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1、激光水下激波特性的研究于小棠2016年01月中圖分類號：TN249UDC分類號：535激光水下激波特性的研究作者姓名于小棠學院名稱光電學院指導教師辛建國教授答辯委員會主席申請學位級別工學碩士學科專業(yè)電子科學與技術(shù)學位授予單位北京理工大學論文答辯日期2016年01月StudyoftheLaserInducedShockwaveCharacteristicunderWaterCandidateName：XiaotangYuSchoolorDepartment:SchoolofOptoelectroni
2、csFacultyMentor:Prof.JianguoXinChair,ThesisCommittee：DegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ElectronicscienceandtechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學位論文是我本人在指導教師的指導下進行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標注和致
3、謝的地方外，學位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻均已在學位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學碩士學位論文摘要本文針對光聲效應中的激光聲效應進行討論，分析并對比了激光射入液體中激發(fā)聲波的四大機制：熱膨脹（熱彈）、汽化、光擊穿、輻射壓力。針對在低功率激光激發(fā)聲場的主要機制熱膨脹，文章從理論出發(fā)推導出激光射入水中產(chǎn)生激波的特性，建立脈沖激光光束
4、激發(fā)水熱膨脹產(chǎn)生水下聲場的光聲轉(zhuǎn)化理想模型。利用該模型研究并得到了了高斯型激光光束入射水中得到的聲場的時域特性以及頻域特性，主要包括脈沖響應，聲壓分布，方向特性，半功率寬度等。同時將理論值與現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)進行對比擬合來檢驗該理論模型是否符合實際。針對較高功率的激光激發(fā)聲場的汽化機制，圍繞激發(fā)氣泡的兩種情況：單氣泡和氣泡群展開研究。先仿真得到產(chǎn)生氣泡所需的激光能量密度閾值，以及氣泡大小與激光聚焦深度、激光波段的關(guān)系。后仿真得到單氣泡和氣泡群兩種情況下的聲場特性對比、方向特性對比。更高功率激光將引起水
5、分子電離，水體擊穿產(chǎn)生等離子體爆破產(chǎn)生水下激波。文章先在前人基礎(chǔ)上計算得到光擊穿閾值，遠大于汽化效應閾值。后計算等離子體長度，進一步計算等離子體體積變化，最終得到聲場的變化趨勢。全文圍繞水下激光光聲轉(zhuǎn)換四大機制，以閾值為紐帶，將其構(gòu)建成為具有連貫性的復合機制，并在此基礎(chǔ)上討論激光特性對聲場強度、方向性的影響。關(guān)鍵詞:光聲效應，熱膨脹機制，汽化機制，光擊穿機制，聲場特性I北京理工大學碩士學位論文AbstractThispaperdiscussesphotoacousticeffect,analyzi
6、ngandcomparingthefourmechanismsoflaseracousticexcitationinliquid:thermalexpansion,vaporization,opticalbreakdown,radiationpressure.Thisarticleaimsatthethermalexpansionmainlywhichisthemainmechanismofthelow-powerlaserexcitation.Thefeaturesoflaser-generat
7、edshockwaveinwaterisderivedfromthetheoryinthearticle,andestablishesidealmodelofthephotoacousticconversionofunderwaterthermalexpansionexcitedbypulsedlaserbeam.Weresearchandobtainthecharacteristicsofthesoundfieldexcitedinwater,includingthetime-domainand
8、frequency-domaincharacteristics,aswellastheimpulseresponse,thesoundpressuredistribution,thedirectionalcharacteristic,thehalf-powerwidth.Wecomparethetheoreticaldatawiththeexperimentaldatatoensurethetheoreticalmodel.Whenlaserpowergetsstronger,th
