激光换能系统和激光换能发声方法与流程

1.本发明涉及激光换能技术领域，具体涉及一种激光换能系统和激光换能发声方法。


背景技术：

2.激光换能器(laser transducer)是能够将光能转换为声能的装置。激光换能器是依靠光声效应产生声波。由于激光声学技术发展很快，激光换能器凭借其非接触性、抗干扰强和易于小型化、阵列化的优势而受到广泛关注。
3.现有激光换能器产生的是脉冲声波，并且是由激波衰减而来正压与负压不相等的声波，而无法产生连续的且正负压相等的正弦波。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种激光换能系统和激光换能发声方法，以解决现有技术中无法产生连续的且正负压相等的正弦波的问题。
5.本发明第一方面提供一种激光换能系统，包括：依次连接的激光子系统、光路子系统和声源子系统，激光子系统包括脉冲激光器，声源子系统具有尺寸可调的谐振腔结构；其中，激光子系统，用于通过脉冲激光器生成并输出脉冲激光信号；光路子系统，用于将脉冲激光信号聚焦在谐振腔内的底部表面；声源子系统，用于在谐振腔内的底部表面将脉冲激光信号转换为脉冲声波信号；激光子系统，还用于调节脉冲激光器的重复频率至合适频率，以在谐振腔内的底部表面将脉冲声波信号转换为连续声波信号；声源子系统，还用于在谐振腔的尺寸被调节至合适尺寸的情况下，输出连续且正负压相等的正弦声波信号。
6.在一些可选实施例中，脉冲激光信号在谐振腔内的底部表面形成底部焦点，激光子系统还包括：功率调节装置，用于根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节脉冲激光器的功率，以调节脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量；声源子系统，还用于在单脉冲激光的能量使得底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在底部焦点处形成等离子体，以通过等离子体的膨胀塌缩，在底部焦点处产生脉冲声波信号。
7.在一些可选实施例中，激光子系统还包括：信号发生器，用于生成并输出正弦波信号；脉冲激光器，用于根据接收到的正弦波信号产生脉冲激光信号；频率调节装置，用于根据预定控制设备的频率调节信号，通过调节信号发生器输出正弦波信号的频率，来调节脉冲激光器的重复频率至合适频率，使得等离子体基于合适频率在膨胀塌缩过程中产生谐振，进而在底部焦点处形成连续的声波信号。
8.在一些可选实施例中，光路子系统包括依次连接的扩束组件和聚焦组件，谐振腔的一端为与聚焦组件连通的开口端，另一端为封闭端；其中，扩束组件，用于对脉冲激光器输出的脉冲激光信号进行扩束；聚焦组件，用于将扩束后的脉冲激光信号，经谐振腔的开口端传输至谐振腔内，并聚焦在谐振腔内封闭端的底部表面。
9.在一些可选实施例中，声源子系统还包括：位置调节装置，用于根据来自预定控制
设备的位置调节信号，调整谐振腔的位置，以将脉冲激光信号的聚焦位置调整至谐振腔内的底部表面中心位置。
10.在一些可选实施例中，谐振腔包括依次连接的至少两个套筒且相邻套筒之间为嵌套连接；其中，至少两个套筒包括第一套筒和第二套筒；第一套筒的第一端是与聚焦组件连通的开口端，第一套筒的第二端是与下一套筒嵌套连接的开口端；第二套筒的第一端是与前一套筒嵌套连接的开口端，第二套筒的第二端是封闭端，以作为谐振腔的封闭端。
11.在一些可选实施例中，谐振腔的尺寸调节方式包括手动调节和自动调节中的至少一种；在尺寸调节方式包括自动调节的情况下，声源子系统还包括：尺寸调节装置，用于根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节谐振腔的尺寸为合适尺寸。
