射频功率放大器在液体超声声强的光电测量中的应用

实验名称：液体中超声声强的光电测量

研究方向：光电测量

测试目的：

声强是描述声场的基本物理量口，超声效应直接与声强有关。例如在工程技术领域，液体中的声场分布直接影响流场分布口，声强的大小影响着超声波清洗、雾化、乳化等效果。声强还用于表征超声换能器以及声学人工结构等的辐射性能液体中声强的测量常用量热法、辐射压力法和光学法等回。光学法测量透明液体介质中的声强利用了声光效应。声波在介质中传播时，介质呈现疏密相间的交替变化，导致介质的光折射率也随之发生相应的周期性变化。声光效应使得超声场如同一个相位光栅光栅间距等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生衍射现象。

测试设备：信号发生器、ATA-8202射频功率放大器、超声换能器、上位机电脑。

图：超声光栅远场衍射光场的观测

实验过程：

图：液体声场光电测量实验装置

液体声场光电测量实验装置如上图所示。它由两个通道组成:D声通道，由信号发生器、功率放大器(Aigtek公司，型号ATA-8202)和超声换能器(直径30mm，准直波束)组成，信号发生器产生高频正弦信号输入到功率放大器，功率放大器驱动超声换能器发射超声波。2光通道，由激光器(He-Ne激光器，单模输出，波长632.8nm，光束直径≤1mm、透镜组、底部放有消声材料的液槽和CCD相机组成。激光器发出高斯光束，经透镜1(焦距50mm)和透镜2(焦距400mm)扩束后照射液槽。液槽中注入静置24h以上(消除气泡)的自来水，在超声波的激励下产生超声光栅。液槽的出射光在透镜3(焦距800mm)的后焦面上形成远场衍射场。柱面透镜(焦距50mm将各级衍射光斑展开呈水平直线，利于观测。CCD相机的光敏面置于透镜3的后焦面上。CCD相机与计算机相连，程控采集衍射场图像。

实验结果：

(1)无声场时远场图像特征参数提取。将准直激光束通过无声场时的液槽、透镜3和柱面透镜后形成的远场图像转换为二维灰度数据矩阵。在灰度矩阵中提取第618行(中间行)数据进行高斯函数拟合，确定图像的背景灰度、光斑峰值强度、光斑中心位置和光斑宽度。再在灰度矩阵中提取第309行和第927行数据进行高斯函数拟合，确定各自的光斑中心位置，计算条纹相对图像竖直方向的倾斜角度。

(2)衍射图像各级条纹特征参数提取。入射光束直径的有限大小会导致各级衍射光场分布出现混叠光束直径越大，混叠越弱。实验中，采用透镜组对入射光束扩束，目的就是减小混叠。下面的讨论忽略了各级衍射光场之间的混叠。首先，在衍射图像灰度矩阵中提取中间行。对该行进行离散傅里叶变换，滤除高频分量。再进行离散傅里叶逆变换，得到平滑的曲线并寻找曲线峰值位置。最后，在平滑曲线各峰值位置附近进行高斯函数拟合，得到各级光斑的峰值强度和中心位置。

(3)衍射图像各级峰值强度归一化。以介质无声场时的远场光斑中心位置为基准，以各射光斑的最小间距为参考，确定各衍射光斑的射级次。为排除实验参数对声强测量值的影响，需要将超声光栅衍射图像的各级峰值强度对介质无声场时的远场光斑峰值强度进行归一化。

安泰ATA-8202射频功率放大器：

本文实验素材由西安安泰电子整理发布。Aigtek已经成为在业界拥有广泛产品线，且具有相当规模的仪器设备供应商，样机都支持免费试用。

审核编辑：汤梓红