水下聲信號空間位置探測研究

王江宏

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

歷史上，在海洋內部信息傳遞研究方面，人們嘗試的方法有電磁波、光波等等。激光技術應用于探測水下聲源的研究始見于1988年，Tulane大學M.S.Lee等人［1］用激光強度調制理論對幾千赫茲的水下聲信號進行檢測首次獲得成功。

眾所周知，水面受到擾動形成表面波。1979年，G.Weisbuch等人［2］首次提出表面波的概念，其相當于一面衍射光柵。隨后表面波聲光效應得到不斷發展。聲光衍射檢測技術是利用平面波的聲光相互作用理論，對聲場沒有破壞性的表面聲波進行檢測的方法［3］。

近年來，國內學者在水下聲信號研究方面也取得重大進展。苗潤才等人［4］提出激光衍射探測水下聲信號的思路。此方法是以水下聲源在水表面引起的橫向微波的振動頻率與水下聲源的振動頻率相等作為基礎研究理論。既往研究對液體表面衰減［5］、振幅與激發深度［6］、衍射光斑不對稱性［7］等物理關系進行了研究，但對于如何從衍射光斑特點對聲源位置定位沒有進行系統研究。

基于以上研究基礎，本文采用絲桿直線模組來控制聲源入水深度和水平移動，承托水下聲源部分采用Z字形拖桿，并與定位器連接，用來調節聲源入水深度，定位器調節精度可以達到毫米級。此裝置不僅提高了測量精度，也簡化了操作流程，在實際應用中具有實踐指導意義。

1 水下聲信號探測系統實驗裝置

1.1 實驗系統

實驗裝置如圖1所示，分別為有機玻璃樣品池和液體樣品，低頻信號發生器和表面聲波激發源，473 nm藍光激光光源，水下聲源定位器，衍射圖樣的采集和數據處理系統。

1.2 衍射光強原理

對于一個均勻的光學介質，在沒有聲波經過介質傳播時，呈現出穩定的光學性質。當以一定角度斜射到表面波的激光束進行調制時，會實現聲光衍射。入射光波在有表面聲波存在的介質表面發生反射后在光屏上可以觀察到清晰的衍射圖樣，激光光斑長軸長度遠小于入射點到光屏的線度，所以該衍射近似為夫瑯禾費衍射（圖2）。

假設該波紋形狀恒定，為線性波，那么表面波可表示為

其中A為表面波的振幅，k為表面波波矢量，k=2π/λ。

由傅里葉光學知識可知，經表面波調制后的光場分布為

于是得到衍射場光強分布，即

上式中，ω為表面波角頻率，z為激光光斑的寬度，x′為衍射光斑位于光屏的坐標，L為光屏到激光入射點的距離，Jn為第一類貝塞爾函數，其中n為整數，rect（x/L）為矩陣函數，sinc（x）為特殊函數，Jn2表示為第n級衍射條紋的相對強度，sinc2函數表示第級衍射條紋形狀及位置，通過上面的分析可知表面波波長決定衍射的空間分布。

聲波在傳播過程中，由于擴散、吸收、散射等作用，使聲波的能量隨著與聲源距離的增加而逐漸減小，同一頻率的聲波能量減小量與傳播距離有關。聲波的散射衰減和吸收衰減都呈指數規律衰減，即聲強與傳播距離之間滿足以下關系：

那么可以得到如下公式：

從上式可知，當水下聲源的入水深度不斷增加時，到達測試點的聲波強度會越來越小。

2 實驗結果與分析

本實驗選擇波長為473 nm的藍光激光器作為激光光源，其激光束直徑為2.0 mm。開啟低頻信號發聲器，設定頻率為130 Hz。激光束以1.47 rad入射角斜射到液體表面上，調整波形轉換器位置，確定其與水面位置最佳。調整入射角度，使得激光束通過波形轉換器后照射在液體表面，在觀察屏上可以看到清晰的衍射圖樣。

實驗過程中，僅調節定位器旋鈕，使水下聲源與水面的距離發生變化，得到相應的水下深度位置的衍射圖樣。采集聲源在水平位置13.0 cm，入水深度從6.5 cm位置開始，每次增加0.5 cm，水平位置每次移動0.5 cm，進行衍射圖樣測試。實驗方案如圖3所示，實驗得到一系列對比度很高的衍射光斑，如圖4所示。使用Matlab軟件編輯程序，并對衍射圖樣進行處理分析，得到水下聲源深度與相對光強的關系。

2.1 光斑強度隨著聲源入水深度位置變化而變化

通過多組衍射曲線分布對比可知，在聲源深度變化過程中，光斑強度隨著聲源入水深度位置變化而變化，光斑衍射級數也隨之發生變化。從圖5可直觀地看出，在橫向變動聲源位置過程中，光斑強度隨著橫向位置的增加而減小，衍射級數隨著光斑強度的不斷減小而逐漸消失。

進一步對各級光斑相對強度值進行分析，如圖6所示，0級衍射光斑相對光強強度最大，隨著衍射級數向兩側增加，光斑衍射強度明顯降低。在衍射級數增加到-3級，光斑相對光強也逐漸減小。在聲源入水深度為6.5 cm時，橫向位置移動聲源，從13.0 cm位置逐漸移動至14.5 cm時，發現各級衍射光斑的相對光強，隨著水平方向聲源移動距離的增加而減小。由圖6可知，曲線衍射光斑光強值逐漸降低，使得倒V形覆蓋的面積明顯變小，衍射光斑級數也相應減少。

2.2 光斑衍射強度隨著衍射級數增加而降低

對不同橫向位置光斑圖像的光強分析可知，中心0級光斑相對光強強度最大，隨著衍射級數逐漸向高衍射級增加，光斑衍射強度顯著降低。衍射光斑相對強度分布呈倒V形。通過對不同衍射級數的衍射光斑光強分析，得到隨著聲源在水下深度不斷增加，各級光斑相對光強逐漸減小，且最高衍射級數的光斑隨著聲源深度的增加而遞減。

為了進一步分析液體表面波衍射光斑強度與水下聲源位置的關系，以聲源深度為x軸，以聲源橫向位置為y軸，以衍射光斑強度值為z軸，用Matlab軟件分析±2級衍射光斑光強值與聲源位置變化關系，結果如圖7所示。從圖7可以看出，各級衍射光斑相對光強隨聲源位置的變化呈曲線變化。對多組數據進行分析可知，不同空間位置處，各衍射級光斑相對光強呈起伏變化，從曲面圖像即可初步確定聲源位置。

3 結 論

根據聲光衍射效應，對水下低頻聲信號探測裝置進行改進，采用絲桿直線模組來控制移動，可精確控制聲源的水平方向與入水深度。調節絲桿直線模組，改變水下聲源距離水面的深度及聲源距離入射點的位置，在接收屏上得到穩定高清的衍射光斑，并且衍射光斑的相對強度及空間分布隨著聲源位置的改變而不同。

通過Matlab軟件設計程序，分析不同位置處衍射光斑光強分布情況，得到隨著激發深度增加，衍射光斑相對光強逐漸減少，且衍射級數也相應減少，衍射光斑呈不對稱分布，光斑強度隨著激發深度的增加而減小。從分析結果得出，隨著聲源距離測試點位置的增加，衍射光斑強度逐漸減小，為進一步水下聲源精準定位奠定基礎。