1、硕士学位论文（20 届）用于声场测量的纹影法和光纤声传感器技术姓 名学 科 、 专 业 声学研 究 方 向指 导 教 师论文提交日期学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：年 月 日 同济大
2、学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：年 月 同济大学 硕士学位论文 摘要4目录第 1 章 引言 .51.1 纹影法检测技术 .51.1.1 纹影法发展历史 .51.1.2 纹影法技术应用 .61.1.3 纹影法技术在超声中的应用 .81.2 光纤声传感器检测技术 .81.2.1 光纤传感器
3、.91.2.2 光纤光栅传感器 .101.2.3 光纤激光传感器 .111.3 本文主要研究内容 .12第 2 章 纹影法声场测量技术 .132.1 纹影法光学系统 .132.1.1 透镜传递函数理论计算 23 .142.1.2 纹影法系统理论计算 .172.2 纹影法行波场测量 .182.2.1 平面波行波场测量理论计算 3 .192.2.2 平面波行波场测量仿真 .212.2.3 平面波行波场实验 .252.3 纹影法驻波场测量 .282.3.1 平面波驻波场测量理论计算 .282.3.2 平面波驻波场测量仿真 .332.3.3 平面波驻波场测量实验 .382.4 纹影法三维声场成像 .4
4、62.4.1 纹影法三维声场成像理论 .462.4.2 平面波三维成像 .482.4.3 其他波形三维成像 .542.5 纹影法系统在声场测量中的其它应用 .612.5.1 纹影法泄漏波瞬态成像 .62同济大学 硕士学位论文 摘要52.5.2 纹影法声子晶体声场成像 .642.5 本章小结 .66第 3 章 光纤光栅声场测量技术 .673.1 有源光纤光栅传感原理 .673.2 解调仪及解调原理 .683.3 光纤光栅传感器的频率响应 .773.4 光纤光栅传感器封装及指向性 .833.4.1 测量板波时封装方式 .833.4.2 光纤光栅水听器封装及其指向性 .843.4.3 光纤光栅水听器
5、封装改进研究 .873.5 本章小结 .90第 4 章 结论与展望 .914.1 结论 .914.2 下一步工作 .93致谢 .94参考文献 .95同济大学 硕士学位论文 摘要6第 1 章 引言1.1 纹影法检测技术纹影法成像系统是一种研究透明煤质中声场分布的一种有效的方法。其光路系统简单，并且易于观测弱相位物，利用这个特点，可以观测到声场改变水的密度分布进而引起的光场相位分布。1.1.1 纹影法发展历史纹影法又称为 Schlieren 法，是一个很古老而又很少被人知道的方法 1。其最早由 Roobert Hooke 研究并提出，他采用了两根蜡烛，一个晶片以及人的视网膜构筑了纹影法系统，并且使
6、用这套系统观察了蜡烛燃烧引起的热空气扰动 2。Foucault 首次在纹影法系统的变换面上引入光阑，演示了玻璃中的折射率变化。之后在 1864 年，Topler 将其推广到了研究水中密度分布中。之后他发表了一篇图 1.1 R.W.Wood 在 1867 年发表的照片关于观察火焰的文章并且将这个方法命名为 Schlieren 法，Schlieren 为德语条纹的意思，故中文将其翻译为纹影法，但是当时“Schlieren”的命名没有得到同济大学 硕士学位论文 摘要7Kirchhoff 和 Helmholtz 等人的认可，所以直至今天，在法国 Schlieren 依旧被称为 strioscopie。
7、但是不可否认， Topler 是设计出使用纹影法观测仪的第一人。1867 年，Topler 在杂志上刊登了一篇文章描述了如何使用纹影法对电火花产生的声波进行成像。在这篇文章中，他提出了可以采用电子计时设备来确保捕捉电火花后的一瞬间内产生的冲击波，这一方法对观测冲击波起到了极大的帮助。之后在 1899 年和 1900 年，R.W.Wood 在他发表的两篇文章中展示了他所拍摄到的声波。文中，他展示了弯曲波的波前、凹球面发射器形成的汇聚波，光栅产生测次级小波，障碍物边缘的声波衍射等等以及遇到障碍物后的透射与反射声波等等。在 R.W.Wood 之后，Mach 和 Gruss 继续了 Topler 在冲
8、击波捕捉上的研究。他们采用了快照技术展示了爆炸产生的冲击波的位置、燃烧的形成以及边界的反射波。在这之后，他们又采用连续光源以及胶片拍摄了爆炸产生的冲击波、火焰、未燃烧气体以及反射波的时距图。此后，在 1930 年，Tawil 使用纹影法拍摄了超声驻波场 1。近年来，伴随激光以及高速数字图像记录系统等科技的发展，纹影法的实验系统以及技术方面有了很大进展。在光源方面，采用激光代替了传统的爆炸光源、卤钨灯、氙灯光源电火花等，其单色性、准直性好的特点可以减少流畅内部或者其他光源杂光的干扰 4。高速高质量的图像记录系统，如 iCCD，可以获得更好的数码纹影法实验结果，方便了后续的图像处理。此外，将其和纹
