引 言

激光與液體介質相互作用， 當激光的功率密度超過了液體的擊穿閾值時， 在擊穿區域產生等離子體，等離子體通過逆軔致等方式吸收激光能量，向液體中輻射聲波，即激光聲信號。 作為一種新的水下聲源激發方式，它具有產生方式機動靈活、聲源級高等諸多優點。 目前，國內外學者都在開展光激光聲在不同領域的應用研究。 其中 ，Blackmon提出了激光聲通信中的信號調制、解調方法；宗思光構建了激光聲通信系統， 進行了激光聲通信的實驗驗證，利用激光聲實現了對水下目標的探測；劉濤設計了利用激光聲進行水下探測的設備；沈中華等人對激光聲進行物質表面檢測進行了深入研究，Sayal對脈沖激光波形和激光聲信號的關系進行了研究。 以上研究結果表明：利用激光聲實現水下信息傳遞、目標獲取具有一定的可行性。 但該方案仍然存在兩個主要問題：\\(1\\) 激光聲衰減速度較快， 限制了其作用距離；\\(2\\) 激光聲信號發散角很大， 不能滿足現代通信保密性的要求。 因此，如何通過技術方式來克服以上問題對激光聲發展帶來的不利影響， 是一個十分重要的課題。

文中利用設計的激光聲換能器\\(以下簡稱換能器\\)，構建了實驗系統，對在換能器內部和自由場中產生的激光聲信號在時頻域特性、傳輸特性、指向性等方面進行了比較， 體現了換能器在改善激光聲信號特性上的優勢， 研究結果可以為開展激光聲的水下應用提供一定的參考。

1 換能器結構

換能器結構如圖 1 所示。 L 是激光聚焦系統，激光經過 L 后再由透光窗口會聚到 O 點， 擊穿水介質，產生激光聲信號。TP 是聲的硬面反射拋物面，SH是半球面，O 點是半球面 SH 的球心、 激光聚焦點和拋物面 TP 焦點三點的重合點。產生的激光聲信號有兩種傳輸路徑。 第一種是經 TP 反射后向外輻射，稱為一次反射波，其典型路徑如 OP-PZ。 第二種是經過 SH 反射后，再經過 TP 反射，稱為二次反射波，其典型路徑為 ON-NO-OQ-QH。 根據聲的硬面\\(反射面的特性阻抗遠遠大于換能器內水介質的特性阻抗\\)反射理論和拋物面性質，拋物面的任意反射聲線\\(如 PZ 和 QH\\)與旋轉拋物面的軸 OX 平行 ，即 CM∥AN∥OX。 下面證明在 ZH 面上的聲波是平面波。在換能器內建立 xy 坐標系，設 O 點坐標為\\(p/2，0\\)，P 點坐標為\\(x，y\\)，Z 點坐標為\\(l，y\\)。 在 xy 平面內的拋物面方程可以寫成：【1-2】


把公式\\(1\\)代入\\(2\\)，整理得 OP+PZ=p/2+l，由于 l與 p 是常數，并且 P 是拋物面上的任意一點，所以一次反射波到達 ZH 面的距離相等， 又由于在 O 點開始的聲波相位相同， 所以在 ZH 面處所有的一次反射波的相位相同。 同理，可證明所有的二次反射波到ZH 面的路程相等，在 ZH 面上的相位相同。 所以，在ZH 面上聲波是平面波。 這樣，經過換能器的作用后 ，激光聲信號的波陣面由球面變成了平面， 下面將進行實驗研究這一變化對激光聲信號的影響?！緢D1】

