一种基于声学超表面的激光致声换能器系统

1.本发明涉及激光致声探测的技术领域，尤其涉及一种基于声学超表面的激光致声换能器系统。


背景技术：

2.目前，水下目标探测与通信主要有两种手段：光学手段和声学手段。光学主要利用蓝绿激光成像的方法探测水下目标或通信。然而水下光波的传播衰减非常大，传播和测量的距离有限。相比之下，声波在水中的传播性能较好。声波在遇到水下目标后反射系数较大，利于获取物体信息。在传统声波测量中，声呐传感器被广泛使用作为接收传感器，然而声呐传感器本身又存在探测精度低、功耗大、重量大、需要布置较大空间体积、不方便移动探测的缺点。尤其是低频声呐主要是拖曳声呐，不够灵活小巧。
3.水下声呐所用声波的频率越低，作用距离就越远，但产生低频信号的换能器体积也就越大。当使用声波的频率低于3.5khz时，声呐传感器就会因为换能器体积过大而不能安装在舰艇上，只能采取拖曳的方式。所以现在又有了低频的拖曳式的主动声纳。而拖曳式的低频声呐传感器由于体积过大，很难加载于舰艇之上，对于灵活的水下探测与通信十分不便。高机动性的激光声呐传感器可以很好的解决上述问题。
4.激光致声是一种新的效应，高功率激光束入射至海面，海水吸收激光能量，由线性区逐渐进入到非线性区，高功率激光击穿液体介质导致的空泡脉动、冲击波、射流、声辐射效应，统称激光致声，简称激光声，囯外也有称为激光声纳。空泡是开展空化空蚀研究的一种新的手段，可为水动力学中空化的研究注入新的血液；激光击穿液体介质从微观角度来说，类似于在液体内部发生了微爆炸，激光击穿液体介质也可为水下爆炸气泡毁伤机理提供一种新的验证手段；激光击穿液体介质导致的声辐射信号也可提供一种新的水下声源激发途径。
5.原则上任何用声纳进行海洋研究之处均可用激光致声来完成。这种从光转变为声的过程是一种物理效应自动完成的，只要有水的地方均可实现，而且激光束停止入射，则声波也没有了，这就解释了这种效应的实质，及它的灵活性、机动性、隐蔽性的特性。它是一种新的声源，从应用角度说它是一种新的传感技术及一种新的传感器，国外有人称它为一种便于移动的传感器(moving sensor)。
6.激光声与传统声源相比具有宽频谱、窄脉冲等特点，需要探索出针对激光声特点的水下目标探测技术；高功率激光击穿液体介质导致的空泡脉动、冲击波、射流、声辐射效应是激光医学、水下激光加工等领域的基础理论问题。空泡是开展空化空蚀研究的一种新的手段，可为水动力学中空化的研究注入新的血液；激光击穿液体介质从微观角度来说，类似于在液体内部发生了微爆炸，而爆炸导致的声辐射信号也可作为一种新的水下声源激发途径，在水下目标探测、通信及水质测量等领域具有一定的技术优势。
7.然而，光击穿效应产生的声学信号通常为球面声波，方向性不高。同时，虽然声波频带资源丰富，但为了在水下远距离传输，更希望筛选出低频信号部分。这就需要对激光致
声产生的声学信号进行调制。
8.申请号为201710227997.8的发明专利公开了一种激光水下致声器，可由2-3微米范围内的多台单一波长激光器组成，它们同步工作时，有利于生成水下强声场信号；它们错时工作时，有利于生成水下低声频信号；通过改变激光器的脉冲能量或重复频率，可生成具有不同尺寸或不同声频的水下气泡；通过改变传导光纤输出端面的形状，可对声波的传输方向进行控制。但是，其不能调节出射的声波频率。


技术实现要素：

9.针对现有激光致声器不能调节出射的声波频率的技术问题，本发明提出一种基于声学超表面的激光致声换能器系统，通过声学超表面可以调节出射的声波频率，利用目标物特征频率可以精准识别目标物。
10.为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于声学超表面的激光致声换能器系统，包括激光生成装置和水听器，所述激光生成装置与激光致声换能器相匹配，激光致声换能器包括声半球反射面、声抛物面和声学超表面，声抛物面内设有致声用透明液体，声抛物面上设有光学聚焦单元，光学聚焦单元与激光生成装置相匹配；且声抛物面的后侧固定有声学超表面，所述水听器、激光生成装置、声半球反射面和声学超表面均与上位机相连接。
