涡能量通过转换得到声波。液体动力式声源的构造不一样，产生声波的机理也不同。气体动力式声源和液体动力式声源结构简单，在实际应用中，具有性价比高的优点，然而其涉及到的流体动力学比较复杂，大部分的数学模型也仅限于实验经验或工程应用中的模型[9]，因此，流体动力声源声波产生和特征的研究限制了其应用范围的进一步拓展。电磁式声源的作用原理和一般的电声换能器比较接近，其辐射的声波特性主要取决于声源本身的结构，且结构简单，工作可靠[10]。
激光声源相比于固体声源，有以下独特的优点：激光在液体中激发声波得到的光声源同液体周围相互作用相互影响，只要移动激光束，就可以让光声源在液体中快速移动，而且不会造成湍流。激光从空气射向液体，不需要相互接触就能激发声波，若使用在机载平台上，激发的声波受平台速度影响小。当激励电压变大时，传统声纳就会在换能器前方或表面形成空泡，控制强声波的发射。激光声源的激光声频带，声频谱宽为几赫兹～几百千赫兹，可很好的用于探测和目标识别。激光声源的声脉冲较窄，能够准确的分辨距离。
国内外研究现状
激光与物质的作用过程是一个非常复杂的过程[11]，包含物质对激光的反射、物质对激光能量的吸收、物质热膨胀、激光对物质加热引起的汽化(如激光入射到水表面产生的汽化现象)、等离子体波的产生、超宽带白光光谱及电磁波谱的产生、激光能量在等离子体下的吸收作用、激光致空泡的脉动及其辐射的声波、还有由激光击穿而产生的等离子体等。然而，这些过程在作用过程中，大多是非平衡过程和非线性过程，且相互影响偶合，从而使得研究变得十分困难。在液体中，激光产生声波一共有三种主要的产生机制，下面对三种机制做简单介绍[12]。
热膨胀机制：当液体被激光照射的时候，由于液体本身对激光能量的吸收作用，吸收了激光能量的液体在瞬时加热，若吸收的激光能量还不足以引起液体汽化或相变，由于吸收激光能量的液体其温度升高，发生瞬时膨胀，对周围没有吸收激光能量的液体产生压缩，从而产生光声脉冲。热膨胀机制产生的声波信号其声能级较小，而且在声光转换上，有着很低的的效率，一般为[13]。热膨胀机制可以产生重复性较好的，生具有相同特性的水下声波。
汽化机制：当液体的汽化阈值被液体表面所吸收的激光能量超过时，在激光照射的液体区域中，液体就会快速从表面喷出，同时，在液体表面会产生较强的声波脉冲，这是相对液体表面产生一反冲力而导致的。液体的汽化过程只有当其吸收的激光能量大于汽化阈值时才会发生，因此需要较强的激光能量密度。就转换效率而言，在汽化机制下，光声要高于热膨胀机制，约为[13]。
击穿机制：强光场使得液体分子在高强度的激光脉冲入射到液体中时被电离，从而产生等离子体球，其中有高温、高压的离子体。同时，等离子体可以增强激光能量继续传播的损耗。由于大量的激光能量被等离子体球吸收，等离子体球发生爆炸式膨胀，并同时向外辐射冲击波，即为等离子体冲击波。冲击波最初的扩散速度远大于声波的速度，并在较短时间内迅速减小，最终成为声波。等离子体球在向外膨胀的时候，其能量发生装换，最终成热能。空泡伴随着等离子体球的产生而产生，同时，空泡的脉动对周围水体挤压和舒张，形成对外传播的空泡溃灭声波。液体的光击穿机制具有阈值特性，激光能量密度需要大于液体的击穿阈值才能在液体中引起击穿并产生等离子体，与汽化机制不同的是，在光击穿机制下，水的光击穿阈值约为，并且，此时的光声转换效率比热膨胀机制和气化机制下的效率要更大，约为1030%[14]。但击穿机制产生的声波，通常只能用来产生强声脉冲信号，因为这种信号的重复性不好。
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