本發(fā)明屬于超聲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同時(shí)觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場的光學(xué)裝置和方法。

背景技術(shù)：

聲場的成像和測量廣泛應(yīng)用于超聲檢測和超聲醫(yī)療，包括超聲檢測方法研究過程中，需要知道超聲入射液固界面后，隨著時(shí)間的變化，流體和固體中聲場的變化情況，所以得到同一時(shí)刻流體和固體中聲波的分布及其隨時(shí)間的變化先得尤為重要。

傳統(tǒng)的測量方法都具有一定的局限性，常見的測量方法有：

(1)水聽器法：適用于各種流體中聲場的測量。但該方法屬于侵入式測量方法，由于水聽器要預(yù)先校準(zhǔn)；水聽器的引入使原來的聲場發(fā)生變化，此法測量誤差較大，尤其是高頻聲場的定量測量，且測量聲壓分布時(shí)效率較低；

(2)基于輻射力天平測量的方法：連續(xù)聲波垂直入射于反射靶，測量靶上接收到的聲輻射力，計(jì)算聲功率。該方法只能測量平面活塞換能器和圓孔徑球面聚焦超聲換能器向流體中輻射連續(xù)聲波的聲功率，不能用于聲場成像。

(3)量熱法測量聲功率：超聲對高吸收物質(zhì)作用后產(chǎn)生的熱量引起溫度升高，測量溫升，經(jīng)校準(zhǔn)和計(jì)算，得到流體中的聲功率，不能用于聲場成像。

(4)自易法和互易法：對于互易的電聲換能器，其接收靈敏度和發(fā)送響應(yīng)之比為一常數(shù)，即為互易常數(shù)，分別測量若干對發(fā)射換能器-接收換能器排列對的換能器轉(zhuǎn)移阻抗，應(yīng)用互易常數(shù)可計(jì)算得到換能器的發(fā)送響應(yīng)。進(jìn)而理論計(jì)算出流體中的聲場強(qiáng)度，不能觀測聲場。

(5)michelson干涉條紋法：聲場引起媒質(zhì)折射率的變化進(jìn)而影響michelson干涉條紋的變化，通過分析干涉條紋的變化，計(jì)算聲壓；或者通過michelson干涉儀測量聲輻射面的振幅估算換能器輻射聲壓。但是該方法只適合于流體中50khz以下低頻超聲場的測量，0.3mhz以上的高頻聲場的定量測量比較困難。

(6)光彈法：利用透明固體中的光彈效應(yīng)觀測透明固體中的聲場及其動(dòng)態(tài)變化，但不能同時(shí)觀測到透明流體中的聲場，不能同時(shí)得到某一時(shí)刻流體和固體中的聲場分布圖。

(7)schlieren法：利用透明流體中的壓光效應(yīng)觀測透明流體中的聲場及其動(dòng)態(tài)變化，但不能同時(shí)觀測到透明固體中的聲場，不能同時(shí)得到某一時(shí)刻流體和固體中的聲場分布圖。

在進(jìn)行超聲無損檢測中，沿液固界面?zhèn)鞑サ某暡〝y帶了流體和固體的材料特性、液固界面結(jié)構(gòu)特性及固體靠近界面部分存在缺陷等信息，研究液固界面聲波的傳播特性，探索通過界面波獲取流體和固體材料特性信息對生產(chǎn)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供了一種能夠同時(shí)觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場的光學(xué)裝置和方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的之一提供，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種同時(shí)觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場的光學(xué)裝置，包括透明流體與透明固體，及對流體與固體產(chǎn)生聲場的換能器；在流體與固體之前依次放置有中心與該兩相界面平齊的激光器、發(fā)射透鏡、準(zhǔn)直透鏡、起偏器、第一1/4波片；在流體與固體之后放置有中心與該兩相界面平齊的分光鏡；所述分光鏡將攜帶透明流體和透明固體內(nèi)部聲場信息的光分成兩束，一束依次通過會(huì)聚透鏡、空間濾波器、成像透鏡后到達(dá)流體聲場成像圖像傳感器，用于觀測流體中的聲場；另一束依次通過第二1/4波片和檢偏器后到達(dá)固體聲場成像圖像傳感器，得到固體中聲場的像；

