激光干涉技术在水声测量中的应用与发展

王敏, 杨平, 何龙标, 邢广振, 冯秀娟, 王珂

王敏,杨平,何龙标,等. 激光干涉技术在水声测量中的应用与发展[J]. 计量科学与技术,2022, 66(4): 2-12. DOI: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0625
引用本文: 王敏,杨平,何龙标,等. 激光干涉技术在水声测量中的应用与发展[J]. 计量科学与技术,2022, 66(4): 2-12. DOI: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0625
WANG Min, YANG Ping, HE Longbiao, XING Guangzhen, FENG Xiujuan, WANG Ke. Reviews of the Research Progresses in Underwater Acoustic Measurement Using Laser Interferometry Technique[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(4): 2-12. DOI: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0625
Citation: WANG Min, YANG Ping, HE Longbiao, XING Guangzhen, FENG Xiujuan, WANG Ke. Reviews of the Research Progresses in Underwater Acoustic Measurement Using Laser Interferometry Technique[J]. Metrology Science and Technology, 2022, 66(4): 2-12. DOI: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0625

激光干涉技术在水声测量中的应用与发展

基金项目: 国家自然科学基金项目(51805506、 11904347)。
详细信息
    作者简介:

    王敏(1987-),中国计量科学研究院副研究员,研究方向:水声计量测试、声学信号处理等,邮箱:wangmin@nim.ac.cn

    通讯作者:

    杨平(1976-),中国计量科学研究院研究员,研究方向:超声、水声计量,邮箱:yangp@nim.ac.cn

Reviews of the Research Progresses in Underwater Acoustic Measurement Using Laser Interferometry Technique

  • 摘要: 激光干涉技术为水声测量提供了一种不同于传统水听器的新途径。对激光干涉技术在水声测量中的应用与发展进行了概述,从水听器灵敏度校准、声场分布测量、换能器表面振速测量三个方面,总结分析了国内外的研究进展及当前的技术水平。对上述三种技术的测量原理进行了介绍,并给出一些具有代表性的测量结果,分析了各技术的制约因素和有待解决的关键问题,对未来的研究发展方向进行了预测,虽然目前激光干涉测量还无法完全替代传统的水声测量方式,但经过持续研究与发展,有望更好地发挥激光干涉技术的优势,提高水声测量水平。
    Abstract: Laser interferometry technique provides an alternative way for measurement of underwater acoustic, which is different from the traditional way using a hydrophone. This paper presents a review of the applications in underwater acoustic measurement using laser interferometry, including hydrophone calibration, acoustic distribution measurement, and measurement of transducer surface velocity. The current research progress are summarized and analyzed. The measurement theories of the above three techniques are introduced and some representative results are given, the constraints of each technique and the key problems to be solved are analyzed, and the future research and development directions are predicted. Although laser interferometry is not yet a complete replacement for traditional underwater acoustic measurement, it is expected that the advantages of laser interferometry will be better utilized and the level of underwater acoustic measurements will be improved after continued research and development.
  • 声波是目前已知的水下远距离信息传输的最有效载体,因此水声测量技术成为水下目标探测、导航定位、海底测绘、水下对抗等活动的核心保障手段。水声测量的参数主要是声压、声强、声功率、声质点振速等声学量值,其中最基本也是用的最广泛的是水中声压,其他量可由声压在一定条件下计算得到。水声量值测量的准确与否,直接关系到水声科学研究的准确性,及对水声技术装备的性能评价水平,对水声科学与工程至关重要[1]

    水声测量一般通过水听器(或接收换能器)或其阵列来实现。水听器能够输出一个正比于其敏感元周围声压积分的电压值,此电压与声压的比值即为水听器的接收灵敏度(单位V/μPa)。水听器既可测量水下某一固定点的声压信号,也可通过成阵或依托自动扫描机构测量水下声场的空间分布,但都须将具有一定尺寸的水听器放置在水声场中,进行侵入式测量,不可避免地影响和干扰被测声场,测量的空间分辨率也会受限于水听器尺寸。同时,水听器在长期使用中受潮湿环境、运输磕碰等影响,灵敏度值会发生漂移,须对水听器灵敏度定期校准以保证测量声压数据的准确一致。水听器的绝对校准方法基于互易原理,IEC国际标准[2]规定了自由场三换能器球面波互易校准方法,要求至少一只换能器满足互易性且声场满足球面波传播条件,此外校准过程涉及换能器对的三次反复安装测试,不确定度较大,并且不能直接复现声压量值,从计量学角度难以令人满意。

