水下光击穿所激发的声场的方向特性
激光致声水中辐射声场的方向性研究
Ｓ ｕ ｄ Ｒａ ｉｔｎ ｅｄ ｎ Ｗ ａ ｅ ｏ ｎ ｄ ａ ｉ ｇ Ｆｉｌ ｉ ｔｒ
ＹＵ ｎ ＷＡＮＧ ｉｎ －ｎ，Ｉ Ｙａ ｇ， Ｊａ ｇ ａ ＪＡＮＧ Ｘｉｇｚ ｏ ｎ －ｈ ｕ
（ ｅａｍ ｎｏ Ｗ ａｏ ｎｉ ｅｎ ，ａＭＵ ｉ ｒｔｏ Ｅｇ ｅ ｉ ， ｕａ ３０３Ｃ ｉ ） Ｄ ｐｒ ｅｔｆ ｅｐｎ ｇ ｅｒｇＮｖ ｎ ｅ ｉ ｎｉ ｅｎ Ｗ ｈｎ ０３ ，ｈ ａ ｔ Ｅ ｎ ｉ ｖ ｓｙ ｆ ｎ ｒ ｇ ４ ｎ
水中激光致声 的机理有多种 ， 被极化 的水在光 激发下产生 电致伸缩 、 水吸收光能而发生的热膨胀
结果与实验结果有一定差异 ， 只有当 ｋ ， ｌ ， ｒｃ 时 脉 ｏｚ
冲球源 才可 以被 当作 点 源处 理 （０ 球 源半 径 ； ｒ是
作者简介 ： 扬 （ ９ ２一） 男 ， 士研究 生， 余 １８ ， 硕 研究方 向是 军用 目 标探测与制导技术。Ｅ ｍ ｒ ｙｙｎｗ ｒｉ ＠１３ ｃ — ａ ： ａｇ ｏ ｎ ６ ．ｏ ｌ ｕ ｋｇ ｍ 收稿 目期 ：０ ６ ）一８； ２ ０ ４５ｌ 修订 目期 ：０６ １—０ ２０ —２１
限性 ， 利用激光致声技术探测是一种新的可行 的探
达到水的介 电击穿阈值 时， 在水 中光柱聚焦的腔体 内会发生光击穿 。如果在腔体 内有微气泡 ， Ｊ 并且
有发光的等离子体， 这些等离子体吸收光能量 ， 使腔 体膨胀产生声波。激 光在水 中产 生声波 ， 压幅 其声 测手段 ， 这是由激光在水 中激发 的声脉冲在时间和 空间上都具有极高分辨率 的优点所决定 的， 而且激 值和介质的光吸收系数成比例。 在水 中， 击 穿 产 生 声 波 的 转 换 效 率 高 达 光 光致声效率高 ， 激发出的声脉冲频带宽 ， 所用设备体 ０ 则在 积小 ， 适用范围广 ， 因此激光致声技术具有重要的工 ３ ％。如能得到其产 生声波 的辐射声场分布， ｊ ４ 给出了一 程应用背景 】 。本文正是通过对激 光致声水 中辐 实际应用 中有着重要 的意义 。文献 ［ ］ 光击穿模 型）是在一条线段上均匀分 ， 射声场的方向性进行研究 。 为今后这一技术在军事 个理论模型（ 布着多个脉冲点源 ， 利用它从理论 和实验两方面研 领域的应用建立一定的理论基础 。 究了水中光击穿所激发的辐射声场的方向特性。但 ２ 水 中光击穿激发声波的机理
海洋中的声光现象
1914朗之万、康斯坦丁制成了静电式发射器和碳粒微音接收器，1918年采用这 一装置测到海底和200m深甲板上的回波。同时又用石英晶体做成压电式发射器 和接收器并采用真空管放大器，制成第一台回声定位仪，以后简称:声纳 （sonar: sound navigation and ranging)声导航和回声定位的英文缩写。
1.4、声波在海洋中的传播(Transmission of sound in sea)
典型水位条件下的声传播 波导型： 波导型： (dc/dz)>0，即声速随深度增加 ， 而增大，声线向上弯曲， 而增大，声线向上弯曲，在海面 或某层反射向前传播， 或某层反射向前传播，不存在海 底的吸收和散射， 底的吸收和散射，声能传播距离 远。多见于冬季浅海和深海 2000m以下。 在浅海亦称表面声 以下。 以下 道。声呐在浅海冬季比夏季传播 远。 反波导型： 反波导型： (dc/dz)<0，声线弯向海底，由 ，声线弯向海底， 于海底对声波的吸收和散射， 于海底对声波的吸收和散射，经 海底反射回来的声能减弱， 海底反射回来的声能减弱，且存 在声阴影区。 在声阴影区。声传播距离受到限 夏季浅海的“午后效应” 制。夏季浅海的“午后效应”。
二、声速c与海水中温、盐和压的关系 温
• 在海洋中，由公式(10－9)所给出的 ，ρ，βt等物理量与海水的温度、 在海洋中，由公式 － 所给出的 所给出的γ， ， 等物理量与海水的温度 等物理量与海水的温度、 盐度和压力有关。所以， 盐度和压力有关。所以，c=c(s,t,p), ρ=ρ(s,t,p), • 在海洋中，平均而言： 在海洋中，平均而言：
