可视化声学实验内容的设计.pdf

通过搭建反射式 型纹影光路实现了 超声波的可视化 利用该纹影光路设计了一系列关于声学内容的教学实验 这些内容可以直观、方便地对声学行波场的反射、衍射、准直以及一维、二维声学驻波场的力学效应进行演示探究也可以对声场及声学器件的相关参数进行定量测量 这些实验结合了光学、声学、力学等学科内容同时融入学科前沿应用丰富了目前大学物理实验中传统声学实验的内容关键词:纹影光学声速测量菲涅尔超声透镜声学格子声悬浮中图分类号:.文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.声波是在弹性介质中传播的一种机械波其中频率高于 的超声波具有波长短易于定向发射、易被反射等优点被广泛应用于定位、探伤、显示、测距等领域 由于声波场的传输与介质弹性模量、流体的密度、成分以及环境的温度等因素密切相关因此监测介质中声波场的相关参数如频率、波速、波长、声压衰减和相位等特别是声波波速(简称声速)的测量是声学应用技术中的一个重要内容 在目前的大学物理实验内容中声学实验内容主要是基于超声波的声速测量和结合声光介质的声光衍射与声光调制实验 上述实验中通过测量超声驻波的波长进而结合超声频率计算声速是实验的基本内容当声波在对可见光透明的液体、气体或者固体介质中传播时声波场将导致介质折射率空间分布的不均匀形成一种特殊的相位物体 由于人眼或常见的光探测器都只能辨别光强度的变化而无法判断其相位的变化因此也就不能“看见”相位物体 针对透明介质中的声场分布目前纹 影 光 学 成 像 技 术 是 一 种 有 效 的 探 测 手段 纹影技术可以把介质中折射率分布转换为光强分布进而反映介质中的密度分布以及声波场的分布 目前已经有不少利用纹影技术进行声场成像的报道 这些工作中主要是利用两种纹影成像系统对声场成像 一种是基于透射式 系统的纹影系统另一种是基于 型光路(阴影法)的反射式纹影系统 上述两种纹影系统的搭建一方面需要较多的光学镜片另一方面光路搭建与调节较为复杂因此不方便在大学物理实验教学中实施 本文通过搭建 型光路的反射式纹影系统实现了 超声场的可视化 利用该装置提供的可视化超声场不仅可以非常简便地演示声波场的反射、衍射等现象而且可以在可视化状态下定量测量声波速度、进行声波场调控如准直和构建一维、二维声学格子丰富了传统大学物理实验教学中声学实验的内容反射式 型纹影光路的设计与调试 反射式 型纹影光路示意图如图 所示.凹面反射镜焦距为 置于 处的白光 灯珠发出的光经过凹面镜反射后其像通过手机摄像头采集记录 超声发生器置于凹面镜前面图 超声场纹影可视化示意图白光 灯珠发出的光经过凹面镜反射后如果没有声波场那么这些光将聚集于 处如图中虚线描述 当凹面镜前有了声波场那么镜前不同区域的折射率将受到声场调制所以经过声场不同区域的光线将产生不同的聚焦区域如图中绿色和红色线条描述 手机摄像头镜头将对聚焦于空间不同区域的光线进行空间滤波导致仅有部分光线能够通过镜头进入摄像头从而把超声场分布通过光强的不同灰度显示出来 这是实现纹影成像的关键 在传统的纹影系统中一般需要一个小孔或者尖锐的刀口进行滤波本文装置则由摄像头的镜头来实现这个滤波效果反射式 型纹影实验装置如图 所示 凹面反射镜的口径为 焦距 为 在凹面镜前安装固有频率为 的超声换能器(压 电 陶 瓷 超 声 换 能 器 直 径 长 度)实验中拍摄设备可以采用实验者的智能手机也可以用工业摄像头代替(图中使用了智能手机)双通道信号发生器(/)的通道()输出经过功率放大器(型号)驱动超声换能器通道()直接连接驱动 口径白光 小灯珠(电压根据所需亮度进行调节本实验固定电压为 )图 反射式 型纹影实验装置 超声行波场的可视化及反射与衍射演示 调节手机摄像头位置以及光学放大倍率使得 光场均匀布满手机屏幕 通过双通道信号发生器分别驱动超声发生器和 可以在手机屏幕中获得超声场的图像如图()所示 