    激光可实现非接触式测量,具有测量精度高、不干扰被测目标、空间分辨率好等优点。依据激光测量原理可分为零差干涉法和外差干涉法,零差干涉法的测量光与未经频率偏移的参考光发生干涉,通过检测光相位变化获得振动位移及声压;外差干涉法的测量光与经过某一固定频率偏移的参考光发生干涉,通过检测多普勒频移获得振动速度及声压。英国国家物理实验室(NPL)Koukoulas等对比了上述两种方法在超声和水声中进行声压量值复现的结果[3],零差干涉法较适用于超声频段,英国NPL、德国联邦物理技术研究院(PTB)先后建立了基于激光零差干涉法的高频水声声压基准[4-5];外差干涉法不仅可用于超声频段,还适合频率较低的水声领域,例如中国计量科学研究院(NIM)建立的激光外差干涉法高频水声声压基准[7],英国NPL、中国NIM、杭州应用声学研究所等在相关领域都取得了一定的研究与应用成果[3, 7-14]。值得一提的是,在关于水听器灵敏度校准(后文简称“水听器校准”)的新版国际标准IEC 60565-1:2000中[2],新增了激光干涉法,并说明了激光干涉法相比互易法的优势,指出前者是当前的研究热点,未来具有更广阔的应用前景。因此,激光干涉技术在水声测量中的重要应用之一就是通过复现水中单点声压值,建立不同于互易法的新一代水声声压基准。

    除用于水下单点声压复现及水听器校准,激光测量的另一个主要应用是水下声场分布测量与表征。依据测量原理,又可分为声场分布测量和换能器表面振动测量,前者基于声光互作用(又称“声光效应”)原理进行声场扫描,再通过层析成像技术重建扫描平面的声场分布[15];后者利用激光直接扫描平面换能器表面振速分布,再经声场传播推算得到任一平面的声压分布[16]。相比利用水听器(或其阵列)及扫描机构的传统声场分布测量方法,激光扫描对声场无任何干扰,且光束直径可聚焦到0.1 mm内,能达到更高的空间分辨率,同时扫描速度快、效率高,在水声测量中具有良好的应用前景。

    王月兵在2001年讨论了激光测振技术在水声测量中的三个主要应用:水听器接收灵敏度校准、聚焦换能器声场分布测量、平面换能器表面振速分布测量[17],之后英国NPL对激光用于水声测量进行了深入研究,发表了系列研究报告[18-19]。近些年,国内外研究人员持续推进激光法水声测量的研究与应用,旨在改变传统水声测量方式,提高水声测量精度,满足水声研究与工程应用中不断提升的需求。

    本文对激光干涉技术在水声测量中的应用与发展进行概述,主要从水听器校准(水下单点声压复现)、声场分布测量、换能器表面振速测量三个方面,给出国内外的研究进展、测量原理及部分代表性结果,并对未来激光法水声测量的研究与发展方向进行了预测。

    激光干涉法水听器校准最早应用在超声领域。由于声束剖面确定及换能器电特性等因素,传统的两换能器互易法在兆赫兹级高频段的不确定度快速增大,而平面扫描法十分耗时,且易受水听器噪声、换能器稳定性影响,使得高频水听器在大于15 MHz的频段无法有效溯源,因此英国NPL于1988年提出了利用薄膜和零差激光干涉仪实现高频水听器校准的方法[4]。之后德国PTB和中国NIM也分别建立了零差和外差激光干涉法高频水声基准[5-6]

    2001年起,国内外研究人员开始将激光干涉法用于中低频(频率低于500 kHz的水声常用频段)水听器校准。中低频声波的波长较大,高频水声基准用的圆形薄膜在中低频段尺寸需要做得足够大,才可能消除薄膜边缘支撑框架的反射影响,实现难度很大,替代方案是采用一定宽度的带状薄膜。同时,中低频校准要求更大的自由场水域空间,也伴随着更强的环境干扰,利用激光零差干涉仪直接测量振动位移存在相位衰落导致解调困难,而外差干涉仪具有更好的抗干扰能力,适用于振动速度测量。

