高重頻激光產(chǎn)生窄帶聲的聲源特性與性能分析

陳寶柱 ，儲(chǔ)澤國(guó)

（91388部隊(duì)92分隊(duì)，廣東湛江 524022）

高重頻激光產(chǎn)生窄帶聲的聲源特性與性能分析

陳寶柱 ，儲(chǔ)澤國(guó)

（91388部隊(duì)92分隊(duì)，廣東湛江 524022）

為分析高重頻激光產(chǎn)生窄帶聲的聲壓譜級(jí)和轉(zhuǎn)化效能，在高重頻激光產(chǎn)生窄帶聲（重頻法）的理論基礎(chǔ)上，對(duì)聲壓功率譜進(jìn)行了仿真。結(jié)合激光器的技術(shù)指標(biāo)，以聲壓在主頻處的功率譜為參考將重頻法和連續(xù)波法、長(zhǎng)脈沖法的性能進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)研究了激光脈沖數(shù)與聲壓譜級(jí)的關(guān)系。理論和實(shí)驗(yàn)分析表明，增加激光脈沖數(shù)可以壓縮聲壓帶寬并提高聲壓譜級(jí)。當(dāng)脈沖數(shù)為100時(shí)，重頻法在主頻處的聲壓功率譜比連續(xù)波法高14dB，比長(zhǎng)脈沖法高10dB。在800mJ、重頻25kHz的激光脈沖作用下，20個(gè)脈沖產(chǎn)生的聲壓譜級(jí)為127.1dB，200個(gè)脈沖產(chǎn)生的聲壓譜級(jí)為135.4dB。

激光物理激光聲功率譜聲壓譜級(jí)脈沖數(shù)

0前言

激光與液體介質(zhì)相互作用可以激發(fā)聲波，形成的聲源稱(chēng)為激光聲。在海洋應(yīng)用中，由艦載或機(jī)載激光器向海面發(fā)射紅外波段的激光束，通過(guò)熱膨脹或光擊穿機(jī)制激發(fā)水下聲源可用于遙測(cè)海深、水下目標(biāo)探測(cè)和通信［1-3］。其中光擊穿機(jī)制產(chǎn)生的聲源穩(wěn)定性差，聲源難于控制。相對(duì)而言熱膨脹機(jī)制機(jī)理更成熟，激發(fā)的聲源也很穩(wěn)定，在工程應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。本文關(guān)注的是熱膨脹機(jī)制。

激光聲源具有脈沖窄、頻帶寬等特點(diǎn)。寬帶的激光聲信號(hào)在水下衰減嚴(yán)重，作用距離受到了較大限制［4-5］。因此，產(chǎn)生有效的窄帶聲源是激光聲在海洋應(yīng)用中的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)［6-8］分析了幾種典型的波形對(duì)聲信號(hào)的頻帶進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在單個(gè)激光脈沖作用下波形對(duì)聲壓頻帶影響很有限，不足以產(chǎn)生有效的窄帶聲源。Antonelli等采用低功率激光器發(fā)射連續(xù)的激光信號(hào)產(chǎn)生了穩(wěn)定的窄帶聲信號(hào)，但光聲轉(zhuǎn)化效率較低。Blackmon等將毫秒級(jí)的長(zhǎng)脈沖激光調(diào)制在幾十千赫茲的頻段上，這種方法需要復(fù)雜的調(diào)制設(shè)備，在艦載或機(jī)載平臺(tái)的使用受到限制。有文獻(xiàn)提出一種采用高重頻激光脈沖產(chǎn)生窄帶聲信號(hào)的方法（重頻法），給出了最佳重復(fù)頻率的選擇方法，但沒(méi)有針對(duì)聲壓功率譜和方法性能進(jìn)行深入分析計(jì)算。本文在重頻法的基礎(chǔ)上研究聲壓的功率譜與激光脈沖數(shù)的關(guān)系，將重頻法產(chǎn)生窄帶聲的性能與現(xiàn)有方法進(jìn)行了詳細(xì)比較。

1高重頻激光致聲基本理論

對(duì)于均勻的理想流體（以水為例），熱膨脹機(jī)制中激發(fā)聲波的光聲波方程可描述為［12］

式（2）、式（3）、式（4）中：A為激光對(duì)水面的透射系數(shù)，分別為空氣和水的折射率，為激光功率，ω為角頻率，激光信號(hào)的頻譜，r為接收點(diǎn)與聲源之間的距離，θ為觀測(cè)角，μ為水對(duì)激光的吸收系數(shù)，a為光斑半徑。