将频闪频率设置为比超声波频率()低几赫兹可以在屏幕上看到超声波前进的影像而将频闪频率设置为比超声波频率()大几赫兹则可以在手机屏幕上看到声波在向后移动 上述现象对于学生理解行波是有趣且有启发性的 如果声波传输过程碰到适当介质如实验中超声发射器对着光学平台可以在手机屏幕上看到超声波从平台表面反射如图()所示 实验中利用两块光学白屏组装了一条约 的狭缝(图)将狭缝置于超声发射器前可以在手机屏幕上看到超声场的衍射如图()所示大 学 物 理 实 验 年()()()()图 纹影超声场()超声场的反射()超声场中的狭缝()以及超声场的衍射()可视化条件下声场及声学器件参数的定量测量 根据声波的传播特性可知纹影光路中摄像头观察到的条纹间隔就是声波的波长 获得图()后可以利用常用图像处理软件如微软 附带的图片处理软件或者 软件中的标尺工具直接测量出图片中超声波发生器尺寸以及超声波间距 以图()为例图中超声发生器像素高度.(像素)超声场波节的平均间距.(像素)根据超声发生器实际高度.利用比例关系即可求出实际超声场的波节间距(也就是波长).由频率、波长 和声速 关系式 得出声速实验值./根据理论公式()式子()中 为 .时的声速./(.)测量时实验室温度为计算可得声速理论值为./利用纹影图像测量得到的声速的相对误差为.目前在大学物理实验中声速测量主要以传统的驻波法、行波(相位比较)法、声光效应法为主本文通过直接对超声场的分布图像进行波长测量提供了一种简单、直观而且可靠的方法为声速测量教学内容提供一种补充声学材料是当下声学研究前沿最为活跃的领域它将一些光学、凝聚态物理等学科的概念引入声学并与人工结构设计巧妙地结合在一起为人们理解声场的性质调控声场的传播提供了新思路与新手段 在大学物理实验声学内容中引入声场调控的前沿内容不仅有利于增加学生的学习兴趣更有利于学生创新探究能力的培养 菲涅耳声透镜是实现声场聚焦、准直的基本人工声学器件焦距是其重要参数 在已有报道的菲涅耳声透镜焦距测量实验中声场的探测方法是利用超声压电传感器或者测试话筒进行逐点扫描来探测声场的空间分布.在不清楚声场分布的前提下上述方法具有一定的不确定性而且声波源的稳定性对测量结果的影响较大.利用上述反射式 型纹影光路设计了声场可视化状态下的声透镜焦距测量实验学生可以像完成传统光学透镜焦距测量实验一样进行声学实验 第 期潘天辰等:可视化声学实验内容的设计菲涅耳声透镜是基于菲涅耳波带片衍射原理制作的声学元件 考虑到纹影视场大小的关系本文以焦距为 波带片的设计和参数表征过程举例说明 根据超声波带片关系式可以得到()分别计算各个半径的长度得到表 中各尺寸的长度表 超声波带片半径与圈数关系表圈数 半径/.利用以上数据在 制图软件当中制图(波带片的厚度为 )制作的材质为不锈钢得到设计图如图 所示()()图 超声波带片设计图(焦距)以及加工实物图为了表征声透镜对声场的影响 超声发生器与声透镜的位置关系由图()所示并调节超声发生器与声透镜中心等高共轴 实验中的超声发生器由于相对声透镜的尺度而言可以近似看成一点波源 实验时相对于超声发生器前后移动声透镜可以在手机屏幕上看到入射超声场经过声透镜后的声场分布变化 当超声发生器与透镜的距离为声透镜的焦距时可以明显看到声场分布的准直化如图()所示此时用米尺测量超声发生器与声透镜两者之间的距离此即为声透镜焦距的实验测量值结果如表 所示()实验装置().声透镜对声场的准直效应图 可视化声透镜焦距测量实验从表 看出根据经过超声透镜后声场分布的准直性可以在可视化状态下测量出超声透镜的焦距 利用上述实验装置测量超声透镜焦距的结果与设计值符合得较好 同时利用上述装置可以直观地观察到人工声学材料对声场的调控过程为人工声学材料的表征提供了一种新的启发性方法表 不同声透镜焦距纹影法测量结果测量次数平均值设计值不确定度(.)百分误差/.