折射-測振技術(shù)
折射-測振法:聲音與超聲的可視化
Polytec掃描式激光測振儀PSV系統(tǒng)成功應(yīng)用于超聲波技術(shù)已有很多年，它可將微小振幅、高頻率的表面振動可視化。除諧振外，新一代PSV系統(tǒng)還可以采集周期性重復(fù)的時間信號，使聲波和超聲波在二維可見，本文將為大家介紹Polytec激光測振儀在這方面的應(yīng)用。
激光振動測量的經(jīng)典應(yīng)用:表面波的可視化
在超聲波技術(shù)中，固體的共振 (即諧振)頻率通常高于聽覺閾值20kHz。在這個頻率范圍內(nèi)所產(chǎn)生的振動的振幅很小(通常為20~50μm，極端情況下可達100μm)，這就是為什么肉眼無法觀察到的原因，我們需要特殊的測量技術(shù)來測量這些振動。激光測振技術(shù)是超聲技術(shù)中較為理想的表面波可視化測量方法(如圖1)，其采用非接觸式測量方法，快速采集二維諧振，且直接測量振動速度，完全不受超聲技術(shù)極端條件的影響。
圖1：使用掃描式激光測振儀測量超聲粉塵檢測儀的振型
折射-測振法測量聲場分布
在許多超聲波技術(shù)應(yīng)用中，壓電式超聲波發(fā)生器用于在流體介質(zhì)(空氣或水)中發(fā)射超聲波。我們熟知的水中聲波輻射應(yīng)用如超聲波清潔技術(shù)、超聲波流量測量技術(shù)、聲納和回聲測深及其在醫(yī)學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用(如妊娠診斷)。
超聲波輻射在空氣中的一個重要應(yīng)用是距離傳感技術(shù)或測距。這項技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用涵蓋了從作為興趣愛好的手持測量設(shè)備到專業(yè)的工業(yè)自動化解決方案，包括用于泊車的距離傳感器和車尾的警告?zhèn)鞲衅鳌?/span>
在所有這些應(yīng)用中，目標超聲在空間的分布(聲錐或輻射方式)對于確保系統(tǒng)的可靠工作非常重要，激光測振儀通過非接觸式測量空氣中的聲壓波來測量其分布情況。
這一過程稱為折射-測振法，測量原理基于聲波的壓力變化總是導(dǎo)致氣體密度變化，從而導(dǎo)致光折射率略有變化。當激光照射到介質(zhì)中，由光波通過時間的變化可以推導(dǎo)出局部壓力。因此，折射-測振法可以理解為折射（光彎曲）和測振法這兩個術(shù)語組合而成。
參考文獻[1]解釋了超聲波對光折射的基本影響(如德貝-西爾斯效應(yīng)和多普勒效應(yīng))。Zipser和Matar等人在參考文獻[2][3][4]和[5]解釋了如何使用掃描式激光測振儀非接觸式測量壓力分布，然后將其可視化為隨時間變化的動畫。為此，可以使用一種裝置，使激光束通過傳播中的超聲波，然后通過一個固定的反射器從聲場后面反射回來(圖2)。這種應(yīng)用技術(shù)在參考文獻[6][7]中有介紹。
圖2: 掃描式激光測振儀和相應(yīng)反射器的布置圖，對空氣中聲傳播或超聲波平面波進行折射-振動測量
掃描式激光測振儀的測量數(shù)據(jù)經(jīng)后處理，顯示了虛擬的速度分布，經(jīng)驗不足的用戶可能會將其錯誤地理解為反射器的表面運動。然而，它其實定性地呈現(xiàn)了感興趣區(qū)域內(nèi)的聲壓分布，圖3是基于超聲的懸浮激振器下的聲壓分布實例。