12.本发明第二方面提供一种激光换能发声方法，该方法包括：将脉冲激光器输出的脉冲激光信号聚焦在谐振腔内的底部表面；在谐振腔内的底部表面将脉冲激光信号转换为脉冲声波信号；调节脉冲激光器的重复频率至合适频率，以在谐振腔内的底部表面将脉冲声波信号转换为连续声波信号；在谐振腔的尺寸被调节至合适尺寸的情况下，输出连续且正负压相等的正弦声波信号。
13.在一些可选实施例中，脉冲激光信号是脉冲激光器根据信号发生器生成的正弦波信号而产生的激光信号；在谐振腔内的底部表面将脉冲激光信号转换为脉冲声波信号，包括：响应于预定控制设备的功率调节信号，调节脉冲激光器的功率，以调节脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量；在单脉冲激光的能量使得底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在底部焦点处形成等离子体，以通过等离子体的膨胀塌缩，在底部焦点处产生脉冲声波信号。
14.在一些可选实施例中，调节脉冲激光器的重复频率至合适频率，以在谐振腔内的底部表面将脉冲声波信号转换为连续声波信号，包括：响应于预定控制设备的频率调节信号，调节信号发生器输出正弦波信号的频率，以将脉冲激光器的重复频率调节为合适频率，使得等离子体基于合适频率在膨胀塌缩过程中产生谐振，进而在底部焦点处形成连续的声波信号。
15.根据本发明实施例的激光换能系统和激光换能发声方法，通过调节脉冲激光器的重复频率在合适数值，使得脉冲激光信号焦点处实现等离子谐振，从而在固体介质中产生连续声波；后续通过尺寸可调的谐振腔对该连续声波的波形进行进一步调控，从而输出具有近似正弦波形的连续声波信号，实现在时域上可以输出连续的、正负压相等的声波。
附图说明
16.附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
17.图1为本发明一实施例提供的激光换能系统的结构示意图；
18.图2为本发明另一实施例提供的激光换能系统的结构示意图；
19.图3为本发明实施例提供的可调谐振腔的结构示意图；
20.图4是本发明实施例的可调谐振腔内底部表面产生声波的场景示意图；
21.图5为本发明实施例提供的单个脉冲激光激发长度可调谐振腔产生的时域脉冲声信号图；
22.图6本发明一实施例提供的尺寸可调谐振腔产生的时域声信号图；
23.图7本发明另一实施例提供的尺寸可调谐振腔产生的时域声信号图；
24.图8示出本发明实施例提供的激光换能发声方法的流程图；
25.图9为本发明实施例提供的激光换能系统的场景示意图。
26.在附图中：
27.100-激光声源系统；10-激光子系统；20-光路子系统；30-声源子系统；11-脉冲激光器；12-信号发生器；13-功率调节装置；14-频率调节装置；21-扩束组件；22-聚焦组件；31-谐振腔；32-位置调节装置；33-尺寸调节装置；301-脉冲激光束；302-开口端；303-外层；304-内层；305-底部；401-谐振腔内底部金属靶；402-脉冲激光束；403-等离子体；404-声波；901-控制计算机；902-信号发生器；903-脉冲激光器；904-扩束镜；905-聚焦透镜，906-长度可调的固体谐振腔。
具体实施方式
28.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
29.如本发明所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和全部组合。本发明所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本发明。如本发明所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。