1.3 海洋声学特性(Acoustic character of ocean)
1、海水的声吸收(acoustic absorption)： 、海水的声吸收 ： 将声能变为不可逆的海水分子内能流体介质存 在粘滞性与导热性， 在粘滞性与导热性，介质因压缩变形而引起声能 耗散为机械能耗散。动态压缩时， 耗散为机械能耗散。动态压缩时，分子间的非弹 性碰撞使部分声能转变为热能， 性碰撞使部分声能转变为热能，通常称这部分声 吸收为由分子过程引起的声吸收。 吸收为由分子过程引起的声吸收 2、海面波浪的声散射(acoustic scatter)： 、海面波浪的声散射 ： 因不平整性、气泡和浮游生物的散射， 因不平整性、气泡和浮游生物的散射，声能弥 散到其他方向而损失。 散到其他方向而损失。
声波在水中的反射和折射规律是什么
声波在水中的反射和折射规律是什么当我们谈及声波在水中的传播时，反射和折射现象是两个至关重要的方面。
它们不仅影响着声波在水下环境中的传播路径和能量分布，还在众多领域，如海洋声学、声纳技术以及水下通信等方面有着广泛的应用。
首先，让我们来理解一下声波在水中反射的规律。
当声波遇到一个界面，比如从水到空气的界面，或者从一种水体到另一种具有不同声学特性的水体的界面时，一部分声波会被反射回来。
就好像你朝着一面墙大声呼喊，会听到回声一样。
反射的程度取决于两个关键因素。
一是界面两侧介质的声学阻抗差异。
声学阻抗可以简单理解为介质密度和声波在其中传播速度的乘积。
如果两种介质的声学阻抗相差越大，反射就越强；反之，反射则较弱。
比如说，水和空气的声学阻抗差异很大，所以当声波从水中传播到空气中时，绝大部分声波都会被反射回来。
二是入射角度。
当声波以垂直的角度入射到界面时，反射波的强度最大。
而随着入射角度的增大，反射波的强度会逐渐减小。
这就好比你把一个球直直地扔向墙壁，它会弹回来得很有力；但如果你斜着扔过去，弹回来的力量就会相对较小。
声波在水中的折射规律同样有趣且重要。
折射是指声波在穿过不同介质或者在同一种介质但具有不同物理特性的区域时，传播方向发生改变的现象。
想象一下，声波从一种较浅、温度较低的水域传播到较深、温度较高的水域。
由于温度和深度的变化会导致水的声学特性发生改变，比如声速不同，声波的传播方向就会发生弯曲。
折射的程度主要取决于两种介质中声速的差异。
如果声波从声速较慢的介质进入声速较快的介质，声波会向远离法线的方向折射；反之，如果从声速较快的介质进入声速较慢的介质，声波则会向靠近法线的方向折射。
在实际的水下环境中，声波的折射现象非常复杂。
水的温度、盐度、压力等因素都会影响声速，从而导致声波的折射路径变得曲折多变。
例如，在海洋中，由于温度和盐度的分层，声波可能会沿着复杂的路径传播，形成所谓的“声道”现象。
在声道中，声波能够传播很远的距离而能量损失相对较小，这对于水下通信和海洋声学研究具有重要意义。
激光在液体中的声效应研究
第36卷 第8期 激光与红外Vol.36,No.8 2006年8月 LASER & I N FRARE D August,2006 文章编号:100125078(2006)0820623204激光在液体中的声效应研究陈清明1,2,程祖海1(1.华中科技大学光电国家实验室,湖北武汉430074; 2.武汉理工大学理学院,湖北武汉430070)摘 要:以研究液体中激光声波的特点与应用为目的,从理论上分析脉冲激光在液体中产生的声波的波阵面、光声脉冲波形的特点,并用实验的方法观察脉冲CO2激光光声脉冲的波形、频谱特性及光击穿现象。
结果表明光声波的波阵面与吸收激光能量的媒质的形状有关;光声波的波形随激发机制而变化;CO2脉冲激光在水中通过热膨胀机制激发的声波能量主要分布在100kHz以下,光击穿时水面可以观察到微爆炸和亮光现象。
