Page 78 - 《应用声学》2020年第4期

564 2020 年 7 月

段，有助于空耦检测系统中声波传播和散射现象的
0 引言
研究。
空气耦合超声检测技术是一种非接触的无损
1 基于激光多普勒测振仪的声压测量方法
检测技术，由于使用了空气代替水或其他传统耦
合剂，在一次完整的空耦检测过程中涉及到多次 1.1 测量原理
声波在气 -固界面的透射，导致声波信号较弱，给 激光多普勒测振仪可以检测出反射体表面的
空耦换能器的特性评价和空耦检测系统声场的 振动速度。其原理是多普勒效应：运动的物体反射
实验观测带来了一定难度 [1−2] 。与接触式或水浸 的激光信号频率会发生多普勒频移。反射的激光信
超声检测不同，目前针对空耦超声检测声场的直 号的多普勒频移和反射体的振动速度之间的关系
接实验测量方法的相关研究还有所欠缺，具体体 如公式(1)所示 [11] ：
现为： 2v cos θ
∆f = , (1)
(1) 空耦换能器灵敏度的常规检测手段是对系 λ
其中，∆f 是激光的多普勒频移，v 是反射体表面的
统插入损耗的测量 [3] ，即使用同轴正对的两个空耦
换能器，间隔一定距离，按照一发另一收的方式获得 振动速度，v cos θ 表示垂直于激光入射方向的表面
接收信号，计算整个系统的插入损耗，以此作为空耦 振速分量，λ是激光的波长。激光测振仪检测反射光
与入射光之间的频移，通过拍频的方式转化为电压
换能器的灵敏度评价指标。测得的灵敏度曲线受到
信号输出，输出的信号幅值与反射体相对于激光源
接收换能器性能和换能器间距的影响，没有完全直
的表面振速成正比。
接反映出单个空耦换能器的性能。但受限于空耦换
使用激光测振仪测得的物体表面振速与光程
能器的灵敏度，类似水听器式的直接测量方法难度
和折射率都相关，如公式(2)所示 [12] ：
较大。
dn dz
(2) 在空耦超声检测系统中，主要关注接收换 v = z + n , (2)
dt dt
能器最终接收的电信号，而对于空耦检测系统内的
其中，z 是光程，n 是折射率。公式 (2) 表明，当反射
中间过程，如发射换能器产生的声波、进入待测固
体静止时，激光的光程不变，测得的多普勒频移来源
体后的声波、从待测固体中出射的声波等，由于空
于介质折射率的变化。
耦换能器的低灵敏度，常规的观测方法，如施利仑
参考文献 [13]给出介质中压强与折射率的关系
法 [4] 或动态光弹法 [5−6] 难以实现以上中间过程的
如公式(3)所示：
声场观测。
7.86 × 10 −1 P
使用激光多普勒测振仪，可以实现高灵敏度、大 n = 1 +
273 + T
动态范围、宽频带的非侵入式声压测量，文献 [7–10] −11 2
− (1.50 × 10 )RH(T + 160), (3)
将其应用于流体介质体波声场的可视化和材料特
其中，P 是压强，T 是温度，RH是相对湿度。公式 (3)
性分析，是一种值得关注的测量方法。
表明，介质内折射率的变化量和压强的变化量成正
本文使用激光多普勒测振仪搭建实验测试系
比。当介质中存在时变的超声信号时，压强的变化
统，实现了空气和固体中微弱声波的时域瞬态声
量由超声信号的声压提供。
压的非侵入式实验观测。应用于空耦超声检测，设
根据上述原理，可以搭建如图 1 所示的声压测
计出一种直接测量单个空耦换能器灵敏度的方法，
量系统。激光穿过介质，被垂直放置的静止反射体
并对空耦检测系统中间过程难以直接实验观测的
反射后沿原路径返回并接收。当介质中有声波经过
问题给出解决方案。具体内容包括：(1) 通过空耦
激光路径时，变化的声压引起折射率的变化，使激光
换能器声压和指向性的测量，计算电声效率，进而
测振仪测量到一个虚拟的表面振速信号。将激光测
实现单个空耦换能器的灵敏度评价，不受接收换
振仪的输出信号积分后代入公式(4)，即可计算出介
能器性能和不同的声波传播距离的影响，可以直
质中超声信号的声压 [7] 。
接反映出单个空耦换能器的灵敏度性能。(2) 提供 n
一种对空耦检测系统内部微弱声场的实验观测手 P u = zβ u, (4)