高重频激光产生窄带声的声源特性与性能分析

陈宝柱 ，储泽国

（91388部队92分队，广东湛江 524022）

高重频激光产生窄带声的声源特性与性能分析

陈宝柱 ，储泽国

（91388部队92分队，广东湛江 524022）

为分析高重频激光产生窄带声的声压谱级和转化效能，在高重频激光产生窄带声（重频法）的理论基础上，对声压功率谱进行了仿真。结合激光器的技术指标，以声压在主频处的功率谱为参考将重频法和连续波法、长脉冲法的性能进行了比较，实验研究了激光脉冲数与声压谱级的关系。理论和实验分析表明，增加激光脉冲数可以压缩声压带宽并提高声压谱级。当脉冲数为100时，重频法在主频处的声压功率谱比连续波法高14dB，比长脉冲法高10dB。在800mJ、重频25kHz的激光脉冲作用下，20个脉冲产生的声压谱级为127.1dB，200个脉冲产生的声压谱级为135.4dB。

激光物理激光声功率谱声压谱级脉冲数

0前言

激光与液体介质相互作用可以激发声波，形成的声源称为激光声。在海洋应用中，由舰载或机载激光器向海面发射红外波段的激光束，通过热膨胀或光击穿机制激发水下声源可用于遥测海深、水下目标探测和通信［1-3］。其中光击穿机制产生的声源稳定性差，声源难于控制。相对而言热膨胀机制机理更成熟，激发的声源也很稳定，在工程应用中具有优势。本文关注的是热膨胀机制。

激光声源具有脉冲窄、频带宽等特点。宽带的激光声信号在水下衰减严重，作用距离受到了较大限制［4-5］。因此，产生有效的窄带声源是激光声在海洋应用中的关键。

文献［6-8］分析了几种典型的波形对声信号的频带进行了分析，结果表明在单个激光脉冲作用下波形对声压频带影响很有限，不足以产生有效的窄带声源。Antonelli等采用低功率激光器发射连续的激光信号产生了稳定的窄带声信号，但光声转化效率较低。Blackmon等将毫秒级的长脉冲激光调制在几十千赫兹的频段上，这种方法需要复杂的调制设备，在舰载或机载平台的使用受到限制。有文献提出一种采用高重频激光脉冲产生窄带声信号的方法（重频法），给出了最佳重复频率的选择方法，但没有针对声压功率谱和方法性能进行深入分析计算。本文在重频法的基础上研究声压的功率谱与激光脉冲数的关系，将重频法产生窄带声的性能与现有方法进行了详细比较。

1高重频激光致声基本理论

对于均匀的理想流体（以水为例），热膨胀机制中激发声波的光声波方程可描述为［12］

式（2）、式（3）、式（4）中：A为激光对水面的透射系数，分别为空气和水的折射率，为激光功率，ω为角频率，激光信号的频谱，r为接收点与声源之间的距离，θ为观测角，μ为水对激光的吸收系数，a为光斑半径。

单个激光脉冲作用下，式（2）得到的声压频谱很宽，在水下传播衰减、畸变严重。在高重频激光脉冲作用下，声压的频谱结构将发生改变，通过合理选择激光脉冲的重复频率可产生效果较好的窄带声，式（2）可修正为（5）式。式中：N为激光脉冲数，T为重复周期，为单个激光脉冲的频谱。

2仿真与性能分析

2.1声压功率谱

在重频法的基础上，对声压功率谱进行推导。为便于得到功率谱的解析式，激光脉冲强度分布采用高斯型，其归一化的脉冲串可表示为：

长度为τ的信号其功率谱定义为［13］：

将式（5）、式（7）代入式（8）可得声压功率谱：

利用式（9）、式（10）对声压谱级进行仿真。采用Nd：YAG激光器，其主要技术参数为：波长1.06μm，最大单脉冲能量18 J，脉宽100 ns，最高脉冲重复频率50 kHz，光斑半径仿真参数：距离1 m，观测角重频脉冲数分别为10和100。

图1、图2分别为脉冲数为10和100时的声压谱级计算结果。由图可知，声压频谱的主峰均位于25kHz处，且在高次谐波上存在较大的能量分布。当脉冲数为10时，主峰的声压谱级为133 dB，带宽（3 dB）为2.25 kHz，二次谐波声压谱级为128 dB。当脉冲数增加至100时，主峰的声压谱级增大为143dB，带宽降为0.23 kHz。对比可知，脉冲数增大10倍，声压谱级相应增大10 dB，且带宽减小，声压在频域的能量更加集中。

2.2性能分析

目前，热膨胀机制中产生窄带声信号的方法有连续波法［9］和长脉冲法［10］。为比较重频法和现有方法之间的性能，结合三种方法所需的具体激光器，比较声压在主频处的功率谱大小。

为有效地进行比较，假定三种方法都产生主频为25 kHz声压信号，即。重频法采用Nd：YAG激光器，脉宽100ns，单脉冲能量18 J，最高重频50 kHz；连续波法采用Nd：YAG激光器，功率1000W，信号长度10 s；长脉冲法采用Nd：Glass激光器，脉宽2 ms，单脉冲能量400J。