可以通过液体中光声效应现象和光声信号波形的变化判断其激发机制,并确定液体的汽化与光击穿阈值,控制激发过程以获得确定特性的光声信号。
关键词:光声效应;激发机制;光声信号波形;光声信号频谱;光击穿现象中图分类号:O437 文献标识码:AResearch of Laser Acousti c Effect i n L i qui dCHEN Q ing2m ing1,2,CHENG Zu2hai1(1.Nati onal Laborat ory f or op t oelectr onics,Huazhong University of Science and Technol ogy,W uhan430074;2.School of Science,W uhan University of Science and Technol ogy,W uhan430070,China)Abstract:To get the characteristics and app licati ons of laser acoustic effect in liquid,the shape of the wave fr ont andwavefor m were analyzed theoretically,and laser acoustic effect induced by pulsed C O2laser was acquired experi m en2tally.The results showed that acoustic wave fr ont was decided by the shape of the mediu m abs orbed the laser energy;the wavef or m of the laser acoustics changed with the exciting mechanis m;frequency s pectru m of acoustic wave in2duced by CO2laser in water showed that acoustic energy distributed under100kHz mainly,and lighting and m icr o2ex2p l oding were observed when op tics breakdown t ook p lace.I n conclusi on,exciting mechanis m s of s ound and thresholdsof liquid could be judged fr om the experi m ental phenomenon;s pecified laser acoustic signal could be gotten by con2tr olling the exciting p r ocess and conditi on.Key words:phot oacoustic effect;exciting mechanis m;wavef or m of laser acoustics;frequency s pectru m of laser a2coustics;op tics breakdown1 引 言强度调制或脉冲激光投射到媒质中,媒质吸收激光能量而激发出声波的效应称为光声效应。
海底声学特性
海底声学特性海底对从海水入射的声波的反射和散射海底声学特性，海底对从海水入射的声波的反射和散射，以及声波在海底沉积物中的传播速度和衰减等特性。
中文名：海底声学特性本质：声音在传播介质中的不同相关概念：声波传播速度和衰减分类：低声速海底，高声速海底介绍海底对声波在海中的传播，特别是对声波在浅海中的传播影响很大。
声波在海底沉积物中的传播速度，通常与频率没有明显的关系。
在平均粒径极小而孔隙率很大的稀薄沉积物中的声速，接近或低于海水中的声速。
在较密实的沉积物中的声速，随粒径的增加和孔隙率的减小而单调增加，且大于海水中的声速。