2 實驗設計

激光聲實驗測量系統如圖 2 所示。 實驗采用調Q Nd：YAG 激光器 ，輸出激光波長 1 064 nm，脈沖寬度 8 ns，激光器輸出單脈沖能量為 3 mJ 可調。激光分別在自由場和激光聲換能器內部水中聚焦擊穿。 對產生的激光聲信號通過無指向性的水聽器進行接收，水聽器線性頻帶寬度為 2~600 kHz，靈敏度級為-216 dB\\( 參考值為 1 V/μPa\\)， 水聽器與激光擊穿點相距 1 m， 其 接 收 到 的 激 光 聲 信 號 通 過 電 纜 送 入Agilent7104A 型示波器進行采集，采樣頻率為 4 GHz。最后由計算機實現對信號的存儲?！緢D2】


3 實驗結果分析

3.1 時域比較

如圖 3 是水聽器接收到的激光聲信號時域波形圖。 可以看出，在自由場和換能器內產生的激光聲信號差異較明顯。 首先，在自由場產生的激光聲信號有兩個峰值，即圖 3\\(b\\)中標號 1,2 所示，兩者分別是等離子體聲波和空泡潰滅聲波。 而在換能器內部產生的激光聲信號有有四個峰值，如圖 3\\(a\\)標號 1,2,3,4所示，其中，1、3 分別是等離子體聲波和空泡潰滅聲波在換能器內的一次反射波。 1 和 2，3 和 4 在時間上相距 33 μs， 水中聲速為 1 500 m/s， 可以計算出 1和 3，2 和 4 聲程差為 4.95cm，經測量半球 SH 的半徑為 2.5 cm，這樣一、二次反射波的聲程差為 5 cm，因此可知，2、4 分別是等離子體聲波和空泡潰滅聲波的二次反射波。 同 1，3 相比，2、4 在幅度上較小，主要由以下兩個原因造成：\\(1\\) 二次反射波比一次反射波多經過一次反射， 反射引起的損失大；\\(2\\) 聲波在半球面 SH 反射時會在球心 O 點會聚， 壓力變化劇烈，可能會引起空化的發生，從而使二次反射波的能量衰減嚴重。 圖 3\\(a\\)中激光聲信號幅度要明顯強于圖 3\\(b\\)。 這是由于換能器產生的激光聲信號發散角度小，聲能更集中，同時衰減速度慢?！緢D3】

3.2 頻域比較

圖 4 是對圖 3 中激光聲信號進行快速傅里葉變化得到的頻譜圖。 從圖中可知兩者頻譜存在一定的差異性。 通過計算得知圖 4\\(a\\)中，激光聲信號0~60 kHz，60~500 kHz 所占能量比例分別為 36%和 64%，圖 4\\(b\\)中相同頻段內的能量比例則分別為 23%和 72%?！緢D4】


SH 的半徑為 2.5 cm， 當聲線與光軸夾角即圖 1中 XON 在 0°左右時，聲波會在 SH 和 TP 之間反射，如果聲波的波長大于半球 SH 的半徑，那么，聲波會在半球 SH 邊緣發生衍射，進而向外傳播。 如果聲波波長小于半球 SH 的半徑，那么在半球 SH 處發生衍射的概率降低，這樣，聲波會在 SH 和 TP 處多次反射，能量也隨之耗盡。 由此可知，半球 SH 起到了濾波的作用，濾除了部分聲波波長小于 2.5cm 的聲波。 又因為水下聲速為 1 500 m/s，聲波波長小于 2.5 cm 時，對應的頻率高于 60kHz。 因此，在換能器內部產生的激光聲信號 60 kHz 以上頻段內的能量比例降低。

3.3 指向性比較

自由場產生的激光聲信號是以球面波的形式對外傳播， 這樣理論上在不同角度接收到的激光聲信號幅度相同。 因此可知自由場激光聲信號的指向性可以表示為：【3】


式中：p\\(L，θ\\)是距離激光聲源 L 處，測點-聲源連線與聲源-激光器連線之間的夾角為 θ 時，水聽器測量得到的激光聲信號峰值幅度；p\\(L，0\\)是距離激光聲源 L 處，測點、激光聲源、激光器在同一直線時，水聽器測量得到的激光聲信號峰值幅度。