9、影法系统结合起来，可以用来观测快速变化的物理过程。1.1.2 纹影法技术应用纹影法的应用非常广泛。二战后期，大型超音速风洞产生，而纹影法系统同济大学 硕士学位论文 摘要8也图 1.2 7 马赫高速移动尖锥形成的高压气体分布向大致粗成像方向发展，推动了当时的风洞测试技术的发展，图 1.2 是 NASA-Langley 研究中心公布的尖锥以 7 马赫速度逆风前行引起的高压气体分布及其冲击波的纹影法像 3。在风洞测试方面，继 Schardin 之后，Maximilian Topler、Holder 和 North 等做了很多工作，比如引入梯度光阑和简单的多色滤光板或者在纹影法系统上使用白光分光棱镜，
10、实现彩色纹影法成像，扩大了纹影法成像技术的应用范围 5。1962 年，Bland 和 Pelick 用纹影法研究了水的压力和温度效应后指出，纹影法适用于水洞的流场显示 6。此外，各种各样的纹影法光学系统已经广泛应用于：液体混合过程、密度分布不均匀性燃烧、等离子放电以及传热等。图 1.3 为 Hermann 等人在 1985 年刊登的拍摄半球形的物体在水中下落过程中引起的流场变化，实验半球体的直径为 0.04 m，其下落速度稳定在 0.3 m/s，液体的运动粘度为 10-6 m2/s，每张照片的曝光时间 1/1000 s7。图 1.3 半球体在液体中下落时的流场分布1.1.3 纹影法技术在超声中
11、的应用同济大学 硕士学位论文 摘要9相比于现在常用的水听器等测量等方法，纹影法在测量超声场的时候具有非侵入和成像速度快的特点。由于其非侵入式的特点，避免了水听器等传统测量工具对声场的破坏，此外，配合高速摄像机，可以对声场的瞬态传播过程进行捕捉，实现声场的动态捕捉 3。上世纪 30 年代，Raman-Nathan 衍射理论的建立，为纹影法研究声场奠定了理论基础。他研究了平面光波以不同入射角入射长方体超声行波场、驻波场以及非等幅光波斜入射时超声对光的衍射效应，并且系统的分析了周期性声场的声光衍射效应 7-11。此后，在 Raman-Nath 衍射理论的指导下，发展出了许多对超声场纹影法成像的理论研
12、究和讨论，比如考虑不同驻波比的驻波声场、高强度声场对光的衍射效应以及声场对光的菲涅耳衍射效应等，并且展开了声场的定量测量研究 12-13。本课题组在 2011 年搭建了纹影法系统用于超声场的拍摄，并且对平面行波场的声压定量进行了研究。1.2 光纤声传感器检测技术传统的声电型换能技术规范，工艺成熟，使用方便，然而其在某些恶劣环境下难以正常工作，例如探测化学或者电磁环境中或者高强度的声场等。而光纤声传感器，由于制作材料绝缘，能抗电磁干扰，并且材料抗压能力强，灵敏度高，耐腐蚀等特点，越来越受到人们的重视 14。此外，随着制造技术的进步，其成本也在不断的降低，易复用，具有很高的性价比，是传统声电型换能
13、器的理想替代品。1.2.1 光纤传感器在光通信迅猛发展的带动下，光纤传感器作为传感器家族中年轻的一员，以其在抗电磁干扰、轻巧、灵敏度、高灵敏度以及带宽较传统换能器更宽等独一无二的优势，已经迅速成长为年成交额超过 10 亿美金的产业 15。光纤传感器的研究大约起始于 20 世纪 70 年代中期，许多的想法以及技术被应用于测量各种变量。光纤传感器的工作原理，是将光源发出具有特定光波参数的光，经光纤引入到敏感区，被测量于此处对光产生直接作用，使得光的一系列参数如光强、频率、波长、相位等发生变化，变化后的光束被引入到光学仪器进行检测，通过对上述的光波参数进行测量而测得外界物理量（温度、折射率、液位深度
14、、压力、应变、振动等）的实际值 16。从其诞生以来，光纤传感器以其低价格高性能的优势被越来越多的应用于各个检测领域，图 1.4 是同济大学 硕士学位论文 摘要10第 15 届光纤传感器大会(The 15th Optical Fiber Sensors Conference)中刊登的文章所涉及的光纤传感器的应用领域，这些数据显示了光纤传感器最新的研究趋势。如图所示，光纤传感器最多被应用于应力检测及温度检测，分别占 23%以及17.2%，而声压检测也是很重要的一个应用，占 15.2%17。此外，光纤的种类也非常多，提供了各种图 1.4 第 15 届光纤传感器大会刊登文章涉及领域分布简便的测量系统以及更高的灵敏度，用以在不同的领域代替传统的传感器。图1.5 为第 15 届光纤传感器大会发布文章中涉及的光纤传感器类型的比重。如图所示，光纤传感器主要的类型为光纤光栅传感器、干涉式光纤传感器、散射反射式光纤传感器等。其中光纤光栅传感器使用最为普遍，占 44.2%。干涉式以及散射反射式光纤传感器分别占 11.1%和 10%。