30.除非另外限定，否则本发明所用的全部术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被解释为具有与其在相关技术以及本发明的背景下的含义一致的含义，且将不解释为具有理想化或过度形式上的含义，除非本发明明确如此限定。
31.在本发明实施例中，在能量转换装置中，换能器(transducer)是能够将一种能量转换另一种能量的装置，换能器可以用于测量和信息传递，通常应用于电气、电子元件或机电领域。例如，换能器是可以将物理量转换为电信号的元件或设备、传感器等。
32.超声换能器是换能器的一种，它能够将其他形式能量转换为声能，广泛应用于无损检测和医学上的诊断和治疗。传统超声换能器是指压电换能器，它是电驱动的机械元件，能够基于晶片的压电效应和逆压电效应，实现声到电和电到声之间的转换。类似于超声换能器的定义，我们把能够将光能转换为声能的装置叫做激光换能器。
33.激光换能器是依靠光声效应产生声波，光声效应是一个非常复杂的过程。根据不同目标介质，可以分为空气、液体、固体中的光声效应；根据不同的光功率密度，在不同的介质中，又可细分为不同原理的光声效应。
34.近几十年来，激光声学技术发展很快，激光换能器凭借其非接触性、抗干扰强和易于小型化、阵列化的优势引起了科研人员的关注。由于在介质水中和空气的光声效应难以控制，现有的激光换能器大多是利用激光脉冲激发固体薄膜产生激波，激波在介质中传播衰减为声波来实现光声转换的。因此，现有激光换能器产生的是脉冲声波，并且是由激波衰减而来正压与负压不相等的声波。但理想的换能器产生声波是连续的、正负压相等的正弦波，现有的激光换能器还不能够做到，不是真正意义上的激光换能器。
35.在一些场景中，在通过光声效应制造声波的情况下，目前相关研究主要是利用脉
冲激光激发的激波，激波在传输过程中衰减为脉冲声波，其正压与负压不相等，也不是连续的且正负压相等的真正意义上的声波。
36.本发明实施例提供一种激光换能系统和激光换能发声方法，可以输出声波为连续的且正负压相等的声波，实现真正意义上的激光换能器。
37.图1示出本发明一实施例的激光换能系统的结构示意图。如图1所示，在一些实施例中，激光换能系统100可以包括依次连接的激光子系统10、光路子系统20和声源子系统30，激光子系统10包括脉冲激光器11，声源子系统30具有尺寸可调的谐振腔31结构。
38.激光子系统10，用于通过脉冲激光器11生成并输出脉冲激光信号；光路子系统20，用于将脉冲激光信号聚焦在谐振腔21内的底部表面；声源子系统30，用于在谐振腔31内的底部表面将脉冲激光信号转换为脉冲声波信号；激光子系统10，还用于调节脉冲激光器11的重复频率至合适频率，以在谐振腔31内的底部表面将脉冲声波信号转换为连续声波信号；声源子系统30，还用于在谐振腔31的尺寸被调节至合适尺寸的情况下，输出连续且正负压相等的正弦声波信号。
39.根据本发明实施例的激光换能系统，通过调节脉冲激光器的重复频率在合适数值，使得脉冲激光信号焦点处基于等离子谐振在固体介质中产生连续声波，后续通过尺寸可调的谐振腔对该连续声波的波形进行调控，从而输出具有近似正弦波形的连续声波信号；本发明实施例的激光换能系统在时域上可以输出连续的、正负压相等的声波，因此是真正的激光换能器。
40.图2是本发明另一实施例的激光换能系统的结构示意图，图2与图1相同或等同的组件使用相同的标号。图3是本发明实施例的可调谐振腔的结构示意图。下面结合图2-图3，描述根据本发明另一实施例的激光换能系统。
41.如图2所示，激光换能系统100中的激光子系统10包括脉冲激光器11、信号发生器12、功率调节装置13和频率调节装置14；光路子系统20包括：扩束组件21和聚焦组件22；声源子系统30可以包括：谐振腔31、位置调节装置32和尺寸调节装置33。但本发明并不局限于以上描述的，以及在图2中示出的特定的模块，在一些实施例中，激光换能系统100可以只包含其中的部分模块，即激光换能系统100包含更灵活的模块配置，下面结合具体的实施例进行说明。