在固化程度较高的沉积层中，声波除纵波外，还有横波传播。
海底沉积物中的声衰减,主要由沉积物的粘滞性和摩擦产生,与沉积物的粒径和孔隙率也有关系。
在海底沉积物中，细砂、砂质粉砂和粉砂质砂的声衰减最大。
在同一沉积物中，声衰减随声波频率的增加而增加，在某个频率范围内，这种增加近似于线性关系。
海底的声反射和散射，主要和沉积物的分层结构有关，也与海底表面的粗糙程度有关。
若海底表层中的声速底于其上海水中的声速,这种海底称为低声速海底;反之，则称为高声速海底。
一般说来，前者的反射本领低于后者。
海底的声反射损失，一般随声波频率的增加而增加，它和声波入射角的关系与海底类型有关，对于低声速海底，有一个全透射角，声波在此角度下入射，多数声能透射入海底；若为高声速海底，则存在一个全反射角。
根据海底的声学特性，可以对海底沉积物进行声遥测分类。
例如，浅地层剖面仪就是利用沉积物各层的声学特性不同而引起的声波反射各异的特点，来测定海底地层的分层结构。
声遥测方法在近代海洋工程如海港和海上钻井采油等工程的地质勘探中，有很重要的作用。
水下声场的动态特性与测量技术
水下声场的动态特性与测量技术水下声场可真是个神秘又有趣的领域！就像一个隐藏在深海中的秘密世界。
想象一下，你潜入深深的海底，周围是一片寂静，但其实隐藏着无数的声音波动。
水下声场就像是这个隐藏世界的语言，它有着自己独特的动态特性，就像人的喜怒哀乐一样多变。
咱们先来说说水下声场的动态特性。
它可不是一成不变的哦，就像小孩子的心情，一会儿开心，一会儿又闹脾气。
比如说，在不同的深度，声音传播的速度和衰减程度都不一样。
浅水区和深水区就像是两个不同的“声音王国”。
在浅水区，声音可能传播得比较快，就像在平坦的大道上奔跑的汽车；而到了深水区，声音就像是遇到了曲折的山路，传播速度变慢，衰减也更厉害。
还有啊，不同频率的声音在水下的表现也大不相同。
低频声音就像个沉稳的长者，能传播得更远；高频声音则像个调皮的孩子，跑不了多远就累得没劲儿了。
这就好像在学校里，有的同学擅长长跑，能坚持很久；而有的同学短跑厉害，但耐力不足。
再说说水下环境的影响。
水温的变化就像是个爱捣乱的小鬼，一会儿让声音跑得快，一会儿又把声音拖住。
海底的地形也是个重要因素，比如遇到陡峭的悬崖或者平坦的海底平原，声音的传播都会受到影响。
这就好比我们在爬山的时候，声音在陡峭的地方容易被挡住，在平坦的地方就能传得更远。
那怎么测量水下声场呢？这可不是个简单的活儿。
就像我们要测量一个调皮孩子的行踪一样，得有巧妙的办法。
一种常见的方法是用水听器。
这东西就像是水下的“耳朵”，专门捕捉声音的信号。
不过，选择合适的水听器可不容易，就像选一双合脚的鞋子，得考虑它的灵敏度、频率响应等好多因素。
有时候，为了更准确地测量，还得把好多水听器组成一个阵列，就像一群小伙伴手拉手一起工作。
还有一种方法是利用声学模型。
这就像是给水下声场画一幅地图，通过各种数学公式和计算，来预测声音的传播和变化。
但这可不像在纸上画画那么简单，需要对海洋环境有非常深入的了解，不然画出来的“地图”可就不准啦。
我记得有一次，我跟着一个科研团队去海边做水下声场的测量实验。
水下光击穿所激发的脉冲声波
水下光击穿所激发的脉冲声波
王国宇;戚诒让
【期刊名称】《海洋技术》
【年(卷),期】1989(008)003
【摘要】本文研究了水下光击穿时所激发的声脉冲在低频段的频谱、频谱曲线在60kHz附近有一个明显的峰,给出了一个频谱的表达式,它与实验结果吻合较好。
【总页数】6页(P39-44)
【作者】王国宇;戚诒让
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】O427.2
【相关文献】
1.加压去离子水短脉冲击穿特性的初步研究 [J], 贾伟;邱爱慈;孙凤举;郭建明
2.直流电致发光器件在脉冲电压激发下光电特性的测量 [J], 陈连春;郑著宏
3.脉冲激光在液体中激发的声波特性研究 [J], 陈清明