圖3:在空氣中產(chǎn)生駐波的超聲換能器的聲壓分布。右邊的圖像顯示了水滴在聲壓節(jié)點中被駐波保持懸浮狀態(tài)。該測量由德國帕德伯恩大學(xué)機電一體化和動力學(xué)小組成員共同完成。
在精確詮釋測量結(jié)果時需要保持謹慎，因為每一個測量點都是激光束從測量儀器到反射器再返回的路徑上的聲音分布的積分。在數(shù)學(xué)理論上，可用沿光束路徑的線積分來表示。
對于圖2所示的平面波，測振儀顯示的虛擬速度值與相應(yīng)位置的聲壓成正比(假設(shè)測振儀與被測物的測量距離足夠大)。對于非平面聲壓分布，可以通過合理計算得到精確的聲壓值。例如，如圖3所示的定位器下形成的駐波是旋轉(zhuǎn)對稱的聲音分布，表現(xiàn)的一致是因為這是2D的展示。經(jīng)過檢測，這些駐波的最大聲強點的最大聲壓級為166dB。參考文獻[8]詳細描述了根據(jù)測量的虛擬速度來計算聲壓級的過程。
對于復(fù)雜的聲壓分布，折射-測振法能快速良好地定性描述真實聲場分布，這在對聲壓環(huán)境沒有精確的前期了解時是非常有用的。其它測量方法則需要花費更多的精力和時間，圖4顯示的是超聲氣墊懸浮光盤下方產(chǎn)生的共振聲場的壓力分布，懸浮光盤本身就是一個聲音反射器。
圖4：圓形彎曲板的超聲振動使光盤懸浮。利用折射-測振法，可以輕松地得到共振聲場中的聲壓分布
由于激光束經(jīng)過幾個高、低聲壓的圓形區(qū)域，聲壓的定量計算非常復(fù)雜，需要進行特殊的斷層掃描重構(gòu)處理。在Polytec第9次研討會上，我們介紹了斷層掃描方法，用來定量重構(gòu)使用折射-測振技術(shù)測試出來的懸浮在水中的超聲發(fā)射器的聲壓分布。
當用掃描式激光測振儀測量任意周期信號而非正弦信號的折射率時，這種技術(shù)尤其令人印象深刻。德國雅典娜技術(shù)咨詢有限公司（ATHENA Technologie Beratung GmbH）公司對使用脈沖回波法測量距離的手動設(shè)備的聲波進行了分析。圖5顯示了壓力波包脈沖以c=344m/s(聲速)從轉(zhuǎn)換器到反射器的瞬時圖像。超聲波頻率f = 40kHz，可分離出與波長相對應(yīng)的壓力最大值，λ=c/f=344(m/s)/40kHz=8.6mm。
圖5：脈沖-回聲測距儀的傳播聲壓包的折射-測振測量
超聲波測距儀根據(jù)從換能器到反射器再返回的波包的傳輸時間，自動確定傳感器與反射器間的距離。當壓電產(chǎn)生的超聲波在換能器的傳遞表面衰減后，換能器立即切換到接收模式并測量時間，直到聲波回聲使壓電換能器再次振動。由于在空氣中的波速c已知，可以根據(jù)波包傳輸時間，計算出傳感器與反射器之間的距離s=c·t/2。在這種特殊的折射-測振中，使用了掃描式激光測振儀的時間測量功能。參考文獻[13]的案例類似，不同的是波的傳播介質(zhì)是水而不是空氣。
總結(jié)
掃描式激光測振儀不僅可用于表面振動測量，還可以以動畫方式形象地顯示出聲壓分布。定性結(jié)果比較容易得出，在無過多的信號處理的前提下，只有在特殊情況下才能獲取準確的聲壓值。由于聲壓分布是復(fù)雜的三維分布，必須利用測振儀測量的虛擬速度，采用復(fù)雜的斷層掃描方法來確定局部聲壓。在重建過程中通常需要定性假設(shè)某個時刻的聲壓分布，以加快計算速度。因此，給掃描式激光測振儀定義一個“自動聲壓評估”功能是不太現(xiàn)實的。
參考文獻
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