Диссертация (1104104), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Îöåíêà øèðèíû óäàðíîãî ôðîíòà ïðîâîäèëàñü ïóò¼ì ñðàâíåíèÿ òåíåâûõ êàðòèí, ïîëó÷åííûõâ ýêñïåðèìåíòå, è ðàññ÷èòàííûõ ñ ïîìîùüþ ìåòîäîâ ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòîâîãî ïó÷êà ÷åðåç óäàðíûé ôðîíò N -âîëíû. Çàòåì êîìáèíàöèÿ ÷èñëåííîãîìîäåëèðîâàíèÿ ðàñïðîñòðàíåíèÿ N -âîëíû â ðåëàêñèðóþùåé ñðåäå è àêóñòè÷åñêèõ èçìåðåíèé ìèêðîôîíîì èñïîëüçîâàëàñü äëÿ õàðàêòåðèçàöèè ïîëÿ èñêðîâîãî èñòî÷íèêà. Íåñìîòðÿ íà òî, ÷òî òåíåâîé ìåòîä ïîçâîëèë ñ äîñòàòî÷íûì âðåìåííûì ðàçðåøåíèåì ïðîïèñàòüñòðóêòóðó ïåðåäíåãî ôðîíòà N -âîëíû, åãî ÷óâñòâèòåëüíîñòè îêàçàëîñü íåäîñòàòî÷íî, ÷òîáû âîññòàíîâèòü âåñü ïðîôèëü èìïóëüñà.
Ïðè÷èíà ýòîãî çàêëþ÷àëàñü â òîì, ÷òî òåíåâîéìåòîä "÷óâñòâèòåëåí" êî âòîðîé ïðîèçâîäíîé äàâëåíèÿ, òî åñòü ïîçâîëÿåò âîññòàíàâëèâàòüñòðóêòóðó ðàçðûâîâ â âîëíå, íî íå ïëàâíûõ èçìåíåíèé äàâëåíèÿ.Äëÿ êîëè÷åñòâåííîãî âîññòàíîâëåíèÿ ïðîôèëåé ðàçðûâíûõ âîëí îò âçðûâíûõ èñòî÷íèêîâ â ðàáîòå [73] áûë ðåàëèçîâàí ìåòîä ãîëîãðàôè÷åñêîé èíòåðôåðîìåòðèè, íî ðàçðåøåíèå è òî÷íîñòü âîññòàíîâëåííûõ ñèãíàëîâ îêàçàëèñü çíà÷èòåëüíî íèæå, ÷åì â ñëó÷àåèçìåðåíèé ìèêðîôîíîì. Ïðèíöèïèàëüíàÿ âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ ìåòîäà ëàçåðíîéèíòåðôåðîìåòðèè äëÿ èçìåðåíèÿ âûñîêîàìïëèòóäíûõ êîðîòêèõ àêóñòè÷åñêèõ èìïóëüñîââ âîçäóõå áûëà ïîêàçàíà â ðàáîòå [74], îäíàêî êîëè÷åñòâåííîãî àíàëèçà â öèòèðîâàííîéðàáîòå âûïîëíåíî íå áûëî.Öåëü äàííîé ãëàâû - ïîêàçàòü, ÷òî îïòè÷åñêèå ìåòîäû èçìåðåíèé - øëèðåí-ìåòîäè ìåòîä, îñíîâàííûé íà èñïîëüçîâàíèè èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà-Öåíäåðà - ïîçâîëÿþò ïîëíîñòüþ îõàðàêòåðèçîâàòü ïðîôèëü äàâëåíèÿ â ñôåðè÷åñêîé ðàñõîäÿùåéñÿ N -âîëíå, ñîçäàâàåìîé èñêðîâûì èñòî÷íèêîì â âîçäóõå [12, 14].
