超声衍射光栅实验的Matlab仿真

超声衍射光栅实验的Matlab仿真 超声衍射光栅实验的Matlab仿真 科技信息.高校理科研究 超声衍射光栅实验的Matlab仿真 广东工业大学实验教学部周述苍吴肖周誉昌 [摘要]本文介绍了超声光栅衍射的原理.采用Matlab程序对超声光栅衍射实验进行仿真,并讨论不同实验参数对衍射图样的影响 [关键词]超声衍射光栅Matlab仿真 0.引言 1922年布里渊(LBrillcmin)曾预言,当高频声波在液体中传播时, 如果有可见光通过该液体,可见光将产生衍射效应.这一预言在l0年 后被验证,这一被称作声光效应.l935年,喇曼(c.V.Raman)和奈斯 (N.S.N.Nath)对退一效应进行研究发现,在一定条件下,声光效应的衍 射光强分布类似于普通的光栅…. 梅振林等人研制了超声光栅测量声速的仪器…,目前这种仪器广泛 应用于大学物理基础实验.但在实验过程中,部分实验参数的改变比较 困难,难以展示超声衍射的全部特征,给教学和研究带来一定的不便. 本文采用Matlab编写仿真程序,模拟超声光栅衍射的实验条件及得到 的实验图像. 1.超声光栅原理 光波通过某一受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象称为超声 致光衍射,亦称声光效应.超声波作为一种纵波在盛有液体的玻璃槽中 传播时,液体被超声波周期性地压缩与膨胀,其密度会发生周期性的变 化,形成疏密波,从而促使液体的折射率也相应地作周期性的变化.此 时,如有平行单色光垂直于超声波传播方向通过这疏密相问的液体时, 就会被衍射,这一作用,类似相位光栅,所以把有超声波传播的液体称 为"超声光栅". 超声波在液体槽中沿x轴正向传播时,当遇到一个垂直于X轴的 液体槽壁时,又会反向传播,入射波与反射波分别为: y-=.s2(,) z=A2(+) 在一定条件下,两者叠加而形成纵向振动的驻波.即: y=y1y2=2A.,cos2cr一cos2cr~一^s l 沿x方向各点的振幅为2AmcoS2"l'r.x,是x的函数.随x呈周期性的 ^ 变化,相位是时间t的函数,但不随空间变化.由于驻波的振幅t可 l 以达到单一行波的两倍,加剧了波源和液体槽壁之间液体的疏密变化 程度.某时刻,纵驻波的任一波节两边的质点都涌向这个节点,使该节 点的附近成为质点密集区,而相邻的波节处为质点稀疏区.半个周期 后,这个节点附近的质点向两边散开变为稀疏区,相邻的波节处变为密 集区.液体槽中传播的超声驻波在这两个时刻的波形,液体密度变化曲 线将在后面的2.2中有动画的模拟. 液体槽内距离与波长的任何两点处液体的密度相同,折射率也 相等.当单色平行光沿着垂直于超声波传播方向通过上述液体时,因折 射率的周期性变化使光波的波阵面产生了相应的相位差,经透镜聚焦 出现衍射条纹. 光通过超声光栅出现衍射条纹的现象与平行光通过透镜光栅的情 形相似,超声光栅的光栅常数等于超声波的波长,由此可得如下光栅 方程: Asin击k=kh 式中k为衍射级次,(b为零级与k级间夹角.超声光栅的实验光 路图如图1所示. ,F:——L一kl/ li 二:—_J/y——L一 : L1PZTL2 图1超声光栅仪衍射光路图 若使振荡器使压电陶瓷晶片(PZT晶片)发生超生振动,形成稳定 的驻波,则从测做目镜即可观察到衍射光谱.当(b很小时,有:As— in_,其中: 为衍射光谱零级至k级的距离;f为透镜的焦距,并可认为各级 衍射条纹是等间距分布的.可以计算超声波的波长为: = 超声波在液体中传播的速度: V一 式中u是振荡器和PZT晶片的共振频率,?fk为同一色光衍射条纹 间距,为入射光波的波长. 2.Matlab仿真 采用Matlab制作图形用户界面.界面包括实验参数设置,超声驻波 模拟,超声光栅衍射模拟. 2.1实验参数设置 实验参数设置界面如图2所示,在界面可以设置实验的参数,如: (1)入射光波长;(2)盛装的介质类别,下拉菜单中可选择水"water", 酒精"alcohol"等;(3)介质溶液温度;(4)透镜L2的焦距;(5)超声波的 振动频率. …………… 实验参数谶景………一 凡射巍渡长濮)介璜溶液共剐 厂 贫病溶瀛温度氐》 厂?而—一 榴第壤龋率o《 一 w 毫} 透镜焦距《mm' 厂 图2实验参数设置界面 2-2模拟超声波驻波 根据介质溶液类别及介质容液温度,动态模拟液体槽中传播的超 声驻波波形,液体密度变化曲线.在动画中截取t及t+T/2时刻的图形, 如图3所示.