大 学 物 理 实 验 年 可视化条件下一维、二维声学格子及声悬浮效应 声悬浮是利用高强度声波产生的声压来平衡重力从而实现物体悬浮的一种技术 声悬浮技术由于没有明显的机械支撑几乎对客体没有附加效应从而为材料制备和科学研究提供了一种崭新的技术在材料科学、流体力学、生物医学和航空领域等有非常广阔的应用前景 由于声驻波产生的声压远大于行波所以声悬浮实验普遍采用驻波 而驻波场的可视化有利于直观地看到声波场的分布进而可以在可视化状态下对声波场的分布进行优化为了制备一维和二维的驻波声场本文利用直径为 平面波超声探头的发射声场和硬质光滑的金属反射面的反射光场进行叠加干涉 利用上述的 型反射纹影装置可以从纹影图像中确认形成了一维和二维驻波场 与干涉光场形成的光学格子对应上述一维和二维驻波声场也称为一维和二维声学格子 用镊子把微小泡沫小颗粒送到超声场中可以明显看到泡沫小颗粒被悬浮在空中 继续增加泡沫小颗粒可以发现这些小颗粒等间距地被悬浮在超声场中如图 所示()()()()图 一维()、()和二维()、()声学格子及其悬浮效应 通过纹影图像可以清楚看到一维超声格子对微小颗粒的悬浮情况微小泡沫颗粒被悬浮在超声驻波的波节处如图()和()所示 相比于一维格子悬浮二维悬浮的小颗粒表现出更多的悬浮空间自由度以及稳定性如图()和()所示 在可视化状态下可以通过改变超声功率、超声探头夹角等参数直观地看到声场的变化情况进而可以进一步直观研究声场对悬浮颗粒的力学效应 结 语本文介绍了基于反射式 型纹影光路的设计并实现了 声波的可视化在此基础上开展了一系列关于声学内容的教学实验研究 这些实验内容包含了纹影光路搭建、声场现象(传输、反射、衍射、准直等)的定性演示、声学器件 第 期潘天辰等:可视化声学实验内容的设计(声透镜)的设计、声场参数(声速、声透镜焦距)的定量测量、声场力学效应(声悬浮)的表征 上述实验内容的设计拓展了目前大学物理实验中传统声学实验的内容 笔者所在实验中心已经尝试把结合纹影实验装置的声速测量、声透镜焦距测量以及声学格子制备与声悬浮实验内容在大学物理实验教学中作为三个以学生为主的设计性实验进行开设 实验装置的自主搭建、调试以及新颖的声学现象的光学效果呈现都让学生非常感兴趣同时通过这种实验把光学和声学的内容有机融合起来让学生充分体会到不同学科内容在实验教学中的渗透交叉参考文献:罗雄彪陈铁群.超声无损检测的发展趋势.无损检测():.唐亚陆胡光张俊.空气比热容比之声速测量法.大学物理实验():.陈佳琪李文政张亚萍等.固体声速温变特性实验室探究.大学物理实验():.邢键孙晶华.水中声速的测量.物理实验():.张兆奎缪连元张立.大学物理实验.北京:高等教育出版社:.黄妙娜黄佐华.相位物体的相位检测分析方法.大学物理():.():.:.():.陈皓徐峥姜学平等.纹影法在超声场成像中的应用.声学技术():.胡斌夏珣熊畅等.纹影法在超声波可视化及声速测量中的应用 .大学物理():.徐峥陈皓钱梦騄等.点聚焦换能器声场的可视化和测量.声学技术():.姜学平程茜钱梦騄.纹影法对声场成像的理论和实验研究.声学技术():.陈水桥程诗卓郭鹍等.非均匀介质驻波声场纹影法成像及其声速测量的改善.实验室研究与探索():.胡斌夏珣熊畅等.基于阴影法的超声驻波成像和声速测量.物理与工程():.张博一熊畅胡斌等.基于傅里叶光学理论的声驻波成像分析.大学物理():.朱盼盼高茜刘静.基于声光效应的两种测量超声声速的方法比较.大学物理实验():.:().方青庭李泽佑虞期盼等.基于纹影光学的声速测量大学物理实验():.李劲松.超声波传感实验教学设计研究.大学物理实验():.李钟婧.超声多普勒效应测量声速实验设计.大学物理实验():.雷佳雨张宇侯春风等.基于菲涅耳波带片的聚焦声透镜.大学物理():.唐召军黄魏周小虎等.基于菲涅耳声透镜的声速与焦距的测量实验.物理实验():.李泽佑邹曹沂虞期盼等.可视化菲涅耳超声透镜实验.大学物理():.(.):.:大 学 物 理 实 验 年