    王月兵首先利用商用外差激光测振仪和厚度20 μm的带状薄膜,在10~200 kHz频率范围实现了水听器校准,测量不确定度约为0.5 dB,与互易法校准结果的最大差值为0.5 dB,并给出两种厚度(20 μm、50 μm)薄膜的对比测量结论,验证了用厚度远小于声波波长的带状薄膜测量水介质振速的可行性[12]。2003至2004年间,英国NPL的Theobald等对上述方法在更宽频率范围上进行了深入细致的研究,首先实验验证了圆形薄膜的不适用性,之后对不同宽度、厚度、材质的带状薄膜所测振速结果进行了实验对比,包括与互易法水听器校准的实验对比,及薄膜在不同频率时的振动模态测量等[18-19]。2005年,英国NPL将上述研究成果发表于美国JASA期刊[7],详细给出了在带有光学窗口的2 m × 1.5 m × 1.5 m非消声水槽中,利用商用激光外差干涉仪校准10~600 kHz水听器的原理及装置,结果与互易法的偏差在0.5 dB以内,讨论了一些对校准结果可能产生影响的因素,但没有给完整的不确定度评定方案。同时也指出利用商用激光干涉仪在计量中的局限性,即干涉仪内部多普勒频移与输出电压之间转换时,可能涉及的混频、滤波等信号处理过程无法有效评定,有必要设计一个内部各环节都能独立溯源的定制版激光干涉系统,用于建立激光干涉法水声基准。

    英国NPL的Koukoulas对利用自定制激光外差干涉系统校准水听器中涉及的信号处理问题进行了研究,指出从计量角度最直接、最合适的振速解调技术是过零点方法,相比其他软件解调方法如频域匹配滤波等,过零点方法理论上无需额外修正且能够直接测量载波的频率变化;将质点振速解调后的结果与经互易法校准的水听器测量结果进行了比较,在20 kHz~1.2 MHz频率范围内最大偏差0.8 dB[8-9]。过零点解调方法详情可参考国际标准ISO 16063-41[20]。之后,Koukoulas初步给出了上述过程在50 kHz~1 MHz的不确定度评定结果,即优于5% (k=2),约为0.45 dB,多个频率点的不确定度仅为0.2~0.3 dB,说明比传统互易法校准的不确定度0.7~0.9 dB具有较为明显的优势[21]。他还对比了激光外差干涉测量和零差干涉测量在200 kHz~3.5 MHz频段的不确定度,激光外差干涉在低于2.5 MHz的频段具有更小的不确定度,也更适合水声领域的声压复现与水听器校准[3]

    2016年,中国NIM在激光干涉法高频水声基准的研究基础上,开展了基于激光外差干涉测量的中低频水声声压复现及水听器校准研究。依托一个带有光学窗口的3 m × 2 m × 2 m的消声水槽,首先与Koukoulas合作利用商用激光外差干涉仪实现了100 ~ 500 kHz的水听器校准,并给出较为详细的测量不确定度评定方案[10];之后研究了使用自定制激光干涉系统复现水声声压时,涉及的质点振速过零点解调算法及系统实现[22];2021年,利用由分立光学元件组成的自定制激光外差干涉测量系统,实现了10 ~ 500 kHz水听器的激光干涉法原级校准(高频水声基准频段(500 kHz ~ 40 MHz)的有效衔接),详细给出了测量不确定度的完整评定方案,水听器校准结果与国家互易法水声声压标准装置的结果等效,不确定度优于0.6 dB,其中多数频点的不确定度在0.2 ~ 0.4 dB范围,这是国内首次在相应频段利用自主研制激光干涉系统实现的水听器校准,基本具备了建立激光干涉法水声声压基准的能力[11]

    除了上述借助反光透声薄膜的激光干涉法水听器校准,国内也有借助水面反射测量水表面质点振速复现声压及校准水听器的研究[14],此方法可消除水中声光互作用影响,但由于声压复现点与水听器校准点位置不同,需要推算两者间的近似关系,并且借助水表面反射很难保证激光干涉仪接收光信号的质量,进而影响水听器校准结果,因此这一方法仍需进一步研究,目前尚未得到更多应用。

