功率放大器基于声光偏转效应的声场重建实验的应用

实验名称：功率放大器基于声光偏转效应的声场重建实验研究

实验内容：水下声信号在传播过程中会引起介质折射率的变化，当激光穿过声扰动介质时，介质折射率的空间变化引起激光束的偏转，利用位置敏感探测器（PSD）感应激光的偏转信息，可以反演出声场的相关参数信息。激光束的偏转可以被分解为平面内和沿平面法向方向两部分，利用这两个部分可以分别计算得到声压和声压梯度值。同时利用边界延拓方法可以显著提高基尔霍夫积分定理声全息方法的重建性能。

研究方向：声光传感、声场重建

测试设备：ATA-1204A宽带放大器

实验过程：实验过程主要由水声换能器激励源、激光光源（Thorlabs，He-NeHRS015B）、水声换能器夹持装置（实验室自制）和光信号采集四部分组成。换能器激励包括高压放大器（AigtekATA1204A）、信号发生器(Tektronix，AFG3022C)组成。信号发生器生成正弦信号，通过功率放大器放大信号电压，激励换能器发射超声。通过功率放大器放大信号电压，激励换能器发射超声。信号发生器同时为数据采集系统提供触发信号，以便重建瞬时声场。测量平面位于换能器下方5-10cm处。

激光器发射激光，垂直射入水缸穿过声场，使用四象限位置探测器（Thorlabs,PDQ80A）接收激光，探测器控制箱（Thorlabs，KPA101）与示波器(Tektronix,MDO3104)相连。在激发声场前，需调整四象限探测器位置，将激光指向探测器中心位置，使激光处于PSD的线性探测区间内。由于激光器本身固定于光学平台上，所以实验中所有测量都是使用四自由度位移台移动和旋转换能器来实现的。当超声换能器与激光束水平情况下，移动、旋转超声换能器和移动、旋转激光的效果相同。

实验结果：应用上述实验装置对110kHz(DYW-110-30A)的超声换能器进行声场重建。对一个周期内的6个时刻，分别为0T，0.2T，0.4T，0.6T，0.8T和1.0T，使用光学偏转法分别得到声场声压值与声压法向梯度值。重建得到的声场图像如图1,2所示。

观察图1可以看出，重建声场在边缘处趋近于0，这是由于换能器指向性强，在边缘处声压值较低。通过分析声场重建图像可得，声波中心位置呈现随着时间向四周扩散的中心辐射状，且0T时刻与1T时刻的声压场、声压梯度场一致，证明可以清晰得到不同时刻的瞬时声压与声压梯度。实际上该方法能够获得更高时间分辨率的传播过程，其上限取决于PSD的响应速度（一般为10ns左右），能够实现高采样率的声场重建。

Aigtek安泰功率放大器在本次实验中发挥的作用：将脉冲信号放大200倍

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