單個(gè)激光脈沖作用下，式（2）得到的聲壓頻譜很寬，在水下傳播衰減、畸變嚴(yán)重。在高重頻激光脈沖作用下，聲壓的頻譜結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，通過(guò)合理選擇激光脈沖的重復(fù)頻率可產(chǎn)生效果較好的窄帶聲，式（2）可修正為（5）式。式中：N為激光脈沖數(shù)，T為重復(fù)周期，為單個(gè)激光脈沖的頻譜。

2仿真與性能分析

2.1聲壓功率譜

在重頻法的基礎(chǔ)上，對(duì)聲壓功率譜進(jìn)行推導(dǎo)。為便于得到功率譜的解析式，激光脈沖強(qiáng)度分布采用高斯型，其歸一化的脈沖串可表示為：

長(zhǎng)度為τ的信號(hào)其功率譜定義為［13］：

將式（5）、式（7）代入式（8）可得聲壓功率譜：

利用式（9）、式（10）對(duì)聲壓譜級(jí)進(jìn)行仿真。采用Nd：YAG激光器，其主要技術(shù)參數(shù)為：波長(zhǎng)1.06μm，最大單脈沖能量18 J，脈寬100 ns，最高脈沖重復(fù)頻率50 kHz，光斑半徑仿真參數(shù)：距離1 m，觀測(cè)角重頻脈沖數(shù)分別為10和100。

圖1、圖2分別為脈沖數(shù)為10和100時(shí)的聲壓譜級(jí)計(jì)算結(jié)果。由圖可知，聲壓頻譜的主峰均位于25kHz處，且在高次諧波上存在較大的能量分布。當(dāng)脈沖數(shù)為10時(shí)，主峰的聲壓譜級(jí)為133 dB，帶寬（3 dB）為2.25 kHz，二次諧波聲壓譜級(jí)為128 dB。當(dāng)脈沖數(shù)增加至100時(shí)，主峰的聲壓譜級(jí)增大為143dB，帶寬降為0.23 kHz。對(duì)比可知，脈沖數(shù)增大10倍，聲壓譜級(jí)相應(yīng)增大10 dB，且?guī)挏p小，聲壓在頻域的能量更加集中。

2.2性能分析

目前，熱膨脹機(jī)制中產(chǎn)生窄帶聲信號(hào)的方法有連續(xù)波法［9］和長(zhǎng)脈沖法［10］。為比較重頻法和現(xiàn)有方法之間的性能，結(jié)合三種方法所需的具體激光器，比較聲壓在主頻處的功率譜大小。

為有效地進(jìn)行比較，假定三種方法都產(chǎn)生主頻為25 kHz聲壓信號(hào)，即。重頻法采用Nd：YAG激光器，脈寬100ns，單脈沖能量18 J，最高重頻50 kHz；連續(xù)波法采用Nd：YAG激光器，功率1000W，信號(hào)長(zhǎng)度10 s；長(zhǎng)脈沖法采用Nd：Glass激光器，脈寬2 ms，單脈沖能量400J。

分別計(jì)算三種方法下的聲壓在處的功率譜，參數(shù)下標(biāo)1、2、3分別表示重頻法、連續(xù)波法和長(zhǎng)脈沖法。由式（9）直接獲得：

長(zhǎng)脈沖法中，激光信號(hào)頻譜為：

將式（11）分別除以式（13）和式（15），并將相應(yīng)的激光參數(shù)代入可得：

式（16）和式（17）的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)N大于10時(shí)，重頻法的性能優(yōu)于連續(xù)波法和長(zhǎng)脈沖法，當(dāng)N達(dá)到100時(shí)，重頻法在主頻處的聲壓功率譜比連續(xù)波法高14 dB，比長(zhǎng)脈沖法高10 dB。由此可見(jiàn)，重頻法可通過(guò)積累脈沖的方式達(dá)到較高的性能，當(dāng)脈沖數(shù)較大時(shí)，重頻法性能明顯優(yōu)于連續(xù)波法和長(zhǎng)脈沖法。

3實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)裝置

激光聲測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示，采用Nd：YAG激光器，波長(zhǎng)1.06μm，脈沖能量800mJ，光斑半徑6 mm，脈沖重復(fù)頻率20 Hz。激光器發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)分光鏡后分為兩束，其中2%的能量進(jìn)入能量計(jì)以便對(duì)脈沖能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)；另一束經(jīng)過(guò)反射棱鏡后垂直入射到水箱激發(fā)聲波。水箱長(zhǎng)1.2 m，寬0.8 m，高0.7 m，激光聲信號(hào)的接收采用高頻無(wú)指向性水聽(tīng)器，靈敏度-210dB。水聽(tīng)器接收到的信號(hào)送入Agilent54261A型示波器進(jìn)行分析。