對于換能器內部產生的激光聲信號， 理想情況下是以平面波的形式對外傳播， 波陣面形狀與換能器出射面相同，換能器出射面半徑為 0.2 m，測點與激光聲源相距 L， 可以得知在換能器內產生的激光聲信號指向性可以表示為：【4】


實驗測量得到的激光聲信號指向性如圖 5 所示，圖中水聽器與激光聲源相距 1 m，理論上換能器產生的激光聲信號發散角為 12.1°，實際測量該值為13.2°。 兩者基本相符 ， 其差異性是因為有部分聲波在換能器內部經過多次\\(大于 2 次\\)反射，從換能器出射時傳播方向未能和圖 1 中 OX 軸平行， 引起了發散角的擴大。 在自由場產生的激光聲信號基本為全方向輻射，在不同角度上信號幅度變化很小。 由實驗結果可知， 在換能器內部產生的激光聲信號發射角度小，指向性更強?！緢D5】


3.4 傳輸性比較

聲信號在水下傳輸時， 造成聲波能量在傳播中損失的主要原因有： 首先是由于波陣面在傳播過程中的不斷擴大， 使得在單位時間內單位面積上能量的減小，稱為擴展損耗。 其次，實際的還是并非理想介質， 在傳播過程中將吸收聲能而轉換成其它能量\\(如熱能等\\)，這種損失稱為衰減損耗。

對于自由場產生的激光聲信號， 在假定其波陣面是理想球面， 由于擴展損耗造成的聲壓變化可以表示為：【5】


式中：pl為在 l 米處的激光聲信號幅度，p1為 1 m 處激光聲信號幅度。對于在換能器內部產生的激光聲信號， 假定其波陣面是理想平面時， 在聲波傳輸過程中波陣面沒有發生擴展，因此擴展損耗為 0，這樣激光聲信號在傳播過程中聲壓不受擴展損耗影響。

對于吸收損耗， 根據經典切變粘滯吸收和熱傳導吸收理論, 得到聲波經典吸收的斯托克斯一克?；舴蚬?吸收系數 δ 可以表示為：【6】


式中：f 為聲波頻率；ηs為介質的切變粘滯系數；cv為介質定容比熱；cp為介質定壓比熱容；κ 為介質熱傳導系數；ρ 和 v 分別為介質密度和介質中的聲速；Aη和 Ax分別表示切變粘滯和熱傳導兩部分。 對于純水經計算 Aη艿6.54×10-15s2/m，Ax艿0.5×10-17s2/m。 可以看出，吸收損耗影響很小。

圖 6 給出了激光聲信號的傳輸特性。 其中理論計算忽略了吸收損耗造成的聲壓變化。 可以看出，理論值和測量值基本相符。 對于自由場產生的激光聲信號，隨著傳輸距離的增加，水介質吸收對聲壓變化的影響逐漸變大， 因此理論值和測量值的差異性提高。 換能器產生的激光聲信號，其聲壓理論值和測量值的差異主要是由于聲波從換能器出射后， 具有一定的發散角度， 這樣其波陣面在傳輸過程中發生擴展，再加上水介質的吸收作用，造成了聲壓的衰減?！緢D6】


4 結 論

通過研究表明， 利用換能器產生的激光聲信號特性有所改善，具體表現為：\\(1\\) 提高了信號強度，其峰值聲壓是自由場產生的信號的 3 倍；\\(2\\) 信號能量向 低 頻 段 集 中 ，60 kHz 內 能 量 比 例 由 23%提 高 到42%；\\(3\\) 降低了信號發散角 ，在 1 m 距離上 ，其發散角為 13.2°，自由場信號為全角度輻射；\\(4\\) 提高了信號傳輸特性，減緩了信號的衰減速度。 通過對換能器參數\\(焦點位置、拋物面曲率、反射半球面半徑等\\)的改進，能夠更好的提高激光聲信號的指向性，可以使激光聲壓縮到更小的角度范圍內， 這將是今后的研究方向。 研究成果可以為開展激光聲的水下應用提供理論參考和技術支持。