    本节简要给出使用薄膜的激光外差干涉法水听器校准原理及部分结果,更多细节可参阅[7]、[11]、[12]等文献。

    在水中远场平面波传播条件下,声压p与声质点振速u满足式(1)。

    p=ρcu
    (1)

    式中,ρc分别为水的密度及水中声速;声质点振速u可通过薄膜与激光外差干涉测量系统获得。

    将一个厚度远小于声波波长的带状反光透声薄膜放置在水声场中,薄膜完全跟随水介质运动,即薄膜振速与声质点振速相同,通过激光外差干涉系统测量薄膜振动得到声质点振速u,进而复现声压量值p,系统测量框图见图1

    由于水中的声光互作用影响,激光外差干涉系统接收到的振速信号u~(t)与薄膜处的实际振速信号u(t)在远场条件下满足u~(t)=nu(t)n为水介质等效折射系数,频率大于10 kHz时一般可取为1.01[18]。激光外差干涉系统输出的包含振速信息的待解调信号y(t)如式(2)所示。

    y(t)=2Acos[2πfct2u~(t)λfa]
    (2)

    式中,A为信号幅度;λ为激光波长;fa为声波频率;fc为激光系统的载波频率,由声光调制器一级衍射光的频移量决定。对输出信号y(t)进行高速采样和过零点解调处理[11, 22],即可得到振速信号u~(t)u(t),幅值分别记为U~U,进而利用式(1)得到薄膜测量点的声压幅值P

    图  1  激光外差干涉法水声声压复现系统框图[11]
    Figure  1.  Arrangement of underwater acoutsic measurement using a laser heterodyne interferometric system[11]

    之后,将薄膜取出用水听器代替,水听器声中心与薄膜测量点完全重合,记录水听器输出端开路电压幅值V,则水听器灵敏度M为式(3)。

    M=VP=nVρcU~
    (3)

    图2给出声场频率300 kHz情况下,水听器和激光干涉系统记录的信号经同一窄带滤波器处理后的波形示例,其中图2(a)为水听器的电压信号,图2(b)为激光干涉系统的振速信号。可以看到两者直达波的波形吻合良好。由此可得,激光干涉系统与薄膜一起可实现水听器拾取水下声信号的功能。计算水听器灵敏度时,可分别对两个信号选取相同平稳段进行处理。

    图3给出激光干涉法水听器校准结果与互易法校准结果的对比示例,上下两图分别为B&K 8104和RESON TC4034水听器的结果,频率范围覆盖10~500 kHz。可以看到,激光法与互易法校准结果等效,且前者不确定度更小。

    声场分布是表征水下声源性能的重要依据,一般通过近场声全息技术重建实现[23-24]。用于水下声场重建的近场声压全息图通常采用水听器及其扫描机构多点测量得到,或通过多个水听器组成密集阵列测量得到。但水听器及扫描机构或水听器阵列在水下会不可避免地干扰被测声场,影响声场分布测量及重建的准确性,并且水听器尺寸会限制声场重建的空间分辨率,扫描效率也比较低。

    相比水听器,激光提供了另一种声场测量途径,首先应用在波长较小的超声频段,包括激光衍射全息法[25-26]和激光反射全息法[27-28],后者能够实现声压振幅远大于前者的声场测量,又可应用到频率较低的水声场测量中。自2002年,英国拉夫堡大学Harland开展了激光非接触测量水中声场的系列研究,无须借助反光薄膜,基于光折射率变化直接测量声压在光路径上的积分[30-33]。他对比了激光干涉仪输出的声场线积分波形与水听器声压波形的相似度,给出了利用扫描激光干涉仪测量声场分布的结果,并应用到水声传播遇到障碍物散射时的声场可视化分析中。英国NPL的研究报告中也对激光干涉法扫描与声场全息重建进行了描述[19],还对高频声纳换能器的辐射声场进行了旋转扫描与层析成像,与水听器平面扫描及换能器表面振速测量进行了比较,吻合度较好,结合傅里叶声学投影技术可推算换能器的远场特性[15, 34]。上述文献对激光干涉法声场分布测量与水听器测量多为对声场幅度归一化后相对分布的对比,未见从声压绝对值的角度给出声场分布的比较结果。

