折射-测振技术

折射-测振法:声音与超声的可视化

Polytec扫描式激光测振仪PSV系统成功应用于超声波技术已有很多年，它可将微小振幅、高频率的表面振动可视化。除谐振外，新一代PSV系统还可以采集周期性重复的时间信号，使声波和超声波在二维可见，本文将为大家介绍Polytec激光测振仪在这方面的应用。

激光振动测量的经典应用:表面波的可视化

在超声波技术中，固体的共振 (即谐振)频率通常高于听觉阈值20kHz。在这个频率范围内所产生的振动的振幅很小(通常为20~50μm，极端情况下可达100μm)，这就是为什么肉眼无法观察到的原因，我们需要特殊的测量技术来测量这些振动。激光测振技术是超声技术中较为理想的表面波可视化测量方法(如图1)，其采用非接触式测量方法，快速采集二维谐振，且直接测量振动速度，完全不受超声技术极端条件的影响。

图1：使用扫描式激光测振仪测量超声粉尘检测仪的振型

折射-测振法测量声场分布

在许多超声波技术应用中，压电式超声波发生器用于在流体介质(空气或水)中发射超声波。我们熟知的水中声波辐射应用如超声波清洁技术、超声波流量测量技术、声纳和回声测深及其在医学技术中的应用(如妊娠诊断)。

超声波辐射在空气中的一个重要应用是距离传感技术或测距。这项技术的商业应用涵盖了从作为兴趣爱好的手持测量设备到专业的工业自动化解决方案，包括用于泊车的距离传感器和车尾的警告传感器。

在所有这些应用中，目标超声在空间的分布(声锥或辐射方式)对于确保系统的可靠工作非常重要，激光测振仪通过非接触式测量空气中的声压波来测量其分布情况。

这一过程称为折射-测振法，测量原理基于声波的压力变化总是导致气体密度变化，从而导致光折射率略有变化。当激光照射到介质中，由光波通过时间的变化可以推导出局部压力。因此，折射-测振法可以理解为折射（光弯曲）和测振法这两个术语组合而成。

参考文献[1]解释了超声波对光折射的基本影响(如德贝-西尔斯效应和多普勒效应)。Zipser和Matar等人在参考文献[2][3][4]和[5]解释了如何使用扫描式激光测振仪非接触式测量压力分布，然后将其可视化为随时间变化的动画。为此，可以使用一种装置，使激光束通过传播中的超声波，然后通过一个固定的反射器从声场后面反射回来(图2)。这种应用技术在参考文献[6][7]中有介绍。

图2: 扫描式激光测振仪和相应反射器的布置图，对空气中声传播或超声波平面波进行折射-振动测量

扫描式激光测振仪的测量数据经后处理，显示了虚拟的速度分布，经验不足的用户可能会将其错误地理解为反射器的表面运动。然而，它其实定性地呈现了感兴趣区域内的声压分布，图3是基于超声的悬浮激振器下的声压分布实例。

图3:在空气中产生驻波的超声换能器的声压分布。右边的图像显示了水滴在声压节点中被驻波保持悬浮状态。该测量由德国帕德伯恩大学机电一体化和动力学小组成员共同完成。

在精确诠释测量结果时需要保持谨慎，因为每一个测量点都是激光束从测量仪器到反射器再返回的路径上的声音分布的积分。在数学理论上，可用沿光束路径的线积分来表示。

对于图2所示的平面波，测振仪显示的虚拟速度值与相应位置的声压成正比(假设测振仪与被测物的测量距离足够大)。对于非平面声压分布，可以通过合理计算得到精确的声压值。例如，如图3所示的定位器下形成的驻波是旋转对称的声音分布，表现的一致是因为这是2D的展示。经过检测，这些驻波的最大声强点的最大声压级为166dB。参考文献[8]详细描述了根据测量的虚拟速度来计算声压级的过程。

对于复杂的声压分布，折射-测振法能快速良好地定性描述真实声场分布，这在对声压环境没有精确的前期了解时是非常有用的。其它测量方法则需要花费更多的精力和时间，图4显示的是超声气垫悬浮光盘下方产生的共振声场的压力分布，悬浮光盘本身就是一个声音反射器。

图4：圆形弯曲板的超声振动使光盘悬浮。利用折射-测振法，可以轻松地得到共振声场中的声压分布

由于激光束经过几个高、低声压的圆形区域，声压的定量计算非常复杂，需要进行特殊的断层扫描重构处理。在Polytec第9次研讨会上，我们介绍了断层扫描方法，用来定量重构使用折射-测振技术测试出来的悬浮在水中的超声发射器的声压分布。

当用扫描式激光测振仪测量任意周期信号而非正弦信号的折射率时，这种技术尤其令人印象深刻。德国雅典娜技术咨询有限公司（ATHENA Technologie Beratung GmbH）公司对使用脉冲回波法测量距离的手动设备的声波进行了分析。图5显示了压力波包脉冲以c=344m/s(声速)从转换器到反射器的瞬时图像。超声波频率f = 40kHz，可分离出与波长相对应的压力最大值，λ=c/f=344(m/s)/40kHz=8.6mm。

图5：脉冲-回声测距仪的传播声压包的折射-测振测量

超声波测距仪根据从换能器到反射器再返回的波包的传输时间，自动确定传感器与反射器间的距离。当压电产生的超声波在换能器的传递表面衰减后，换能器立即切换到接收模式并测量时间，直到声波回声使压电换能器再次振动。由于在空气中的波速c已知，可以根据波包传输时间，计算出传感器与反射器之间的距离s=c·t/2。在这种特殊的折射-测振中，使用了扫描式激光测振仪的时间测量功能。参考文献[13]的案例类似，不同的是波的传播介质是水而不是空气。

总结

扫描式激光测振仪不仅可用于表面振动测量，还可以以动画方式形象地显示出声压分布。定性结果比较容易得出，在无过多的信号处理的前提下，只有在特殊情况下才能获取准确的声压值。由于声压分布是复杂的三维分布，必须利用测振仪测量的虚拟速度，采用复杂的断层扫描方法来确定局部声压。在重建过程中通常需要定性假设某个时刻的声压分布，以加快计算速度。因此，给扫描式激光测振仪定义一个“自动声压评估”功能是不太现实的。