42.在一些实施例中，脉冲激光信号在谐振腔31内的底部表面形成底部焦点。
43.激光子系统100还包括：功率调节装置12，用于根据来自预定控制设备的功率调节信号，调节脉冲激光器13的功率，以调节脉冲激光器13输出的单脉冲激光的能量；声源子系统30，还用于在单脉冲激光的能量使得底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在底部焦点处形成等离子体，以通过等离子体的膨胀塌缩，在底部焦点处产生脉冲声波信号。
44.在一些实施例中，预定控制设备可以包括但不限于：计算机设备、个人电脑、智能手机、平板电脑、个人数字助理、服务器等。
45.本发明实施例中的预定控制设备例如可以称为是控制计算机，一方面，通过该控制计算机可以改变信号发生器12的输出正弦波信号的频率，来调节脉冲激光器11的重复频率；另一方面，通过该控制计算机可以改变脉冲激光器的工作电流和工作电压，来调节脉冲激光器11输出单脉冲激光的能量。
46.作为示例，脉冲激光器11的重复频率为1hz至200khz可调；脉冲激光器的工作电流为0a至60a可调，工作电压为0a至10v可调。
47.在实际应用场景中，预定控制设备可以是独立于激光声源系统的外部控制设备，可以是被布置位于激光声源系统内部的控制设备。具体地，该预定控制设备可以具有独立的计算和处理能力，以用于实现上述改变信号发生器的输出正弦波信号的频率以及改变脉冲激光器的功率的功能。
48.在一些实施例中，激光子系统还包括：信号发生器12，用于生成并输出正弦波信号；脉冲激光器11，用于根据接收到的正弦波信号产生脉冲激光信号；频率调节装置13，用于根据预定控制设备的频率调节信号，通过调节信号发生器12输出正弦波信号的频率，来调节脉冲激光器11的重复频率至合适频率，使得等离子体基于合适频率在膨胀塌缩过程中产生谐振，进而在底部焦点处形成连续的声波信号。
49.在该实施例中，脉冲激光器11的合适频率，是指该合适频率可以使得谐振腔31底部焦点处等离子体膨胀塌缩过程产生谐振，形成连续的声波。
50.在一些实施例中，信号发生器12可以为脉冲激光器11例如nd：yag固体脉冲激光器提供正弦波信号，以调节脉冲激光器11的重复频率，正弦波信号的频率为1hz-200khz可调。
51.在一些实施例中，脉冲激光器11可以是固体脉冲激光器。固体脉冲激光器具有体积小、使用方便、输出功率大、重复频率高的特点。
52.作为示例，脉冲激光器11可以包括掺钕钇铝石榴石(nd：yag)激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器中的任一种。在具体应用场景中，可以根据实际需要进行选择使用的脉冲激光器的类型，本发明实施例不做具体限定。
53.作为示例，由脉冲激光器11产生的脉冲激光源的波长例如为300nm-1064nm，脉冲宽度例如为1ps-500ps，单脉冲能量例如为1μj-500μj，重复频率例如为1hz-500khz。其中，nm是脉冲激光器发出光束波长的计量单位纳米，ps是脉冲激光脉冲持续时长的计量单位皮秒，j是能量、热量和功的单位焦耳，μj表示微焦耳即千分之一焦耳。
54.作为一个示例，在脉冲激光器11为nd：yag脉冲激光器的情况下，nd：yag脉冲激光器输出的激光波长为500nm至1064nm可调，光束直径为1mm至10mm可调，脉冲宽度为1ps-600ps可调，单脉冲能量为1μj-800μj可调，重复频率为1hz-500khz可调、
55.作为具体示例，激光波长例如为532nm，脉冲激光的激光束直径例如为2.5mm，脉冲宽度例如为15ps，单脉冲能量最大值例如为100μj，重复频率例如为1hz-200khz可调，工作电流例如为0a至60a可调，工作电压0v至10v可调。