    国内,王月兵2012年研究了基于激光反射层析法的超声换能器近场测量方法,对一个多元超声换能器阵列辐射面附近声压的幅度和相位分布进行了测量和验证[29];中国NIM在激光法水听器校准和空气声激光扫描重建的研究基础上,建立了激光法水下声场扫描重建实验装置[35],对50 ~ 400 kHz水声换能器辐射声场分布的激光扫描结果与水听器扫描结果进行了比较,尤其从声压绝对量值角度给出了对比结果,声轴上声压峰值吻合较好,声场分布的平均误差偏大[36]。总体来说,目前国内对激光干涉法声场分布测量与层析重建的研究和应用还处于探索阶段,需要更多研究与投入,以推动激光干涉测量在水下声场分布表征中的优势发挥。

    图  2  水听器与激光干涉系统记录的300 kHz信号波形对比
    Figure  2.  Comparison of for 300 kHz waveforms recorded by a reference hydrophone and a laser interferometric system

    此外,基于介质中光折射率变化进行声场成像的还有纹影法[37],多用在兆赫兹级频段,虽然测量简便快捷,但很难获得较好的声场定量数据,文中不再展开介绍。

    声波在介质中传播,声压波动使介质的瞬时密度发生变化,进而引起介质中光折射率变化,这一现象称为声光互作用。水下存在声场时,激光经过水中同一路径的光程有所差异,利用激光外差干涉仪测量光程随时间的变化率,再经层析重建算法,即可得到水下声场分布。本节对测量原理及结果进行简要描述,详情参阅[15]、[34]、[35]等文献。

    图  3  激光干涉法与互易法水听器校准的结果对比[11]
    Figure  3.  Results of hydrophones calibration results from laser heterodyne interferometric method and reciprocity method[11]

    激光干涉仪的输出电压(振速)受反射目标振动和光路径上折射率变化的共同影响,当反射体固定时,干涉仪的输出信息仅代表声场引起的光折射率变化。激光干涉法声场扫描的原理示意图见图4。在与发射换能器表面距离z的平面内,沿光束方向距离为x的点在t时刻的声压可表示为式(4)。

    p(x,t)=p0(x)sin[2πft+φ(x)]
    (4)

    声压作用下光束折射率为式(5)。

    n(x,t)=n0+(np)Tp(x,t)
    (5)

    式中,n0为水介质的固有折射率,(n/p)T是温度T时水的绝热压光系数。激光经水介质传播的总光程为式(6)。

    L(t)=L0+20Xn(x,t)dx
    (6)

    式中,L0=2n0X表示没有声场时的光程,X为声场宽度。将上式两边取时间的导数,并结合式(4)、(5),得到光程随时间的变化率(即速度v(t))如式(7)所示。

    dL(t)dt=d{20X(np)Tp0(x)sin[2πft+φ(x)]dx}dt
    (7)

    由式(7)可知,激光干涉仪的测量值是一个沿光束传播路径的线性积分,与上一节中单点声压测量不同,但结合层析成像技术,可用于绘制声场的空间分布。这种测量方法在光束与波阵面平行时最为灵敏,当光束以一定角度进入声场并与多个波阵面相交,会产生相位抵消,激光干涉仪所测的信号将变小,导致声场重建难以实现,尤其当光束与平面波的波阵面垂直相交时,声光互作用将减小为零。

    图  4  激光干涉法声场扫描原理示意图
    Figure  4.  Scheme of measuring underwater acoustic field by laser heterodyne interferometer

    下面对激光干涉仪的测量值利用层析技术重建声场分布。式(7)中的声压线性积分可看作声场在激光传播方向上的投影,在数学上用Radon变换描述如式(8)所示。

    R(x,θ,t)=+p(x,y,t)dy=+p(xcosθysinθ,xsinθ+ycosθ,t)dy
    (8)

    式中,xy是任意选取的相互正交的参考坐标轴;xy是旋转角度θ后的坐标轴线。坐标转换与声场分布及线性扫描的关系示意图见图5

    由式(7)、(8)容易发现,被测声场的Radon变换可通过激光干涉仪的输出视速度得到,如式(9)所示。

    R(x,θ,t)=12(n/p)Tv(x,θ,t)dt
    (9)