11.优选地，所述声抛物面上设有用于调节声抛物面旋转的机械扫描装置，机械扫描装置与上位机相连接。
12.优选地，当致声用透明液体产生的声波为球面波时，所述光学聚焦单元聚焦的焦点与声半球反射面和声抛物面的中心位于同一点，前向球面波传输至声半球反射面，再反射至声抛物面形成前向的平面声波；后向球面波直接传输至声学抛物面形成前向的平面声波。
13.优选地，所述声学超表面包括外圆环支撑架和若干个周期性排布的声学超表面胞元，外圆环支撑架固定在声抛物面的后侧，外圆环支撑架上设有固定架，声学超表面胞元固定在固定架上；所述外圆环支撑架内设有通电螺旋管，通电螺旋管与上位机相连接。
14.优选地，所述声学超表面胞元包括中心质量磁块和薄膜，薄膜固定在支撑框架内，薄膜的中心设有中心质量磁块，中心质量磁块与通电螺旋管相匹配。
15.优选地，当通电螺旋管通电后，在外圆环支撑架内产生纵向磁场，中心质量磁块在纵向磁场的作用下，改变薄膜所受应力，从而改变出射的平面声波的透声频率；所述上位机通过直流电源改变通电螺旋管内的电流，改变垂直于声学超表面内部的纵向磁场，改变薄膜的应力和透声频率；透声频率由水听器实时监控，再将声信号转为电信号发送至上位机，上位机根据声波的透声频率控制直流电源，调节通电螺旋管内的电流。
16.优选地，所述中心质量磁块采用两片钕铁硼磁铁制成，薄膜由天然橡胶或两片聚酰亚胺制作；所述支撑框架为方形框架，固定架为十字结构架。
17.优选地，所述激光生成装置包括依次设置的激光器、光学整形单元和光学扫描单元，激光器、光学整形单元和光学扫描单元的中心与光学聚焦单元的中心在同一水平线上；所述激光器和光学扫描单元均与上位机相连接。
18.优选地，所述激光器为固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的激光波长为
1064nm、输出能量≧200mj、重复频率为1-20hz、脉冲宽度为6-8ns；固体脉冲激光器致声的球面声波的声源级为140-200db；所述激光器、光学整形单元和光学扫描单元密封在防水结构中。
19.优选地，所述声抛物面内设有致声用透明液体腔，致声用透明液体腔内设有致声用透明液体；所述致声用透明液体根据所需声波参数与液体弹性模量、黏度进行选择；所述致声用透明液体为纯水、乙醇或丙酮。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果：
21.1.本发明提高了激光致声的产生声波的方向性，使声波波束宽变窄，提高激光致声换能器的能量转换效率。
22.2.本发明可以通过电磁控制声学超表面的薄膜张力，从而改变换能器可出射的声波频率，使声波在宽带与窄带间任意切换，提高对水下目标探测精度。
23.3.相较传统声呐，本发明的激光致声换能器具有体积小、灵活度高的优势。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本发明的原理示意图。
26.图2为本发明的激光致声换能器的立体示意图。
27.图3为本发明的激光致声换能器的结构示意图。
28.图4为图3中声学超表面胞元的结构示意图。
29.图5为本发明激光致声产生的声波频谱图。
30.图6为本发明激光致声波束方向图。
31.图中，1为激光器，2为光学整形单元，3为光学扫描单元，4为上位机，5为机械扫描装置，6为声抛物面，7为光学聚焦单元，8为声半球反射面，9为机械支撑装置，10为声学超表面，101为外圆环支撑架，102为中心质量磁块，103为薄膜，104为支撑框架。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1所示，一种基于声学超表面的激光致声换能器系统，包括激光生成装置和水听器，激光生成装置用于产生激光，并聚焦在激光致声换能器上得到声波，水听器用于实时监测激光致声换能器射出的平面声波，激光生成装置与激光致声换能器相匹配，激光致声换能器包括声半球反射面8、声抛物面6和声学超表面10，声抛物面6内设有致声用透明液体，声抛物面6上设有光学聚焦单元7，光学聚焦单元7通过聚焦镜对激光进行聚焦，声半球反射面8固定在声抛物面6的中心，光学聚焦单元7与激光生成装置相匹配。激光生成装置产