4.百纳秒脉冲下水压对水开关击穿特性的影响 [J], 贾伟;邱爱慈;孙凤举;郭建民
5.正弦脉冲激光激发声波的热膨胀机制理论 [J], 李秋实;罗洪;胡永明;倪明
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2.1.3海洋的声学特性 - 海洋的声学特性
第2章 海洋的声学特性第二讲 海底和海面的声学特性2.3 海底海底结构、地形和沉积层是影响声波传播的重要因素，它对声波的吸收、散射和反射等声学特性，关系到水声设备作用距离底远近。
实验研究表明，海底声波反射系数与海底地形有明显的依赖关系。
对于高于几千赫频率的声波，海底粗糙度是影响声波反射的主要作用。
右图给出不同频率，深海平原的反向散射强度与入射角的关系。
反向散射强度s m ：单位界面上单位立体角中所散射出去的功率与入射波强度之比。
注意：朝声源方向上的声散射。
规律：✧在小入射角θ时，散射强度随θ的减小而增加。
✧在入射角 5>θ时，散射强度s m lg 10近似与θ2cos 成正比。
✧在小入射角时，散射强度一般与频率无关；✧在大入射角时，散射强度可能与频率的四次方乘正比。
右图为非常粗糙海底上的反向散射强度与入射角的关系：✧反向散射强度基本上与入射角和频率无关。
1、海底沉积层海底沉积层：覆盖海底之上的一层非凝固态（处于液态和固态之间）的物质。
下面介绍海底沉积层的物理性质：沉积物密度（质饱和容积密度）等于：()sw n n ρρρ-+=1式中，孔隙度n 是指沉积物体积中含有水分体积的百分数；w ρ为孔隙水密度，也可认为与海底的海水密度相等，取3/024.1cm g w =ρ；s ρ为无机物固体密度。
孔隙度n 大小有许多因素决定，如无机物的大小、形状和分布，矿物成分，沉积物构造和固体颗粒的紧密程度等。
常识：深海平原和丘陵，粉砂粘土是主要沉积物类型，深海平原3/333.1cm g ≈ρ，深海丘陵3/344.1cm g ≈ρ。
沉积层中有压缩波速度（声速）c 和切变波速度s c 两种：ρG E c 34+= ρG c s =式中，E 和G 为沉积层的弹性模量和刚性（切变）模量。
孔隙度是可以测量和计算的量，因此可以预报声速值。
ρ与n 呈线性关系，因此声速和ρ之间关系与声速和n 之间关系相同。
Hamilton 给出三种不同类型沉积物的声速、密度和孔隙度的实验值。
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水下光击穿所激发的声场的方向特性
水下光击穿所激发的声场的方向特性：
1、定义
水下光击穿是一种光击穿技术，利用击穿瞬间产生的热特性来刺激水里的空气泡，从而激发声场的方向特性。
通常，当有光源击射在水下时，空气泡会形成并产生声波，形成声压波并向四周扩散。
2、特点
水下光击穿激发的声场的方向特性主要取决于空气泡的形成方式，空气泡的大小以及空气泡对外界声波的反射效率。
特别是当光能量被用在聚焦空间里时，空气泡就会形成一个群体，而空气泡越多，反射声波就会越强，从而使整个声场的方向特性变得更为明显。
此外，水下光击穿激发的声场还可以根据水深、击穿瞬间产生的热量等因素来改变其方向特性。
如果水深较大，则反射出的声波将会更加具有方向性，而当击穿瞬间产生的热量增大时，则空气泡的群体数量会增加，从而使反射声波也随之增强。
3、应用
水下光击穿激发的声场的方向特性可用于各种应用场合，比如舰船跟踪、水下空域监视、海底地形探测以及海底探索等等。
例如，在舰船跟踪上，可以利用水下光击穿技术改善舰船定位精度，而在水下空域侦查中，则可以利用水下光击穿技术加强声场定位和检测范围，以形成可靠的海底空域图像。
此外，水下光击穿技术还可用于海底地形探测、海底探索等军事调查或商业调查。
总体而言，水下光击穿激发的声场的方向特性取决于击穿瞬间产生的热量、空气泡的形成方式以及空气泡对声波反射效率等因素，可用于各种应用场合，通过改变与之相关的参数，来调节水下光击穿激发的声场的方向特性，从而有效解决实际应用中棘手难题。