Îáà îïòè÷åñêèõ ìåòîäà èñïîëüçóþòñâÿçü ìåæäó ðàñïðåäåëåíèåì èíòåíñèâíîñòè ñâåòà íà øëèðåí-èçîáðàæåíèè, ëèáî íà èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíå, ñ ðàñïðåäåëåíèåì äàâëåíèÿ â àêóñòè÷åñêîé âîëíå ïîñðåäñòâîìïðåîáðàçîâàíèÿ Àáåëÿ.  ñëó÷àå âîññòàíîâëåíèÿ ñèãíàëà ïî èçìåðåíèÿì øëèðåí-ñèñòåìîé ïðåîáðàçîâàíèå Àáåëÿ ñîäåðæèò íåèçâåñòíûé íîðìèðîâî÷íûé ìíîæèòåëü, ÷òî ïîçâîëÿåò âîññòàíàâëèâàòü òîëüêî áåçðàçìåðíûå ïðîôèëè N -âîëíû. Óðîâíè äàâëåíèÿ â âîëíåîïðåäåëÿþòñÿ ïî àíàëèçó óâåëè÷åíèÿ å¼ äëèòåëüíîñòè çà ñ÷¼ò ïðîÿâëåíèÿ íåëèíåéíûõýôôåêòîâ. Èíòåðôåðîìåòð Ìàõà-Öåíäåðà ïî ñóòè ÿâëÿåòñÿ ëàçåðíûì ìèêðîôîíîì, òàêêàê ïîçâîëÿåò ñðàçó êîëè÷åñòâåííî âîññòàíîâèòü ïðîôèëü äàâëåíèÿ N -âîëíû. Âðåìåííîå16ðàçðåøåíèå âîññòàíîâëåííîãî ñèãíàëà â 6 ðàç ïðåâîñõîäèò ðàçðåøåíèå ïðè èçìåðåíèÿõêîíäåíñàòîðíûìè ìèêðîôîíàìè, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü äàííûé îïòè÷åñêèé ìåòîääëÿ êàëèáðîâêè àêóñòè÷åñêèõ ìèêðîôîíîâ.1.2. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà äëÿ îïòè÷åñêèõèçìåðåíèé ñ ïîìîùüþ øëèðåí-ñèñòåìû1.2.1. Âèçóàëèçàöèÿ óäàðíûõ ôðîíòîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì øëèðåí-ìåòîäàØëèðåí-ìåòîä ÿâëÿåòñÿ øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûì ìåòîäîì âèçóàëèçàöèè îïòè÷åñêèõ íåîäíîðîäíîñòåé â ïðîçðà÷íûõ ïðåëîìëÿþùèõ ñðåäàõ [65, 75].
Ýòîò ìåòîä áûë ðåàëèçîâàí íåìåöêèì ó÷åíûì À. Ò¼ïëåðîì óæå â 1867 ã. Ñóòü ìåòîäà ïðîèëëþñòðèðîâàíàíà ðèñ. 1.1. Ïó÷îê ëó÷åé îò òî÷å÷íîãî èëè ùåëåâîãî èñòî÷íèêà ñâåòà (1) íàïðàâëÿåòñÿëèíçîé èëè ñèñòåìîé ëèíç è çåðêàë (2-2 ) ÷åðåç èññëåäóåìûé îáúåêò (3) è ôîêóñèðóåòñÿíà íåïðîçðà÷íîé øèðìå (5) ñ îñòðîé êðîìêîé (ò.í. íîæ Ôóêî) òàê, ÷òî èçîáðàæåíèå èñòî÷íèêà ïðîåêòèðóåòñÿ íà ñàìîì êðàþ øèðìû. Åñëè â èññëåäóåìîì îáúåêòå íåò îïòè÷åñêèõíåîäíîðîäíîñòåé, òî âñå ëó÷è çàäåðæèâàþòñÿ øèðìîé. Ïðè íàëè÷èè îïòè÷åñêîé íåîäíîðîäíîñòè (4) ëó÷è áóäóò îòêëîíÿòüñÿ, è ÷àñòü èõ ïðîéä¼ò âûøå êðàÿ øèðìû.