    通常情况下,单条线扫描的信息不足以重建整个声场。为获得任意声场分布,需在平面内沿一系列平行线扫描,同时应在0°~180°角度范围旋转并重复上述平行扫描过程,再对所有测量数据进行反Radon变换处理即可重建声场分布图。

    图  5  声场分布与线性扫描的关系示意图[38]
    Figure  5.  Relationship of the acoustic field and the parallel beam scan[38]

    下面给出激光干涉仪与水听器扫描声场分布结果的两组对比示例。图6为声波频率400 kHz时,对一个圆形平面换能器距表面200 mm处平面的扫描结果,图6(a)为激光干涉仪扫描重建的二维声场分布图,图6(b)为水听器扫描的声场分布图。可以看出,两者所测声场不仅形状吻合良好,中心处声压最大值的幅度也比较接近(约0.4 kPa)。

    图7为声波频率500 kHz时,对一个换能器阵列距表面12 mm处平面的扫描结果,此换能器阵列的阵元分布在两个同心圆环上。图7(a)、图7(b)分别为激光干涉仪和水听器扫描的声场分布,可以看到,激光干涉法扫描重建的结果与水听器扫描结果较为吻合,并且从声场分布能够直观看出同心圆环上的阵元分布情况。但两者声场的幅度都是用归一化的分布值表示的,无法确定两图间的声场幅度情况是否可比。

    通过上面两个示例可以得出,激光干涉法扫描重建声场可以达到与水听器直接扫描同样的效果。考虑到激光不干扰被测声场,理论上具有良好的潜力来实现更准确的水下声场分布测量。

    高频、大孔径声纳换能器的远场可能在几米甚至十几米以外,在尺寸有限的水槽中很难实现对其远场分布的直接测量。在换能器近场区用水听器扫描,结合声场传播推算方法(瑞利积分[39]或角谱法[40]),可实现换能器远场分布预测;或者基于上节中的声光互作用和层析成像原理,激光代替水听器在换能器近场区进行声场扫描重建,再结合声场推算获得远场分布;更直接地,对于平面换能器,利用扫描式激光干涉仪测量换能器表面振动,将振速分布推算到远场再计算声压分布,也是一种快速可行的方法。

    图  6  圆形平面换能器的声场分布扫描结果[36]
    Figure  6.  Comparison results of the acoustic field produced by a circular planar transducer measured by laser heterodyne interferometer and hydrophone[36]
    图  7  换能器阵列的声场分布扫描结果[15]
    Figure  7.  Comparison results of the acoustic field produced by a transducer array measured by laser heterodyne interferometer and hydrophone[15]

    在水下换能器表面振动测量与辐射声场表征方面,英国NPL和南安普顿大学开展了系列研究。2003年,在NPL的激光法声学基标准研究报告中[19],对激光扫描换能器表面振速、激光扫描平行于换能器表面的宽薄膜振速、水听器扫描声场分布这三种测量方式进行了简要比较。俄罗斯Sapozhnikov等比较了声全息和激光扫描用于换能器表面振动表征的结果,指出在稠密媒质(如水)中声光互作用对扫描结果的影响不可忽略[41]。南安普顿大学与英国NPL对三个不同尺寸的高频声纳换能器进行了水听器近场扫描和前后向声场推算,将扫描数据推算到换能器近表面处,并与激光直接扫描换能器表面振动的结果进行了对比,在声场形状和表面缺陷检测方面获得良好的一致性[42];后续他们又对换能器表面扫描的振速数据进行远场推算,在距离换能器表面3.3 m和24.4 m处,都能与水听器扫描及推算结果吻合良好,同样也强调了声光互作用的影响[16];接着对圆形平面活塞换能器给出声光互作用对激光干涉仪扫描影响的理论分析[43-45],此场景下,换能器的边缘波沿其表面传播,波前与测量光束平行时会引起声光互作用,进而改变所测振速的幅度和相位。与上一节中借助声光互作用进行声场扫描重建不同,此处声光互作用会对换能器表面振动测量产生影响,只有当被测换能器的直径远大于声波波长时,方能获得较为准确的测量结果。