分别计算三种方法下的声压在处的功率谱，参数下标1、2、3分别表示重频法、连续波法和长脉冲法。由式（9）直接获得：

长脉冲法中，激光信号频谱为：

将式（11）分别除以式（13）和式（15），并将相应的激光参数代入可得：

式（16）和式（17）的计算结果表明，当N大于10时，重频法的性能优于连续波法和长脉冲法，当N达到100时，重频法在主频处的声压功率谱比连续波法高14 dB，比长脉冲法高10 dB。由此可见，重频法可通过积累脉冲的方式达到较高的性能，当脉冲数较大时，重频法性能明显优于连续波法和长脉冲法。

3实验研究

3.1实验装置

激光声测量系统如图3所示，采用Nd：YAG激光器，波长1.06μm，脉冲能量800mJ，光斑半径6 mm，脉冲重复频率20 Hz。激光器发射的光束经过分光镜后分为两束，其中2%的能量进入能量计以便对脉冲能量进行监测；另一束经过反射棱镜后垂直入射到水箱激发声波。水箱长1.2 m，宽0.8 m，高0.7 m，激光声信号的接收采用高频无指向性水听器，灵敏度-210dB。水听器接收到的信号送入Agilent54261A型示波器进行分析。

受实验用激光器重频的限制，无法直接采得重频25 kHz的激光脉冲产生的声信号。由于相邻声脉冲的重复性很好，实验中可将重频20Hz的激光脉冲产生的声脉冲串按重频25 kHz进行组合来模拟所需的声信号。

3.2实验结果与讨论

实验采集的声信号长度为10 s，共200个脉冲，图4为截取的一段信号，重频20 Hz。取出相邻的10个脉冲并按重频25 kHz进行组合，得到的声信号如图5所示，其频谱结构如图6所示。由图6可知，信号主频在25 kHz处，二次谐波50 kHz处仍有一定的能量分布。实验测得的频谱特征与仿真结果基本吻合。

将声压按球面波衰减规律换算至1m处，由式（18）计算实验信号在25kHz处的声压谱级：

声压谱级与脉冲数的关系如图7所示。由图可知，脉冲数为20时，声压谱级为127.1dB，随着脉冲数的增多，声压谱级逐渐增大，当脉冲数达到200时，声压谱级为135.4dB。可见，脉冲数增大10倍给声压谱级带来了8.3dB的增益，这与3.1节中10dB的增益相比有所偏低，主要有两个原因：一是激光器输出的脉冲能量存在一定起伏，且随着激光器工作时间的增加，激光脉冲强度有所下降；二是25 kHz处仍有一定的噪声的干扰。实验结果表明，通过脉冲积累的方式可有效地提高声压谱级，从而可以提高激光声在水下的作用距离。

4结束语

研究了高重频激光产生的窄带声的声压谱级，为衡量重频法的光声转化效能，以主频处的功率谱为参考将重频法和连续波法、长脉冲法的性能进行了比较。理论和实验结果表明：1）通过脉冲积累的方式可以压缩声压的频带，并提高主频处的声压谱级。在单脉冲能量800mJ、重频25kHz的激光脉冲作用下，20个脉冲产生的声压谱级为127.1dB，200个脉冲产生的声压谱级为135.4dB。2）当脉冲数大于10时，重频法的性能优于连续波法和长脉冲法，当脉冲数为100时，重频法在主频处的声压功率谱比连续波法高14dB，比长脉冲法高10dB。

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［4]Egerev S V.In search of a noncontact underwater acousticsource［J］.AcousticalPhysics， 2003，49（1）:51-61.

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［6]Li Qiu-shi，Luo Hong，Hu Yongmin.Analysis of characteristics of acoustic waves by triangular laser pulses［J］.Laser technology，2010，34（3）:409-412.

［7]Chen Qingming.Research of acoustics induced by pulsed CO2laser in water［D］.Wuhan，Huazhong university of science&technology，2009.

［8]Sayal V K.Effect of time profile of laser pulse on the excitation of sound signals in a liquid with a series of laserpulse［J］.Journalof Sound and Vibration，2011，330:1754-1761.

Characteristics Analysis of Narrow-band Acoustic Signals Induced by High Repetition Rate Pulsed Lasers

Chen Baozhu，Chu Zeguo
（Army Unit 91388，Zhanjiang 524022，Guangdong，China）

In order to investigate the sound pressure level generated by high repetition rate pulsed laser and transform efficiency，the power spectra density of sound pressure is simulated based on correspondence principle.With the parameters of some actual lasers，comparisons of performance based on power spectral density at center frequency are made among high repetition rate method（HRRM），continuous wave method（CWM）and long pulse method（LPM）.Influence of laser pulse number on sound pressure level is obtained experimentally.The theoretic and experimental results show that increasing pulse number can reduce the bandwidth of sound pressure and improve sound pressure level.When the pulse number gets 100，the power spectral density of HRRM is 14dB higher than that of CWM，and10dB higher than that of LPM. When the laser pulse energy gets 800 mJ and repetition rate of 25kHz，sound pressure level gets 127.1dB with 20 laser pulses，and 135.4dB with 200 laser pulses.

laser physics；laser-generated sound；power spectral density；sound pressure level；pulse number

O426.3

A

1003-4862（2016）07-0009-05

2015-10-09

陈宝柱（1985-），男，工程师。研究方向：激光技术。