此动画能够加深学生对超声波的波形,液体密度,折射率 变化的理解. tt+l/2 图3超声波波形,液体密度变化曲线 2-3模拟超声光栅衍射图样及光强分布曲线 根据实验参数以及光栅衍射理论,模拟超声光栅的衍射图样及衍 射强度分布曲线.编写程序的部分代码如下: %读取入射光的波长 Lambdal=str2num(get(handles.Lambda_edit,'String')); Lambda=Lambdalle一7: %透镜焦距focus Focus=str2num(get(handles.Focus—edit,'String)); %超声波频率 Frequency=1000str2num(get(handles.Frequency_edit,'String')): %频率=波速/波长 %温度 Tr=str2num(get(hm~dles.Temper_edit,'String'));(下转第79页) ,一_???噍九,\ ,, t/ 科技信息.高校理科研究 亮,类似于山体的特征.利用这种反差,利用高分辨率SAR图像可以快 速的评估出道路的通行能力. 2-3次生灾害监测 5?12汶川地震灾害引发了大范围的崩塌,滑坡,泥石流,堰塞湖等 次生灾害,这些灾害又造成灾区多条河流发生堵江.这次汶JII地震灾害 中,次生灾害动态监测的重要性高于以往灾害,整个灾区共产生了36 个比较大的堰塞湖,威胁下游几万人的生命和财产安全.凶此,对这次 地震引发的次生灾害进行遥感监测成为汶川地震灾害遥感监测与评估 第三阶段的主要工作. 现代遥感技术获取信息速度快,信息量丰富的特点,能够针对突发 自然灾害灾情不断变化,次生灾害繁多的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,实时监测,动态更新数 据,并通过对比,处理, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,解泽,制作专题图,正射影像图,从而进行 定量分析和应用,其优势是传统调查方法望尘莫及的. 2.4灾后重建 在进一步监测次生灾害的同时,还可利用遥感数据及灾情监测的 评估结果,通过与国家总体规划和地方具体实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的结合,对汶川地 震救灾情况和灾情影响进行综合评估,为灾后重建规划提供宏观信息 支持. 科学规划是灾后重建的前提,而遥感是科学规划中的重要基础性 工作.在灾区恢复建设中,应用数码航空摄影和激光测高系统可以快速 获取三维地形数据和影像数据,通过遥感图像的宏观地址构造背景,做 好灾害评估和地质地理条件,资源环境,承载能力分析等基础作,综 合分析经济,社会,文化,自然等各方面因素,科学界定适宜重建和不适 宜重建的区域,以及调整优化城乡布局,人口分布,产业结构和生产力 布局等,为恢复重建规划提供了基本依据. 3.遥感监测在汶川地震中遇到的问题 (1)基础地理信息不充分.这次汶川I地震灾害中的遥感监测暴露出 了我国的基础地理信息不充分.很多比较偏远的地区都没有基本的地 理信息数据.为了更好的进行灾害监测与评估,国家应该建立1,2IT1 分辨率的基础数据影像库,有条件的地区还可建立1:10万到1:5万 比例尺的基础地理信息数据库和数字高程模mO(DEM). (2)卫星图像分辨率较低,影像不够清晰,不利于进行定量分析.美国 的商业卫星分辨率可达0.4m,0.6m,美国在轨军用侦察卫星"锁眼一12" 的影像分辨率高达0.1m.我国2005年lO月发射成功的"北京1号"商 业化高性能微小卫星,其全色分辨率为4m,多光谱分辨率为32m,远远 落后于发达国家.在一定程度上阻碍了遥感技术存地震等自然灾害中 发挥的作用. (3)遥感技术还不够完善.虽然我国近几年在遥感技术研发和教育 方面都有较快的发展,但是在大灾面前仍显得遥感科技力量发展的不 完善.首先是遥感技术硬件,比如卫星数量远远不够,以及各种高分辨 率遥感传感器;其次是遥感技术理论与软件,如在阴雨天气如何获得较 高分辨率的影像数据,以及遥感快速应急的相关处理程序和技术规程 等也都还比较缺乏. 4.展望 作为一门综合性的新兴交叉学科,遥感技术正日益发展成为一种 先进的对地观测手段,并应用于各个不同的科学领域当中.对地震科学 而言,快速,高效及准确的获取灾区信息具有至关重要的意义,而遥感 的特性恰好满足了这一需求.但是由于基础地理信息不足,遥感软,硬 件技术还不够完善等原因,使得遥感在地震等重大自然灾害监测中的 作用还没有被充分挖掘出来. 