所述固體聲場成像圖像傳感器與流體聲場成像圖像傳感器的信號輸出端均與控制電腦通信連接，所述控制電腦與信號發(fā)生器、激勵(lì)信號放大器順次通信連接，所述激勵(lì)信號放大器與換能器通信連接以激勵(lì)換能器發(fā)射聲波。

優(yōu)選的，當(dāng)透明流體為液體時(shí)，所述透明流體置于以透明固體為底，豎直的玻璃面為壁的槽內(nèi)。從而最大程度上的減少在光路上引入反射透射面。

優(yōu)選的，所述換能器輻射的聲波方向與激光器的光傳播方向垂直。

優(yōu)選的，所述分光鏡通過反射鏡將其中一束光束入射到第二1/4波片和檢偏器上。

優(yōu)選的，所述空間濾波器位于會(huì)聚透鏡焦點(diǎn)處。

優(yōu)選的，所述檢偏器與起偏器偏振方向垂直。

優(yōu)選的，所述固體聲場成像圖像傳感器與流體聲場成像圖像傳感器同時(shí)曝光且曝光時(shí)間相同，對得到的兩張照片進(jìn)行拼接形成該曝光時(shí)刻流體和固體內(nèi)的聲場。

本發(fā)明的目的之二是提供一種上述光學(xué)裝置同時(shí)觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場的方法，包括如下步驟：

s1、根據(jù)所述光學(xué)裝置調(diào)整光路，使透明流體與透明固體的兩相界面與激光器、發(fā)射透鏡、準(zhǔn)直透鏡、起偏器、第一1/4波片、分光鏡在同一光路上；所述分光鏡將攜帶透明流體和透明固體內(nèi)部聲場信息的光分成兩束；

s2、其中一束光依次通過會(huì)聚透鏡、空間濾波器、成像透鏡后到達(dá)流體聲場成像圖像傳感器，用于觀測流體中的聲場；

s3、另一束光依次通過第二1/4波片和檢偏器后到達(dá)固體聲場成像圖像傳感器，得到固體中聲場的像；所述檢偏器與起偏器偏振方向垂直；

s4、通過控制電腦控制激勵(lì)信號發(fā)生器發(fā)出激勵(lì)信號，經(jīng)激勵(lì)信號放大器放大后激勵(lì)換能器發(fā)射聲波，調(diào)節(jié)固體聲場成像圖像傳感器、流體聲場成像圖像傳感器曝光起始時(shí)刻與激勵(lì)信號發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間差，得到不同時(shí)刻流體和固體內(nèi)部聲場的圖像；

s5、將得到的相同時(shí)刻曝光的流體和固體中聲場的圖像采用后處理拼接的方法拼接成一幅圖像，得到某時(shí)刻流體和固體中聲場的圖像；

s6、將不同時(shí)刻流體和固體中聲場的圖像拼接，形成動(dòng)畫，可以觀測聲波在兩相界面的動(dòng)態(tài)傳播特性。

優(yōu)選的，在步驟s2中：

s20、調(diào)節(jié)空間濾波器至?xí)弁哥R焦點(diǎn)處，并調(diào)節(jié)空間濾波器使其擋掉原始光路在空間濾波器所在平面形成的圓斑；

s21、根據(jù)放大倍數(shù)需求調(diào)節(jié)成像透鏡的焦距并調(diào)節(jié)成像透鏡與空間濾波器之間的距離以及成像透鏡與流體聲場成像圖像傳感器之間的距離。

本發(fā)明的有益效果在于：

1)本發(fā)明利用流體中聲場引起光的傳播方向改變，通過空間濾波技術(shù)擋掉傳播方向未改變的光，得到流體中聲場的像，另一方面，利用固體中聲場改變光的偏振方向，通過檢偏后得到攜帶固體中聲場信息的光，進(jìn)行成像，觀測固體中的聲場，從而實(shí)現(xiàn)某一時(shí)刻，固體和流體中聲場的成像，使得本發(fā)明能夠同時(shí)分別觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場，并且，透明固體中的聲場和透明流體中的聲場同時(shí)非侵入式成像，不會(huì)對透明流體和透明固體內(nèi)部聲場產(chǎn)生干擾，獲得的聲場圖像更為精準(zhǔn)。