Ïîñòàâèâçà øèðìîé ïðîåêöèîííûé îáúåêòèâ (6), ìîæíî ñïðîåöèðîâàòü ýòè ëó÷è íà ýêðàí (7) èïîëó÷èòü èçîáðàæåíèå (8) òåõ íåîäíîðîäíîñòåé, êîòîðûå ðàññåèâàëè ëó÷è. Íàëè÷èå íîæà(5) â äàííîé ñõåìå îáåñïå÷èâàåò òåìíûé ôîí íà ýêðàíå (7), ÷òî ïîçâîëÿåò óâèäåòü íà íåìñâåòëîå èçîáðàæåíèå íåîäíîðîäíîñòåé (8). Åñëè â äàííîé ñõåìå íîæ (5) óáðàòü, òî âñåëó÷è, ïðîõîäÿùèå ÷åðåç ëèíçó (2 ), äîñòèãíóò ýêðàíà (7), è èçîáðàæåíèå íåîäíîðîäíîñòèòðóäíî áóäåò ðàçëè÷èòü íà ñâåòëîì ôîíå.Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè àêóñòè÷åñêîé âîëíû â ñðåäå ñîçäàþòñÿ îáëàñòè ðàçðåæåíèÿ èñæàòèÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê ëîêàëüíûì èçìåíåíèÿì ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñðåäû, òî åñòüê âîçíèêíîâåíèþ îïòè÷åñêèõ íåîäíîðîäíîñòåé. Åñëè â ïðîôèëå àêóñòè÷åñêîé âîëíû èìåþòñÿ ðàçðûâû, òî ïðè åå ðàñïðîñòðàíåíèè â ñðåäå áóäóò âîçíèêàòü áîëüøèå ãðàäèåíòûÐèñ.
1.1. Ñõåìà øëèðåí-ñèñòåìû. 1 òî÷å÷íûé èñòî÷íèê ñâåòà, 2-2 ñèñòåìà ëèíçèëè çåðêàë, 3 èññëåäóåìûé îáúåêò, 4 îïòè÷åñêàÿ íåîäíîðîäíîñòü, 5 íîæ Ôóêî,6 - îáúåêòèâ, 7 - ýêðàí, 8 - èçîáðàæåíèå íåîäíîðîäíîñòåé. Ðèñóíîê âçÿò ïî ññûëêå:dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2531/.17ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ â îáëàñòè, ãäå íàõîäèòñÿ ðàçðûâ. Ýòî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòüøëèðåí-ìåòîä äëÿ îïòè÷åñêîé âèçóàëèçàöèè óäàðíûõ ôðîíòîâ àêóñòè÷åñêèõ âîçìóùåíèé.Òåíåâûå êàðòèíû, ïîëó÷åííûå ñ ïîìîùüþ øëèðåí-ìåòîäà, îòðàæàþò ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ïðîèçâîäíûõ â ïðîôèëå àêóñòè÷åñêîé âîëíû äëÿ êàæäîé òî÷êè ïðîñòðàíñòâà [ 65],òî åñòü ïîêàçûâàþò ïîëîæåíèå óäàðíîãî ôðîíòà â îïðåäåëåííûé ìîìåíò âðåìåíè.1.2.2. Ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêàÑõåìà øëèðåí-ñèñòåìû äëÿ îïòè÷åñêèõ èçìåðåíèé ïðîôèëåé àêóñòè÷åñêèõ èìïóëüñîâ, ãåíåðèðóåìûõ èñêðîâûì èñòî÷íèêîì, ïîêàçàíà íà ðèñ.