汶川大地震给我国的遥感技术提出了新的要求.应加强一些空间 基础设施建设,如全天时,全天候,高时间分辨率,高空间分辨率,高辐 射分辨率,多种用途的对地观测系统;开展多源地震空间数据的综合研 究,并建立多源遥感数据地震应用模型等.随着全球定位系统(GPS),地 理信息系统(GIS)~I遥感技术(Rs)的一体化研究,遥感的实时胜和实用性 将会有显着的提高,在地震等自然灾害方面的应用将会越来越广泛,深 入 参考文献 [1]许亚平.从汶川地震看遥感技术在突发自然灾害中的应用[1] 贵州地质,2008,25(4):306—310 [2]刘斌涛,陶和平等高分辨率SAR数据在5712汶川地震灾害监 测与评估中的应用[1].山地,2008,26(3):267—271. [3]张继贤,刘正军,刘纪平.汶川大地震灾情综合地理信息遥感监 测与信息服务系统[J].遥感,2008,12(6):871—876. [4]荆凤,中旭辉等.遥感技术在地震科学研究中的应用[I]国土资 源遥感,2008,第2期:5-8. [5]张淼.遥感技术在地震灾害监测与救灾减灾中的应用[I]科技 资讯,2008,第35期:80-90. 【6]杜培军等遥感原理与应用[M]徐州:中国矿业大学出版社, (上接第77页) %速度和温度的关系,根据经验公式得出: Velocity=1402.336+5.0336Tr一5.795lTT~2/100+3-3164TT'3/10000 — 1.4526TD4/1000000; %+3.0449*TP'5/1000000000; Lambda_ wave=Veloeity/Frequency; %光栅常数=超声波波长的1/2 d=1000Lambdawave/2; %d=Lmnbda_ wave/2; a=d/2; N=5;%设定参数 y=linspace(,pi/100,pi/lO0,lO00);%设定图像的x向范围,并把x方 向分为1001点 fori=l:l000%对X屏上的所有点进行循环计算 u=(pia/Lambda)(y(i)/(sqrt(y(i)"2+Focus'2))); I(i)=((sin(u),11).^2)((sin(d*u*N/a)/sin(d*u/a)).2);%计算光强 end NCLevels=255;%灰度级 Ir=NCLevels*I;%亮度最大取为白 colormap(gray(NCLevels)); %绘制衍射花样 %设置坐标显示刻度 %kk=一pi/100:20:pi/100; axes(handles.Intensity1_axes) image(y,I,Ir),set(gca,'XTickLabel',『1,'YTickLabel',【]); %绘制光强分布 axes(handles.Intensity2_axes) plot(y,I(:),mIdx(I)),axis([-pi/100pi/10001]),set(gca,'XTiekLabel',[],'YT— iekLabel,[】); 模拟得到的衍射图样,衍射强度曲线分别如图4,图5所示. ?--I? l :_I : ^; 图4衍射图样图5衍射强度分布曲线 衍射图像能展示超声光栅衍射的基本特征:从图巾可以看到清晰 的衍射条纹,并且每一级条纹对应的光强也可显示.在仿真中,可以改 变不同的实验参数,观察衍射图像的变化.比如:(1)当入射光波长减小 时,条纹的间距变窄.(2)当介质溶液的温度降低而超声波的振动频率 不变时,超声波的波长变小,因而光栅常数也变小,衍射条纹的间距则 变大.(3)还可比较盛装的介质溶液分别为水和酒精时,衍射图样的差 别.在实验教学中,采用此仿真能有效地帮助学生理解,验证理论知识. 3.结束语 从上述的仿真实验中可以看出,利用计算机对超声光栅衍射实验 进行模拟,不受实验设备和场所的限制,在实验教学过程中,可以通过 改变不同的实验参数就获得不同的实验结果,并直接在示屏显示,图 像非常清晰且直观.对学生掌握深奥的理论知识起到了促进作用,能提 高学生的学习兴趣. 参考文献 l1JP.aman,cV.NagendraNath,N.S.Proc,IndianAcadSci,As,459 (1936). [2]梅振林,隋成华.超声光栅测量声速的研究及仪器化-~.zKEJ]大 学物理实验,2004,17(1):28—31. [3]陈秀玲.超声光栅[_lj.吉林大学自然科学,1981,(4):127—131. -——— 79--——