Page 79 - 《应用声学》2020年第4期

第 39 卷 第 4 期 吴樵等： 利用激光多普勒测振仪的空气耦合超声声场测量 565

其中，常数 β = 2.68 × 10 −9 Pa −1 ，u 是反射体的表 制。为了保证平均处理的准确进行，实验中使用
面位移，P u 是超声信号的声压。公式 (4) 表明，测得 Panametrics5800PR超声分析仪输出外同步触发信
的声压是激光路径上声压分布的累积。与动态光弹 号，同时提供给超声发射设备、激光测振仪和示波
法类似，该方法是对三维声场的二维测量。 器，保证测量系统获得稳定的延时信息。此外，在反
射体表面粘贴一层增透膜，用于提高接收激光信号
的质量。
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٨ 2 空气耦合超声声场实验测试
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2.1 空耦换能器灵敏度评价
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空耦换能器灵敏度的常规评价方法是将一对
༏А᡹य़ 空耦换能器间隔一定距离同轴正对放置，以一发另
ᇨฉ٨ ༏А 一收系统的插入损耗作为空耦换能器的灵敏度评
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价指标。分别测量发射和接收换能器两端的激励信
图 1 激光测振仪实验测试系统 号和接收信号，按照公式(5)计算插入损耗：
Fig. 1 The experimental system using laser ( V r )
IL = 20 lg , (5)
Doppler vibrometers V t
其中，IL插入损耗，V r 是接收信号幅值，V t 是激励信
1.2 实验系统
号幅值的二分之一，分别由时域接收信号和激励信
实验系统如图 1 所示，该实验系统的测试对象
号经傅里叶变换得到。
为透明介质中的声场，包括空气或透明固体 (如 K9
上述方法测得的插入损耗，同时受到发射和接
玻璃)。 收空耦换能器的性能影响。此外，测量结果还与两
实验系统包括自研空耦换能器、超声发射设备、
个空耦换能器的间距有关。在不同文献给出的实验
激光测振仪、示波器、反射体等。超声发射设备为 测试条件中，换能器间距往往不统一，由此得到的系
Panametrics 5800PR 超声分析仪 (单脉冲激励) 或 统插入损耗曲线虽然也可以反映出空耦换能器的
自研设备 (脉冲串激励)。自研空耦换能器两对，中 性能，但还不够直接准确。
心频率分别为350 kHz和510 kHz，换能器特性可参 借助本文搭建的实验系统，使用激光测振仪测
考文献 [14]。激光测振仪为 Polytec PSV400，激光 量单个空耦换能器在空气中的时域瞬态声压，计
穿过超声信号区域后，被设置在待测区域后方、垂 算单个空耦换能器的电声效率，可以设计出一种
直于激光路径的反射体反射，沿原路径返回激光头， 空耦换能器灵敏度的直接评价方法：(1) 在空耦换

输出信号通过Tektronix 3012B示波器接收。 能器远场某距离 d 处，测量声轴上的时域瞬态声压
实验系统中存在一些可能影响到测量结果的 p d ；(2) 垂直于声轴方向移动测量点，得到换能器主
外部因素：根据公式 (2)，不为零的反射体表面法向 瓣的指向性图案，计算指向性因数 R θ ；(3) 测量空
振速会被错误地视为折射率变化，从而使超声波声 耦换能器的阻抗和激励电压，得到输入电功率 W e ；
压的测量值大于真实值；根据公式 (3)，不稳定的温 (4) 根据声压和指向性因数计算空耦换能器的辐射
度和相对湿度会导致介质折射率的变化，这种变化 声功率W a ，从而得到电声效率η。
会被错误地当作由超声波引起的声压变化。 该方法通过直接测量空耦换能器的电声效率
实验室环境下，空气的温度和相对湿度通常 来评价单个空耦换能器的灵敏度性能，规避了常规
能够保持稳定，反射体放置在稳定的支持平台上 方法中接收换能器性能和不同声波传播距离对插
以保持静止。为了进一步减小可能的随机误差对 入损耗的影响，可以直接反映出单个空耦换能器的
测量结果的影响，保证微弱信号的测量效果，使用 特性。
示波器对采集的接收信号进行 512 次平均处理。经 实验结果如下。使用的空耦换能器直径为
过平均处理后的接收信号，随机噪声得到有效抑 30 mm，在空气中的近场区长度是 330 mm。测量