受實(shí)驗(yàn)用激光器重頻的限制，無(wú)法直接采得重頻25 kHz的激光脈沖產(chǎn)生的聲信號(hào)。由于相鄰聲脈沖的重復(fù)性很好，實(shí)驗(yàn)中可將重頻20Hz的激光脈沖產(chǎn)生的聲脈沖串按重頻25 kHz進(jìn)行組合來(lái)模擬所需的聲信號(hào)。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)采集的聲信號(hào)長(zhǎng)度為10 s，共200個(gè)脈沖，圖4為截取的一段信號(hào)，重頻20 Hz。取出相鄰的10個(gè)脈沖并按重頻25 kHz進(jìn)行組合，得到的聲信號(hào)如圖5所示，其頻譜結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6可知，信號(hào)主頻在25 kHz處，二次諧波50 kHz處仍有一定的能量分布。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻譜特征與仿真結(jié)果基本吻合。

將聲壓按球面波衰減規(guī)律換算至1m處，由式（18）計(jì)算實(shí)驗(yàn)信號(hào)在25kHz處的聲壓譜級(jí)：

聲壓譜級(jí)與脈沖數(shù)的關(guān)系如圖7所示。由圖可知，脈沖數(shù)為20時(shí)，聲壓譜級(jí)為127.1dB，隨著脈沖數(shù)的增多，聲壓譜級(jí)逐漸增大，當(dāng)脈沖數(shù)達(dá)到200時(shí)，聲壓譜級(jí)為135.4dB。可見(jiàn)，脈沖數(shù)增大10倍給聲壓譜級(jí)帶來(lái)了8.3dB的增益，這與3.1節(jié)中10dB的增益相比有所偏低，主要有兩個(gè)原因：一是激光器輸出的脈沖能量存在一定起伏，且隨著激光器工作時(shí)間的增加，激光脈沖強(qiáng)度有所下降；二是25 kHz處仍有一定的噪聲的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)脈沖積累的方式可有效地提高聲壓譜級(jí)，從而可以提高激光聲在水下的作用距離。

4結(jié)束語(yǔ)

研究了高重頻激光產(chǎn)生的窄帶聲的聲壓譜級(jí)，為衡量重頻法的光聲轉(zhuǎn)化效能，以主頻處的功率譜為參考將重頻法和連續(xù)波法、長(zhǎng)脈沖法的性能進(jìn)行了比較。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）通過(guò)脈沖積累的方式可以壓縮聲壓的頻帶，并提高主頻處的聲壓譜級(jí)。在單脈沖能量800mJ、重頻25kHz的激光脈沖作用下，20個(gè)脈沖產(chǎn)生的聲壓譜級(jí)為127.1dB，200個(gè)脈沖產(chǎn)生的聲壓譜級(jí)為135.4dB。2）當(dāng)脈沖數(shù)大于10時(shí)，重頻法的性能優(yōu)于連續(xù)波法和長(zhǎng)脈沖法，當(dāng)脈沖數(shù)為100時(shí)，重頻法在主頻處的聲壓功率譜比連續(xù)波法高14dB，比長(zhǎng)脈沖法高10dB。

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Characteristics Analysis of Narrow-band Acoustic Signals Induced by High Repetition Rate Pulsed Lasers

Chen Baozhu，Chu Zeguo
（Army Unit 91388，Zhanjiang 524022，Guangdong，China）

In order to investigate the sound pressure level generated by high repetition rate pulsed laser and transform efficiency，the power spectra density of sound pressure is simulated based on correspondence principle.With the parameters of some actual lasers，comparisons of performance based on power spectral density at center frequency are made among high repetition rate method（HRRM），continuous wave method（CWM）and long pulse method（LPM）.Influence of laser pulse number on sound pressure level is obtained experimentally.The theoretic and experimental results show that increasing pulse number can reduce the bandwidth of sound pressure and improve sound pressure level.When the pulse number gets 100，the power spectral density of HRRM is 14dB higher than that of CWM，and10dB higher than that of LPM. When the laser pulse energy gets 800 mJ and repetition rate of 25kHz，sound pressure level gets 127.1dB with 20 laser pulses，and 135.4dB with 200 laser pulses.

laser physics；laser-generated sound；power spectral density；sound pressure level；pulse number

O426.3

A

1003-4862（2016）07-0009-05

2015-10-09

陳寶柱（1985-），男，工程師。研究方向：激光技術(shù)。