生的激光射入致声用透明液体中且聚焦，使液体产生光声效应(光击穿)，向周围辐射声波。致声用透明液体产生的声波被光学聚焦单元7聚焦到声半球反射面8的球心。且声抛物面6的后侧固定有声学超表面10，水听器、激光生成装置、声半球反射面8和声学超表面10均与上位机相连接，从而控制声半球反射面8的方向、激光生成装置产生的激光。激光致声换能器的声波产生的物理效应为致声用透明液体在激光作用下的热膨胀、汽化以及光击穿，激光在致声用透明液体内部聚焦，使致声用透明液体介质产生光声效应，向周围辐射声波。
34.声抛物面6内设有致声用透明液体腔，致声用透明液体腔内设有致声用透明液体；海水杂质较多，可能影响激光致声的效率，且可控程度比较差，致声用透明液体腔内的致声用透明液体充满在声抛物面6和声半球反射面8之间。致声用透明液体可根据探测目标进行选取，不同透明液体对应不同的声峰值功率频率。所述致声用透明液体根据所需声波参数与液体弹性模量、黏度进行选择；所述致声用透明液体为纯水、乙醇或丙酮。
35.如图1所示，激光生成装置包括依次设置的激光器1、光学整形单元2和光学扫描单元3，激光器1、光学整形单元2和光学扫描单元3的中心与光学聚焦单元7的中心在同一水平线上；所述激光器1和光学扫描单元3均与上位机4相连接，上位机用于控制激光器的激光输出，因为整体结构需要移动从而改变声波发射的波束方向，所以激光的聚焦需要进行扫描。激光器1用于作为光源产生激光。光学整形单元2用于对激光器1产生的激光进行调节，光学整形单元2对激光的光束进行整形，譬如准直和聚焦，从而使光斑聚焦在结构的中心，从而产生声波。光学扫描单元3为扫描振镜，使激光改变方向，适应声学结构的移动。
36.优选地，激光器1为固体脉冲激光器，固体脉冲激光器产生的激光波长为1064nm、输出能量≧200mj、重复频率为1-20hz、脉冲宽度为6-8ns；固体脉冲激光器致声的球面声波的声源级为140-200db，达到所述的声源级才能有效将声波传输出去，进行较远距离的水下传输。所述激光器1、光学整形单元2和光学扫描单元3密封在防水结构中，保证激光的顺利传输至激光致声换能器。
37.优选地，所述声抛物面6上固定设有用于调节声抛物面6旋转的机械扫描装置5，机械扫描装置5与上位机相连接。机械扫描装置5是一个简单的功能器件使声抛物面6转向，声半球反射面8与声抛物面6根据所需要的目标方向进行旋转移动，此时的光学聚焦单元7也需要进行移动。光学聚焦单元7的聚焦镜后面出射的激光由旋转与光学扫描单元3控制方向，这些操作通过上位机通信控制，也可将机械扫描装置5与激光生成装置一体化整体进行旋转控制。上位机4用于控制激光器1的激光输出以及光学扫描单元3和声学镜的扫描偏转，可以整体改变声波波束的方向。
38.当致声用透明液体产生的声波为球面波且聚焦的光斑较好时，所述光学聚焦单元7聚焦的焦点与声半球反射面8和声抛物面6的中心位于同一点o，激光在致声用透明液体中产生的前向球面波传输至声半球反射面8，再反射至声抛物面6形成前向的平面声波；后向球面波直接传输至声抛物面6形成前向的平面声波。前向的平面波就是用来从结构中传输出来，打到远方的探测物体上。在远场可以使波束宽度变窄。声半球反射面8与声抛物面6均由铝合金或不锈钢材料制作，进行防水。任意两条从o点发出的经声半球反射面8和声抛物面6的传输路程相等。激光致声的平面声波包含多个频率，为宽谱，但又有峰值频率，为了筛选出该频率，产生窄带声学信号，需要在透射处使用声学超表面10进行声学频率选择。
39.声学抛物面镜6的尺寸是决定声波信号在一定角度内发射的重要条件，也是实现
声波高指向性的重要因素。根据声远场辐射特性推导，声波指向f(θ)的表达式如下：
[0040][0041]
式中：r为声学抛物面镜6的焦半径；k为激光致声的波数；θ为声波场的方向角；j1为1阶贝塞尔函数。上式公式可以得到产生声波波束的方向性与声抛物面的镜参数的关系，用于设计结构。
[0042]
经声抛物面6产生的平面声波将传输至声学超表面10，其作用是隔绝海水等外部环境。在声超表面10没有包围的地方可以用隔水材料，比如橡胶进行包围隔水，起到内部致声用透明液体与外部海水之间的声阻抗匹配作用，使平面声波尽可能多的传输进入海水。