56.在一些实施例中，光路子系统20包括依次连接的扩束组件21和聚焦组件22，谐振腔31的一端为与聚焦组件22连通的开口端，谐振腔31的另一端为封闭端；其中，扩束组件21，用于对脉冲激光器11输出的脉冲激光信号进行扩束；聚焦组件22，用于将扩束后的脉冲激光信号，经谐振腔31的开口端传输至谐振腔31内，并聚焦在谐振腔31内封闭端的底部表面。
57.在该实施例中，对脉冲激光信号先扩束再聚焦，可以改善脉冲激光信号的准直度，有利于提高聚焦组件22能够达到的聚焦效果。
58.在一些实施例中，扩束组件21例如可以是扩束透镜，聚焦组件22例如可以是聚焦透镜。作为示例，扩束透镜工作波长为532nm，放大倍数为5倍；非球面聚焦透镜工作波长为
532nm，焦距为100mm。
59.在本发明实施例中，光路子系统21可以称为是扩束与聚焦光路，其作用是缩小到达激发靶表面光斑的直径，提高激发靶表面焦点处的光功率密度，使其大于光声效应中等离子体效应发生的阈值(107w/cm2)，在焦点处形成近似于点状的等离子体。
60.在一些实施例中，由于谐振腔31内封闭端的底部表面可以是金属靶表面，在该金属靶表面形成的光斑大小可以表示为下述表达式(1)。
[0061][0062]
其中，在上述表达式(1)中，m2是激光器的光束质量，例如激光器的光束质量为1.2，数值越小则激光器的光束质量越好，θ为出射光的全光束角，d为焦点光斑直径，θ0是入射光的全光束角，d0入射光斑直径。
[0063]
在一些实施例中，入射光的全光束角θ0和入射光斑直径d0可以表示为如下表达式(2)。
[0064][0065]
在上述表达式(2)中，λ是激光波长例如532nm。
[0066]
通过上述表达式(1)和(2)，例如可以计算得到聚焦光斑直径为8μm。
[0067]
在一些实施例中，金属靶表面焦点处光功率密度计算可以标识为下述表达式(3)：
[0068][0069]
在上述表达式(3)中，i是焦点的光功率密度，单位为w/cm2，e为激光器单脉冲能量，s是焦点处光斑面积，τ是脉冲激光的脉宽。
[0070]
在一些实施例中，理想情况下焦点处光功率密度约为1.3
×
10
10
w/cm2，该光功率密度大于光声效应中等离子体效应发生的阈值(107w/cm2)。
[0071]
通过上述实施例的内容可知，通过调节脉冲激光器11的功率使固体介质焦斑处的光功率密度大于等离子效应对应的光功率密度阈值(107w/cm2)，从而在焦斑处产生等离子体；后续可以通过改变脉冲激光器的重复频率，使等离子体膨胀塌缩的过程形成谐振，输出连续的、正负压相等近似正弦的声波。也就是说，首先需要对脉冲激光器11的功率进行调节，使得焦点处的能量要达到等离子效应的光能量密度要求，然后再调节脉冲激光器11重复频率，使等离子体膨胀塌缩的过程形成谐振，输出连续声波；进一步地，通过改变可调谐振腔31的尺寸，对谐振腔内底部产生的连续声波进行调节，当谐振腔长度调节合适时，输出近似正弦的连续声波。
[0072]
在一些实施例中，声源子系统30还包括：位置调节装置32，用于根据来自预定控制设备的位置调节信号，调整谐振腔的位置，以将脉冲激光信号的聚焦位置调整至谐振腔内的底部表面中心位置。
[0073]
在该实施例中，在预先搭建好光路子系统20之后，脉冲激光器11产生脉冲激光光束，脉冲激光光束经扩束镜和聚焦透镜的传输，光束的焦点位置即可确定，通过移动金属谐振腔的位置，可以使得脉冲激光聚焦在谐振腔内底部金属表面中心位置，以实现更好的聚焦效果。
[0074]
如图3所示，在图3示出的场景中，包括脉冲激光束301，谐振腔31的开口端302，谐振腔31的外层303，谐振腔31的内层304和谐振腔31的底部305。其中，谐振腔31的底部305封闭，激光束从谐振腔31的上部开口端302进入谐振腔31，激光声源在谐振腔31内的底部305处产生。