2)本發(fā)明既可得到瞬時(shí)的聲場狀態(tài)，亦可得到連續(xù)的聲場動(dòng)態(tài)變化，提供了更為精確、全面的透明流體和透明固體內(nèi)部聲場信息。

3)本發(fā)明能夠獲得透明流體和透明固體兩相界面的聲場圖像，為兩相界面聲波傳播特性的研究提供了可靠保障，同時(shí)對探索通過界面波獲取流體和固體材料特性信息具有重要指導(dǎo)意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置及方法的示意圖。

圖2為本發(fā)明透明流體與透明固體的示意圖。

圖中標(biāo)注符號的含義如下：

001換能器；002激光器；003發(fā)射透鏡；004準(zhǔn)直透鏡；005起偏器；006第一1/4玻片；007透明流體；008聲波；009透明固體；010槽；011分光鏡；012反射鏡；013第二1/4玻片；014檢偏器；015固體聲場成像圖像傳感器；016會(huì)聚透鏡；017空間濾波器；018成像透鏡；019流體聲場成像圖像傳感器；020控制電腦；021信號發(fā)生器；022激勵(lì)信號放大器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種同時(shí)觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場的光學(xué)裝置

當(dāng)透明流體為液體時(shí)，如圖1所示，包括透明流體007與透明固體009，為了最大程度上的減少在光路上引入反射透射面，如圖2所示，透明流體007置于以透明固體009整體為底、豎直的玻璃面為壁而形成的槽010內(nèi)，對槽010內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生聲場的換能器001；在槽010前依次放置有中心與兩相界面平齊的激光器002、發(fā)射透鏡003、準(zhǔn)直透鏡004、起偏器005、第一1/4波片006，在槽后放置有中心與兩相界面平齊的分光鏡011；所述分光鏡011將攜帶透明流體和透明固體內(nèi)部聲場信息的光分成兩束光，一束依次通過會(huì)聚透鏡016、空間濾波器017、成像透鏡018后到達(dá)流體聲場成像圖像傳感器019，用于觀測流體中的聲場；另一束依次通過第二1/4波片013和檢偏器014后到達(dá)固體聲場成像圖像傳感器015，得到固體中聲場的像；

流體中的聲場不會(huì)影響固體中聲場的成像，固體中聲場不會(huì)影響流體中聲場的成像：固體改變光的傳播方向非常微弱，可以忽略，所以通過空間濾波后得到流體中聲場的像，當(dāng)聲壓在線性范圍內(nèi)時(shí)，像的相對亮度和聲場的強(qiáng)度一一對應(yīng)；而流體中聲波對光偏振方向的改變可以忽略，所以通過檢偏器后得到固體中聲場的像，當(dāng)聲壓在線性范圍內(nèi)時(shí)，像的相對亮度和聲場的強(qiáng)度一一對應(yīng)；

具體的，關(guān)于分光鏡011分成的兩束光，透明固體中的聲場和透明流體中的聲場同時(shí)非侵入式成像：流體中的聲場引起平行光的傳播方向發(fā)生改變，光通過會(huì)聚透鏡016聚焦在會(huì)聚透鏡016后焦面，沒有攜帶聲場信息的光會(huì)聚于焦點(diǎn)處，通過設(shè)置光闌擋掉該部分光，讓其余光通過，并由后續(xù)透鏡系統(tǒng)進(jìn)行聲場成像；固體中的聲場改變光的偏振方向，將檢偏器014與起偏器005偏振方向設(shè)為垂直，攜帶固體中聲場信息的光通過分光鏡011以及反射鏡012后，經(jīng)第二1/4波片013和檢偏器014進(jìn)行成像，而沒有攜帶固體中聲場信息的光經(jīng)過第二1/4波片013后通不過檢偏器014，也無法被固體聲場成像圖像傳感器015成像。

所述固體聲場成像圖像傳感器015與流體聲場成像圖像傳感器019的信號輸出端均與控制電腦通信連接，所述控制電腦020與信號發(fā)生器021、激勵(lì)信號放大器022順次通信連接，所述激勵(lì)信號放大器022與換能器001通信連接以激勵(lì)換能器發(fā)射聲波008。