1.2. Èñêðîâîé ðàçðÿäíûé èñòî÷íèê ïðåäñòàâëÿë èç ñåáÿ äâà âîëüôðàìîâûõ ýëåêòðîäà ñ çàçîðîì 2 ñì, íà êîòîðûåïîäàâàëîñü íàïðÿæåíèå 15-18 ê (ðèñ. 1.3 (à)), ÷àñòîòà ïîâòîðåíèÿ èñêðîâîãî ðàçðÿäàñîñòàâëÿëà 1 Ãö. Ìåæäó ýëåêòðîäàìè èñòî÷íèêà ïðîñêàêèâàëà èñêðà, ïîðîæäàþùàÿ ñôåðè÷åñêè ðàñõîäÿùóþñÿ N -âîëíó, êîòîðàÿ ïî ìåðå ñâîåãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïðèâîäèëà êëîêàëüíûì èçìåíåíèÿì ïëîòíîñòè âîçäóõà è, êàê ñëåäñòâèå, ê íåîäíîðîäíîìó ðàñïðåäåëåíèþ îïòè÷åñêîãî ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ (ñõåìàòè÷åñêè èçîáðàæåíî îòòåíêàìè ñåðîãî öâåòà íà ðèñ. 1.2). Ðàñïðåäåëåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ âèçóàëèçèðîâàëîñü ñ ïîìîùüþ îïòè÷åñêîé øëèðåí-ñèñòåìû, ñîñòîÿùåé èç èñòî÷íèêà íåïðåðûâíîãî áåëîãî ñâåòà(ãàëîãåííàÿ ëàìïî÷êà), óñòàíîâëåííîãî â ãåîìåòðè÷åñêîì ôîêóñå ñôåðè÷åñêîãî çåðêàëàñ ðàäèóñîì êðèâèçíû 1.4 ì, äåëèòåëÿ ïó÷êà, îïòè÷åñêîãî íîæà (ëåçâèå áðèòâû) è âûñîêîñêîðîñòíîé êàìåðû Phantom V12 CMOS ñ ñèñòåìîé ëèíç.
×òîáû èñòî÷íèê ñâåòà èìåëось yискровойисточникyrвысокоскоростнаякамераударныйимпульснож Фукоxделительпучкасферическое зеркалоисточникбелого светаось xÐèñ. 1.2. Èëëþñòðàöèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîé øëèðåí-ñèñòåìû, âèä ñâåðõó âäîëü îñè z . Óäàðíûå èìïóëüñû ãåíåðèðóþòñÿ 15 ê èñêðîâûì èñòî÷íèêîì, ðàñïîëîæåííûì ïðè r = 0.
Âàðèàöèè îïòè÷åñêîãî ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàíû ãðàäèåíòîì ñåðîãî öâåòà.Îïòè÷åñêàÿ øëèðåí-ñèñòåìà ñîñòîèò èç èñòî÷íèêà íåïðåðûâíîãî ñâåòà, äåëèòåëÿ ïó÷êà, ñôåðè÷åñêîãî çåðêàëà, îïòè÷åñêîãî íîæà (íîæ Ôóêî) è âûñîêîñêîðîñòíîé êàìåðû Phantom V12CMOS. Òðàåêòîðèÿ ñâåòîâîãî ëó÷à â îòñóòñòâèè àêóñòè÷åñêîé âîëíû ïîêàçàíà îðàíæåâûìöâåòîì.18ìåíüøóþ ïðîòÿæåííîñòü è ÿâëÿëñÿ ñ õîðîøèì ïðèáëèæåíèåì òî÷å÷íûì, ê íåìó ïðèêëåèâàëàñü ìåòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíà ñ êðóãëûì îòâåðñòèåì äèàìåòðîì 2 ìì (ðèñ. 1.3 (á)).Íà ïóòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòîâîãî ëó÷à ïîìåùàëñÿ äåëèòåëü ïó÷êà, ñîñòîÿùèé èç ñòåê а)б)ëÿííîé ïëàñòèíû òîëùèíîé 1 ìì, âìîíòèðîâàííîé ïîä óãëîì 45◦ â ïëàñòèêîâûé êîðïóñ.источниксветаÏîñëå äâóõêðàòíîãî ïðîõîæäåíèÿ ñâåòà ÷åðåçèññëåäóåìóþ îáëàñòü îïòè÷åñêèõ íåîäíîðîäíîñòåé, ëó÷è ñâåòà ïîïàäàþò íà îïòè÷åñêèéíîæ. Òà ÷àñòü ëó÷åé, êîòîðàÿ îòêëîíèëàñü îòñâîåé íà÷àëüíîé òðàåêòîðèè, îãèáàåò ëåçâèåíîæà è ïîïàäàåò â îáúåêòèâ âûñîêîñêîðîñòÐèñ.