[0075]
在一些实施例中，谐振腔31包括依次连接的至少两个套筒且相邻套筒之间为嵌套连接；其中，至少两个套筒包括第一套筒和第二套筒；第一套筒的第一端是与聚焦组件连通的开口端，第一套筒的第二端是与下一套筒嵌套连接的开口端；第二套筒的第一端是与前一套筒例如第一套筒嵌套连接的开口端，第二套筒的第二端是封闭端，以作为谐振腔31的封闭端。
[0076]
在一些可选实施例中，谐振腔31可以是一个长度可调和/或内径可调的圆柱形的金属谐振腔或具有金属壁面的谐振腔；圆柱形的金属谐振腔易于估算其谐振频率。示例性地，谐振腔31由金属铜材料构成或由包含铜的符合材料构成。
[0077]
在本发明实施例中，长度可调的金属谐振腔具有如下作用：通过光声效应中的等离子体机制在谐振腔内底部把光能转换为声能；并可，通过改变可调谐振腔的长度来对输出声波波形进行调控。
[0078]
在一些实施例中，谐振腔可被调节的尺寸参数包括长度和内径中的至少一种。示例性地，长度可调圆柱形谐振腔由金属铜材料构成，长度可调范围为100mm-200mm，谐振腔的内径的可调范围为20mm-40mm。
[0079]
应理解，本发明实施例中的谐振腔的具体结构能够使得该谐振腔具有可改变的整体长度和/或可改变的内径，更具体的结构实现方式可以根据实际需要进行预先设定，本发明实施例不做具体限定。
[0080]
在一些实施例中，谐振腔31的尺寸调节方式包括手动调节和自动调节中的至少一种；在尺寸调节方式包括自动调节的情况下，声源子系统30还包括：尺寸调节装置33，用于根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节谐振腔31的尺寸为合适尺寸。
[0081]
在该实施例中，谐振腔31的合适尺寸，是指该合适尺寸是可以使得谐振腔31底部焦点处输出波形近似正弦的连续声波的尺寸。
[0082]
在一些实施例中，可以通过手动调节和自动调节相结合的方式调节谐振腔31的尺寸，例如先根据经验将谐振腔31的尺寸手动调节至一个尺寸经验值，再根据接收到的来自预定控制设备的尺寸调节信号，通过第三调节装置32在该尺寸经验值的基础上自动进行微调，当谐振腔尺寸(长度和/或内径)调节为合适值(长度合适值和/或内径合适值)时，输出近似正弦的连续声波。
[0083]
下面结合图4描述本发明实施例中激光换能系统的工作原理，图4是本发明实施例的可调谐振腔内底部表面产生声波的场景示意图。
[0084]
如图4所示，该场景中示意性地示出谐振腔内底部金属靶401，脉冲激光束402聚焦在底部金属靶401处，底部金属靶401处金属原子吸收脉冲激光束402的能量，发生多光子电离和雪崩电离，形成金属等离子体403，由于对激光的屏蔽效应，等离子体403会强烈吸收后续脉冲激光束402的能量，形成局部高温、高压的环境，然后，由于内外压差，等离子体403会剧烈的膨胀、塌缩输出声波耦合进介质中，此时，等离子体空泡可以近似看作一个点声源。单脉冲激光激发等离子体空泡产生的是激波，激波在传输过程中迅速衰减为声波404(正压
与负压不相等)。因此，由激波衰减而来的脉冲声波不是真正意义上的声波。
[0085]
在本发明实施例中，每一个脉冲激光都能够在可调谐振腔内底部金属表面产生一个等离子体403空泡，然后通过膨胀、塌缩输出声波。等离子体403膨胀产生的是正压，膨胀过程把周围的物质推开。膨胀结束后，等离子体403试图缩回去，形成负压。如果提高脉冲激光器的重复频率，等离子体403空泡还没完全缩回来，下一次激光脉冲对等离子体403的激发又继续到来，导致等离子体403空泡膨胀得更大，相应的收缩力会增加，最终达到一种平衡的状态，使底部金属靶401(即焦点处)等离子体403膨胀和塌缩过程形成谐振，产生相对比较规则的声波。声波在谐振腔内底部产生，传播过程中，会与谐振腔管壁发生相互作用。通过改变可调谐振腔的长度来对等离子体403空泡产生声波的波形进行调控，使其输出近似正弦的连续声波。