    减小声光互作用影响的一种方法是在离换能器表面一小段距离处,放置一个能够完全覆盖声场范围的反光薄膜,通过扫描薄膜振速推算远场声压分布,此方式还适用于曲面聚焦换能器[46],但需要考虑薄膜尺寸、相对位置等的影响,尤其是宽薄膜及其框架对换能器辐射声场的干扰。另一种方法是通过理论分析和建模,对声光互作用的影响进行补偿和修正,可参见美国伍兹霍尔海洋研究院和英国NPL的联合研究文献[47]。国内也有在空气中扫描换能器表面振动结合有限元方法预测声场分布的研究[48],是否适用于声光互作用较强的水下测量还有待验证。

    概括而言,激光法扫描换能器表面振动进而推算声场分布相比水听器具有效率高、非侵入、高分辨等优势,但由于目前研究尚浅,水下声光互作用影响及换能器表面反光性能等都是关键制约因素,亟待更多研究以发挥此方法的潜在优势。

    本节简要给出换能器表面振动测量与声场推算的原理,以及一些具有代表性的研究结果。其中声光互作用的影响分析及补偿可参见文献[44]、[47]等。

    激光扫描换能器表面振动示意图见图8。扫描需根据换能器尺寸调整干涉仪与换能器的距离,保证激光干涉仪扫描角度控制在一定范围,否则测量结果与换能器表面的实际法向振速存在偏差,反射光质量也会受到影响,声光互作用的影响也会更大。扫描分辨率可根据换能器尺寸和频率,设置到约1 mm级别。

    以换能器表面中心为坐标原点,表面所在平面为xy坐标原面,声波传播方向为z轴。假设换能器表面扫描点的位置向量用r=(x,y,0)表示,扫描得到的换能器表面振速为u(x,y,0),利用瑞利积分,在线性传播条件下声场中任意一点r=(x,y,z)处的声压为式(10)。

    p(x,y,z)=jρck2π++u(x,y,0)exp(jk|rr|)|rr|dxdy
    (10)

    式中,ρc分别为水的密度及水中声速;k=2π/λ为波数。利用换能器表面振速扫描值和式(10),就可获得换能器辐射声场的任意点声压值。

    图  8  换能器表面振动分布扫描示意图
    Figure  8.  Scheme of measuring surface vibration of a transducer using a scanning laser heterodyne interferometer

    或者在波数域处理,对换能器表面振速做二维傅里叶变换[49]得式(11)。

    U(kx,ky,0)=++u(x,y,0)exp[j(kxx+kyy)]dxdy
    (11)

    则任意平面z上声压的傅里叶变换为式(12)。

    P(kx,ky,z)=ρckkzU(kx,ky,0)exp(jkzz)
    (12)

    再进行傅里叶反变换即可得到与式(10)相同的换能器辐射声场的任意点声压分布如式(13)所示。

    p(x,y,z)=14π2++P(kx,ky,z)exp[j(kxx+kyy)]dkxdky
    (13)

    当换能器尺寸远大于声波波长时,kz可近似等于k

    图9给出对一个圆形换能器在500 kHz时测得的声场分布度归一化结果,图9(a)为将激光干涉仪扫描的表面振速推算到z=3.34 m处的声压分布结果,图9(b)为在z=3.34 m平面利用水听器直接扫描的结果。从两图的声场分布形状来看,两者具有很高的吻合度,初步验证了扫描换能器表面进而推算声压分布的可行性。更多定量对比及误差分析可参见文献[43]。

    图  9  激光扫描推算与水听器扫描的声压分布对比图[43]
    Figure  9.  Comparison results of the normalized pressure distributions measured by laser heterodyne interferometer and hydrophone[43]

    本文较为详细地介绍了激光干涉技术在水声测量中的三个主要应用:水听器校准、声场分布扫描重建、换能器表面振动测量,对各应用的研究发展历程、当前的研究水平、关键的制约问题等进行了概述,并分别给出了测量原理及一些具有代表性的测量结果。