1.3. (à) Èñêðîâîé ðàçðÿäíûé èñòî÷íîé êàìåðû, ôîðìèðóÿ øëèðåí-èçîáðàæåíèå. íèê, (á) èñòî÷íèê ñâåòà è äåëèòåëü ïó÷êà.Äâîéíîå ïðîõîæäåíèå ëó÷åé ÷åðåç èññëåäóåìóþ îáëàñòü ïîâûøàåò êîíòðàñòíîñòü èçîáðàæåíèÿ, ïðè÷åì ÿðêîñòü èçîáðàæåíèÿ ïðîïîðöèîíàëüíà ãðàäèåíòó àêóñòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ [65].1.3. Âîññòàíîâëåíèå ïðîôèëÿ N -âîëíû ïî ðàñïðåäåëåíèþèíòåíñèâíîñòè øëèðåí-èçîáðàæåíèÿ äàííîì ïàðàãðàôå áóäåò îïèñàí àëãîðèòì âîññòàíîâëåíèÿ ïðîôèëÿ äàâëåíèÿ N âîëíû, ïîðîæäàåìîé èñêðîâûì èñòî÷íèêîì â âîçäóõå, ïî èíòåíñèâíîñòè øëèðåí-èçîáðàæåíèÿ. Ïðåäëàãàåìûé àëãîðèòì âêëþ÷àåò â ñåáÿ äâà ýòàïà.
Ñíà÷àëà ïî ðàñïðåäåëåíèþèíòåíñèâíîñòè øëèðåí-èçîáðàæåíèÿ âîññòàíàâëèâàåòñÿ áåçðàçìåðíûé ïðîôèëü âîëíû. Çàòåì óðîâíè äàâëåíèÿ â âîëíå îïðåäåëÿþòñÿ ïóòåì àíàëèçà èçìåíåíèÿ äëèòåëüíîñòè ôàçûñæàòèÿ èìïóëüñà íà ðàçëè÷íûõ ðàññòîÿíèÿõ îò èñòî÷íèêà.1.3.1. Àëãîðèòì âîññòàíîâëåíèÿ áåçðàçìåðíîãî ïðîôèëÿ N -âîëíû ñ ïîìîùüþïðåîáðàçîâàíèé ÀáåëÿÂîçìóùåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n ñðåäû ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé àêóñòè÷åñêîãî äàâëåíèÿ p èëè ïëîòíîñòè ρ â ñîçäàþùåé ýòî âîçìóùåíèå âîëíå. Ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿñâÿçàí ñ ïëîòíîñòüþ âîçäóõà ÷åðåç êîíñòàíòó Ãëýäñòîíà K [66]: n + n0 = 1 + K(ρ0 + ρ),ãäå n0 ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ âîçäóõà â îòñóòñòâèè âîçìóùåíèé, ρ0 íåâîçìóùåííàÿïëîòíîñòü âîçäóõà, ρ âîçìóùåíèÿ ïëîòíîñòè, âûçâàííûå àêóñòè÷åñêîé âîëíîé è K êîíñòàíòà Ãëýäñòîíà.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
