[发明专利]测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry-Perot水听器径向耦合系统

摘要

本发明公开了一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry‑Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry‑Perot超声水听器、水听器夹具、弓形支架、和柔性夹具、上位机、三维移动平台和平台驱动控制器，光纤Fabry‑Perot超声水听器的一端部被夹持在水听器夹具上、另一端部被夹持在柔性夹具上，光纤Fabry‑Perot超声水听器的石英毛细管位于水听器夹具与柔性夹具之间，水听器夹具、柔性夹具分别安装在弓形支架的两端，弓形支架安装在三维移动平台上。上位机根据反馈的i个电压变化量ΔVi确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定其焦域位置，在石英毛细管移动到焦域位置时，将反馈的计算值ΔV带入相关公式，计算得到其焦域位置的声压P。本发明能实现球形聚焦集声器声场和焦域位置的声压的准确测量。

主权项

1.一种测量球形聚焦集声器声场的光纤Fabry‑Perot水听器径向耦合系统，包括光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)、水听器夹具(30)、信号处理系统(40)、上位机(20)、三维移动平台(50)和平台驱动控制器(60)，上位机(20)与信号处理系统(40)、平台驱动控制器(60)相连，平台驱动控制器(60)与三维移动平台(50)相连，信号处理系统(40)与光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)相连；其特征在于：还包括弓形支架(90)和柔性夹具(80)，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的具有信号输入输出的一端部被夹持在水听器夹具(30)上，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的另一端部被夹持在柔性夹具(80)上，光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)位于水听器夹具与柔性夹具之间，水听器夹具(30)安装在弓形支架(90)的一端，柔性夹具(80)安装在弓形支架(90)的另一端，弓形支架(90)安装在三维移动平台(50)上；所述上位机(20)被编程以便执行如下步骤：测量球形聚焦集声器声场时，向信号处理系统(40)发输出波长为λ₁的激光的命令，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)进行三维空间扫描的命令；在光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管进行三维空间扫描的过程中，从信号处理系统(40)处获取i个电压变化量ΔV_i；根据i个电压变化量ΔV_i确定球形聚焦集声器的声场分布，进而确定球形聚焦集声器声场的焦域位置；测量球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压时，向平台驱动控制器(60)发控制三维移动平台(50)移动以带动光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)的石英毛细管(131)移动到焦域位置的命令，向信号处理系统(40)发输出波长为λ₁的激光的命令；从信号处理系统(40)处获取m个携带声压信息的电压变化量ΔV_m，保存为携带声压信息的电压变化量谱；将光纤Fabry‑Perot超声水听器(1)进行波长扫描获得的反射谱进行拟合，得到关于输出电压与相位的关系的拟合函数：其中，选择携带声压信息的电压变化量谱中最大的电压变化量作为计算值ΔV，并带入公式：中，计算得到光纤Fabry‑Perot超声水听器的腔长变化量ΔL；将光纤Fabry‑Perot超声水听器的腔长变化量ΔL带入公式：中，计算得到球形聚焦集声器声场的焦域位置的声压P；其中，j表示计算值ΔV的饱和次数，y₀表示直流偏值量，A表示幅值，ω表示输出干涉条纹的角频率，xc表示拟合函数的初相位，c_1L表示入射超声波在除气水中的传播速度，c_2L表示纵波折射声波在石英毛细管中的传播速度，ρ₁表示除气水的密度，ρ₂表示石英毛细管的密度，R_1L表示除气水‑石英毛细管外壁界面的声压反射系数，R_2L表示石英毛细管‑空气界面的声压反射系数，L表示光纤Fabry‑Perot超声水听器的初始腔长，d表示石英毛细管壁厚，δ表示石英毛细管泊松比，E表示石英毛细管的杨氏模量，k_2L表示纵波折射声波在石英毛细管中的波数，λ表示输出光波长，λ₁表示当前测量时输出光波长，y₀、A、ω、xc为拟合得到的参数，c_1L、c_2L、ρ₁、ρ₂、R_1L、R_2L、L、d、δ、E、k_2L、λ₁都为在上位机(20)内设定的已知参数，j由上位机根据公式计算得到，int( )表示取整运算，ΔV₀表示所述反射谱中的最大电压与工作点电压之差或者工作点电压与最小电压之差。