    相对而言,激光干涉法声压复现与水听器校准是目前较为成熟的技术,英国NPL、中国NIM等多方验证了这一方法的可行性,都以最终建立激光干涉法新一代水声计量基准为目标,有望实现0.5 dB甚至更小的测量不确定度。激光法水听器校准相比互易法,在测量不确定度上具有明显优势,并且前者直接复现声压,更适用于光纤水听器及其他新型水听器的绝对法校准,但薄膜与水质点运动的跟随性仍是目前尚未完全解决的问题;此外,由于薄膜及其框架尺寸不可能做到很大,激光法在低频段的应用还有一定限制,通过信号建模等处理方法进行低频拓展可能是一种解决途径。除了自由场校准,利用激光测量密闭腔体内的声场,对水听器在低频/甚低频段进行校准,也是未来的一个研究发展方向。

    基于声光互作用的激光干涉法声场分布测量相比水听器扫描具有高分辨、非侵入、效率高等优势,在未来水下声场监测、声源性能评价等领域具有广阔的应用前景。但在实际测量与重建过程中,激光干涉相比水听器扫描会在一定程度上表现出不稳定性,其他问题如激光聚焦位置的变化是否会影响测量结果、激光光束与声波波前不完全平行时引入的测量误差等。此方法目前仅适用于固定声源发出的已知声传播方向的声场测量,对各向随机噪声的测量尚不适用,对以球形声源为代表的全向声场也很难覆盖。因此,为更好地发挥激光干涉技术在声场分布测量与表征中的潜在优势,需要更多细致的研究。

    激光扫描换能器表面振动也属于声场分布测量与表征的范畴,主要不同在于它需要避免声光互作用的影响,其优势在于扫描换能器表面是一种快速、直接且无干扰的方式,但换能器边缘波带来的声光互作用会给振速测量带来明显偏差,进而影响推算的声场声压分布,同时换能器表面反光特性较差也是制约激光测量的主要因素之一。借助宽薄膜或进行声光互作用补偿是两种解决方法,但薄膜的引入同样会带来跟随性、是否影响声场等新问题,而声光互作用的分析则较为复杂,有待更多的研究和理论分析。

    激光干涉法为水声测量提供了一个全新的途径,使其不再完全依赖传统水听器或换能器实物,具有高分辨、无干扰等优势,同时几乎不受高温、高压等极端声场环境的影响。虽然激光干涉法在水声测量中处于发展阶段,还无法完全替代水声测量以水听器为主的现状,但基于目前表现出来的优势及诸多研究成果,加上与光纤技术的相互融合,经过不断地深入研究和应用,未来在水声测量中有望获得更多应用并发挥更好作用。

  • 图  1   激光外差干涉法水声声压复现系统框图[11]

    Figure  1.   Arrangement of underwater acoutsic measurement using a laser heterodyne interferometric system[11]

    图  2   水听器与激光干涉系统记录的300 kHz信号波形对比

    Figure  2.   Comparison of for 300 kHz waveforms recorded by a reference hydrophone and a laser interferometric system

    图  3   激光干涉法与互易法水听器校准的结果对比[11]

    Figure  3.   Results of hydrophones calibration results from laser heterodyne interferometric method and reciprocity method[11]

    图  4   激光干涉法声场扫描原理示意图

    Figure  4.   Scheme of measuring underwater acoustic field by laser heterodyne interferometer

    图  5   声场分布与线性扫描的关系示意图[38]

    Figure  5.   Relationship of the acoustic field and the parallel beam scan[38]

    图  6   圆形平面换能器的声场分布扫描结果[36]

    Figure  6.   Comparison results of the acoustic field produced by a circular planar transducer measured by laser heterodyne interferometer and hydrophone[36]

    图  7   换能器阵列的声场分布扫描结果[15]

    Figure  7.   Comparison results of the acoustic field produced by a transducer array measured by laser heterodyne interferometer and hydrophone[15]

    图  8   换能器表面振动分布扫描示意图

    Figure  8.   Scheme of measuring surface vibration of a transducer using a scanning laser heterodyne interferometer

    图  9   激光扫描推算与水听器扫描的声压分布对比图[43]

    Figure  9.   Comparison results of the normalized pressure distributions measured by laser heterodyne interferometer and hydrophone[43]

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出版历程
  • 录用日期:  2022-03-30
  • 网络出版日期:  2022-04-12
  • 刊出日期:  2022-06-01

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