[0086]
图5为本发明实施例的单个脉冲激光激发长度可调谐振腔产生的时域脉冲声信号图。如图5所示，类似于传统激光换能器在不同激发介质中产生的声波，该脉冲声波为激波衰减而来的且正压大于负压。该数据由采样率为48khz的声压麦克风在空气中测到。由此可见，激波在传输过程中迅速衰减为正压与负压不相等的声波，由激波衰减而来的脉冲声波不是真正意义上的声波。
[0087]
图6本发明一实施例的尺寸可调谐振腔产生的时域声信号图。在图6中，当脉冲激光器的重复频率为1khz时，该谐振腔在连续多个脉冲激光的激发下并没有发生等离子谐振效应。该其特性为：连续的、重复性很好的、由激波衰减而来正负压不相等的声波。该数据由采样率为48khz的声压麦克风在空气中测到。
[0088]
图7本发明另一实施例的尺寸可调谐振腔产生的时域声信号图。当脉冲激光器的重复频率为8khz时，该谐振腔在连续多个脉冲激光的激发下，在焦点处发生等离子谐振效应。
[0089]
并且，当谐振腔调节后的整体长度为124.75mm时，声信号类近似正弦。此时，可以明显看出谐振腔输出的时域声信号的特点是：连续、重复性较好、近似正弦波且正负压相等。该数据同样由采样率为48khz的声压麦克风在空气中测到。
[0090]
通过上述图4-图6的描述可知，根据本发明实施例的激光换能系统，可以通过调节脉冲激光器的重复频率在合适数值，使得脉冲激光信号焦点处基于等离子谐振在固体介质中产生连续声波，后续通过尺寸可调的谐振腔对该连续声波的波形进行调控，从而输出具有近似正弦波形的连续声波信号；本发明实施例的激光换能系统在时域上可以输出连续的、正负压相等的声波。
[0091]
下面结合附图，介绍本发明实施例的激光换能发声方法。图8示出本发明实施例的激光换能发声方法的流程图。
[0092]
在本发明实施例中，激光换能发声方法基于上述实施例的激光换能系统。如图8所示，本发明实施例的激光换能发声方法可以包括如下步骤。
[0093]
s810，将脉冲激光器输出的脉冲激光信号聚焦在谐振腔内的底部表面；s820，在谐振腔内的底部表面将脉冲激光信号转换为脉冲声波信号；s830，调节脉冲激光器的重复频率至合适频率，以在谐振腔内的底部表面将脉冲声波信号转换为连续声波信号；s840，在谐振腔的尺寸被调节至合适尺寸的情况下，输出连续且正负压相等的正弦声波信号。
[0094]
通过本发明实施例的激光换能发声方法，可以在长度可调谐振腔中基于等离子体
谐振效应产生连续声波，该发声方法可以输出声波为连续的、正负压相等的声波。
[0095]
在一些实施例中，步骤s810具体可以包括：s11，利用扩束组件对脉冲激光器输出的脉冲激光信号进行扩束；s12，利用聚焦组件将扩束后的脉冲激光信号，经谐振腔的开口端传输至谐振腔内，并聚焦在谐振腔内封闭端的底部表面。
[0096]
在一些实施例中，利用聚焦组件将扩束后的脉冲激光信号，聚焦在谐振腔内封闭端的底部表面的中心位置；在该实施例中，在步骤s12之后，该方法还可以包括：根据来自预定控制设备的位置调节信号，调整谐振腔的位置，以将脉冲激光信号的聚焦位置调整至谐振腔内的底部表面中心位置。
[0097]
在一些实施例中，脉冲激光信号是脉冲激光器根据信号发生器生成的正弦波信号而产生的激光信号。
[0098]
在该实施例后中，步骤s820具体可以包括：s21，响应于预定控制设备的功率调节信号，调节脉冲激光器的功率，以调节脉冲激光器输出的单脉冲激光的能量；s22，在单脉冲激光的能量使得底部焦点处的光能量密度达到预定能量密度阈值的情况下，在底部焦点处形成等离子体，以通过等离子体的膨胀塌缩，在底部焦点处产生脉冲声波信号。
[0099]