調(diào)整聲波在透明流體與透明固體間界面的入射面，使換能器輻射的聲波008方向與光傳播方向垂直，以便更好的觀測聲波008在兩相界面的傳播特性。

考慮光學(xué)平臺(tái)尺寸，所述分光鏡011通過設(shè)置反射鏡012將其中一束光束入射到第二1/4波片013和檢偏器014上。

所述空間濾波器017位于會(huì)聚透鏡016焦點(diǎn)處，以通過空間濾波技術(shù)完全擋掉傳播方向未改變的光，不會(huì)對透明流體內(nèi)部聲場產(chǎn)生干擾，從而得到的流體中聲場圖像更為精準(zhǔn)。

固體聲場成像圖像傳感器015與流體聲場成像圖像傳感器019同時(shí)曝光且曝光時(shí)間相同，對得到的兩張照片進(jìn)行拼接形成該曝光時(shí)刻流體和固體內(nèi)的聲場。

當(dāng)透明流體為氣體時(shí)，不需要設(shè)置槽010，其余結(jié)構(gòu)相同。

一種利用上述光學(xué)裝置同時(shí)觀測透明流體和透明固體內(nèi)部聲場的方法

包括如下步驟：

s1、如圖1所示，根據(jù)所述光學(xué)裝置調(diào)整光路，使得激光器002發(fā)出的激光垂直穿過槽010，槽010中可盛滿透明固體與水或者其它透明流體(應(yīng)當(dāng)說明的是，如果透明流體為氣體時(shí)，則不需要該槽)；使槽中的兩相界面與激光器002、發(fā)射透鏡003、準(zhǔn)直透鏡004、起偏器005、第一1/4波片006、分光鏡011在同一光路上；所述分光鏡011將攜帶透明流體和透明固體內(nèi)部聲場信息的光分成兩束；

s2、其中一束光依次通過會(huì)聚透鏡016、空間濾波器017、成像透鏡018后到達(dá)流體聲場成像圖像傳感器019，用于觀測流體中的聲場；

s3、另一束光依次通過第二1/4波片013和檢偏器014后到達(dá)固體聲場成像圖像傳感器015，得到固體中聲場的圖像，傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行保存和后續(xù)處理；所述檢偏器014與起偏器005偏振方向垂直；

s4、通過控制電腦020控制激勵(lì)信號發(fā)生器021發(fā)出激勵(lì)信號，經(jīng)激勵(lì)信號放大器022放大后激勵(lì)換能器001發(fā)射聲波008，調(diào)整激勵(lì)電壓，使得可以清晰的觀察到聲場及其變化；調(diào)節(jié)固體聲場成像圖像傳感器015、流體聲場成像圖像傳感器019曝光起始時(shí)刻與激勵(lì)信號發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間差，改變換能器激勵(lì)和圖像傳感器曝光時(shí)刻可以得到聲場在不同時(shí)刻的分布圖像，一般要求圖像傳感器的曝光時(shí)間遠(yuǎn)小于聲波周期，以觀察到“凍結(jié)”在流體和固體中的聲場，從而得到不同時(shí)刻流體和固體內(nèi)部聲場的圖像，傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行保存和后續(xù)處理；

s5、將得到的相同時(shí)刻曝光的流體和固體中聲場的圖像采用后處理拼接的方法拼接成一幅圖像，得到某時(shí)刻流體和固體中聲場的圖像，傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行保存和后續(xù)處理；

s6、將不同時(shí)刻流體和固體中聲場的圖像拼接，形成動(dòng)畫，可以觀測聲波在兩相界面的動(dòng)態(tài)傳播特性。

其中，在步驟s2中：

s20、調(diào)節(jié)空間濾波器017至?xí)弁哥R016焦點(diǎn)(焦距為f2)處，并調(diào)節(jié)空間濾波器使其擋掉原始光路即沒有聲場時(shí)在空間濾波器017所在平面形成的圓斑；

s21、根據(jù)放大倍數(shù)需求調(diào)節(jié)成像透鏡018的焦距f3并調(diào)節(jié)成像透鏡018與空間濾波器017之間的距離以及成像透鏡018與流體聲場成像圖像傳感器019之間的距離。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。