Page 78 - 《应用声学》2020年第4期
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                                                               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)
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