在一些实施例中，步骤s830具体可以包括：响应于预定控制设备的频率调节信号，调节信号发生器输出正弦波信号的频率，以将脉冲激光器的重复频率调节为合适频率，使得等离子体基于合适频率在膨胀塌缩过程中产生谐振，进而在底部焦点处形成连续的声波信号。
[0100]
上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。
[0101]
在一些实施例中，在s830之后和s840之前，该方法还可以包括：根据来自预定控制设备的尺寸调节信号，调节谐振腔的尺寸为合适尺寸。
[0102]
根据本发明实施例的激光换能发声方法，通过调节脉冲激光器的重复频率在合适数值，使得脉冲激光信号焦点处基于等离子谐振在固体介质中产生连续声波，后续通过尺寸可调的谐振腔对该连续声波的波形进行调控，从而输出具有近似正弦波形的连续声波信号，实现在时域上可以输出连续的、正负压相等的声波。
[0103]
下面结合图9描述本发明示例性实施例的激光换能系统的具体工作流程。图9为本发明实施例提供的激光换能系统的场景示意图。
[0104]
在图9所示的场景中，包括：控制计算机901，信号发生器902，脉冲激光器903，扩束镜904，聚焦透镜905，长度可调的固体谐振腔906。
[0105]
在一些实施例中，信号发生器902生成并向脉冲激光器903出正弦波信号，脉冲激光器903根据该正弦波信号生成并输出脉冲激光，脉冲激光的激光束经过扩束镜904的扩束和聚焦透镜905组成的聚焦光路，聚焦在固体谐振腔906内底部的金属表面。
[0106]
在一些实施例中，通过控制计算机901调节脉冲激光器903的功率来改变输出单脉冲激光的能量，当单脉冲能量足够高使得焦点处能量密度阈值大于等离子体机制的阈值时，单个脉冲激光会在谐振腔906内底部金属表面产生等离子体点声源，通过等离子等膨胀、塌缩过生产生激波，激波在传播过程中衰减为脉冲声波。
[0107]
在一些实施例中，通过信号发生器902来调节脉冲激光器903输出脉冲激光的重复频率，即每秒钟激发脉冲声波的次数。当脉冲激光其903的重频频率调节至合适频率值时，焦点处等离子体膨胀、塌缩过程产生谐振，形成连续的声波。
[0108]
在一些实施例中，通过改变可调谐振腔906的长度，对谐振腔906内底部产生的连续声波进行调节，当谐振腔906的整体长度调节合适时，输出近似正弦的连续声波。
[0109]
通过本发明实施例的激光换能系统，基于光声效应中的等离子机制，利用简单的调节脉冲激光重复频率的方法，实现焦点处等离子谐振，在固体介质中产生连续的、正负压相等的声波。
[0110]
本发明的激光换能系统和激光换能发声方法。可以基于光声效应中的等离子体效应激发金属固体产生耦合进介质中的声波，然后通过调节脉冲激光器的重复频率(例如1hz-200khz可调)，驱动等离子体振动过程(膨胀、塌缩)形成谐振，再调节谐振腔的长度，对波形进行调控，使该激光换能器装置输出声波为连续的、正负压相等的、近似正弦的声波。该系统和方法实现真正激光换能器的功能，且简单易行，性能可靠。
[0111]
需要明确的是，本发明并不局限于上文实施例中所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了描述的方便和简洁，这里省略了对已知方法的详细描述，并且上述描述的系统、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0112]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0113]
本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本实施例的范围之内并且形成不同的实施例。
[0114]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。