[0043]
如图1和图2所示，声抛物面6上固定设有机械支撑装置9，机械支撑装置9上固定有十字支架，声半球反射面8固定在十字支架的中部。如图3所示，声学超表面10包括外圆环支撑架101和若干个周期性排布的声学超表面胞元，外圆环支撑架101固定在声抛物面6的后侧即机械支撑装置9上，外圆环支撑架101与声抛面镜6的出射界面半径相同。外圆环支撑架101上设有固定架105，声学超表面胞元固定在固定架15上，从而将若干个周期性排布的声学超表面胞元固定在声抛物面6的后侧。所述外圆环支撑架101内设有通电螺旋管，通电螺旋管与上位机4相连接，上位机4用于控制通电螺旋管内部的电流。通电螺旋管排布在外圆环支撑架101内。
[0044]
如图4所示，所述声学超表面胞元包括中心质量磁块102和薄膜103，薄膜103为弹性薄膜。薄膜103固定在支撑框架104内，薄膜103的中心设有中心质量磁块102，中心质量磁块102与通电螺旋管相匹配，在磁场的作用下中心质量磁块102进行振动。
[0045]
中心质量磁块102采用密度较大的两片钕铁硼磁铁制成，薄膜103由天然橡胶或两片聚酰亚胺制作。两片钕铁硼磁铁分别固定在两个薄膜103上且两片钕铁硼磁铁相对设置。所述支撑框架104为方形框架，固定架105为由四片合金组成的十字结构架。每片薄膜103由钢或铝制作的支撑框架104固定。
[0046]
薄膜103的固定方法为在两片方形框架上打出八个分布均匀的的螺孔，再采用相应尺寸的螺丝钉，再分别在两个支撑框架的上下表面涂好防水胶，然后将两个框架对齐粘接在张紧薄膜的两侧，利用螺丝钉将薄膜更牢固的固定在框架中间。此时根据透声频率和结构需求，给薄膜赋予预应力，待胶水和螺丝钉将框架与薄膜固定之后，将框架外围的薄膜裁剪掉，最后将两片钕铁硼磁铁一上一下的吸附在薄膜中心。声学超表面胞元之间可以看做密封结构。
[0047]
当通电螺旋管通电后，在外圆环支撑架101内产生纵向磁场，中心质量磁块102在纵向磁场的作用下，改变薄膜103所受应力，不同应力与杨氏模量将对应不同的透声频率，从而改变出射的平面声波的透声频率；薄膜应力与杨氏模量有对应关系，不同磁场对应不同应力。所述上位机4通过直流电源改变通电螺旋管内的电流，改变垂直于声学超表面10内部的纵向磁场，改变103薄膜的应力和透声频率；透声频率由水听器实时监控，再将声信号转为电信号发送至上位机，上位机根据声波的透声频率控制直流电源，调节通电螺旋管内的电流。
[0048]
如图5中的虚线为未使用激光致声换能器的激光致声声波，为球面波。实线部分为使用了所述的激光致声换能器，可以看到该结构使声波波束角变小，极大的提高了方向性。
[0049]
根据薄膜振动的自由方程：
[0050][0051]
式中，ms为薄膜的有效质量，t为膜内的张力大小，方程的解为：k
sx
和k
sy
分别为沿x和y方向的弹性波波数，为特征频率上述公式表示薄膜张力也就是所受应力与薄膜特征频率也就是透声频率的关系。
[0052]
上述式(2)是简化过的情况，当结合钕铁硼磁铁质量块后需要进行修正，修正后的方程仍然体现了薄膜张力与特征频率的关系，而声学超表面的特征频率由直接与透声声波的中心频率相关。
[0053]
通过上位机4调节激光器1的中心波长、重复频率等信息，将调节激发出的声波的中心频率fc，此时声波以fc为中心显示出宽谱特征。此时，若不开启声学超表面10，则激光致声显示出宽带特性，当声波传输至目标物表面产生回波信号，通过水听器对回波信号进行检测。上位机接收回波信号进行分析，分析出主频，立即通过电控开启声学超表面10透声功能，将宽谱改为窄带，利用目标物特征频率，精准识别甚至对目标物进行成像。
[0054]
如图6所示，通过改变通电螺线管内的电流，即可改变磁铁的受力，进而改变薄膜张力与声学超表面单元的特征频率，最终改变了透声频率，达到了对声波频率的选择作用，将宽谱的激光致声声波，转为窄带声信号。图6中星号标注的声波频率即为利用声学超表面筛选出的频率。
[0055]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。