Page 80 - 《应用声学》2020年第4期

566 2020 年 7 月

与换能器表面距离为 350 mm 处的时域瞬态声压信 使用图 2 的时域接收信号进行快速傅里叶变
号如图 2 所示。图 3 给出空耦换能器水平方向声压 换，计算电声效率作为灵敏度指标，求得空耦换能器
分布的测量结果，与空耦换能器表面的垂直距离 的灵敏度如图 4 所示，图例中 “LDV法” 表示激光测
为 350 mm，水平方向上每间隔 1 mm 设置一个测 振仪直接测量电声效率的方法，“电测法” 表示常规
量点。实验测量时，每个测量点的信号采集均独立 方法，数据引自参考文献 [14]。图4中对灵敏度进行
地重复 10 次，记录最大、最小、平均测量值和标准 了归一化处理，以便在同一张图中对照显示。当频
差，在图 3 中给出误差分析。图例中 “计算值” 是使 率为 450 kHz 时，该空耦换能器的灵敏度最高。因
用CIVA软件在相同条件下的仿真计算结果。 为排除了接收换能器的影响，与常规方法的测试结
根据图2 和图 3，按照参考文献[15]给出的测量 果有所不同，该结果直接反映出单个空耦换能器的
方法，由圆形活塞型换能器的等效面积计算得到指 特性。
向性因数，进一步计算出辐射声功率。辐射声功率 10
按照公式(6)计算 [15] ： 5 LDVข
ႃ฾ข
2
2
W a = 4πd P(ω) / (ρcR θ ) , (6) 0
-5
其中，W a 是辐射声功率，π 是圆周率，d 是测量点与 ༧ஐए/dB -10
换能器表面的距离，P(ω) 是距离 d 处声轴方向上的 -15
声压的傅里叶变换，ρ 是密度，c 是声速，R θ 是指向
-20
性因数。
-25
-30
6 400 450 500 550 600
ᮠဋ/kHz
4
图 4 空耦换能器灵敏度测试
2 Fig. 4 The sensitivity test of the air-coupled
ܦԍ/Pa 0 transducer

-2
2.2 空耦检测系统声场观测
-4 进一步将该系统用于空耦检测系统的声场观
-6 测实验。空耦检测系统通常包括空气和待测固体，
1000 1020 1040 1060 与传统的水浸或接触式换能器的辐射声场相比，由
௑ᫎ/ms
于空气和固体之间巨大的声阻抗差异，空耦换能器
图 2 时域瞬态声压 在空气中的声场较弱。基于同样原因，空耦检测系
Fig. 2 Temporal acoustic pressure
统在待测固体内部的声场更加微弱。依靠高灵敏度
0 的激光多普勒实验系统，可以同时实现对空耦检测
฾᧚ϙ 系统空气和固体内部微弱声场的观测。
ᝠካϙ
-5 对空耦换能器激励固体板中漏兰姆波实验进
ॆʷӑܦԍ/dB -10 行观测。固体板的材料为 K9 玻璃，厚度为 3 mm，

上下界面为空气时，计算漏兰姆波群速度频散曲线
如图 5 所示，当频率为 350 kHz 时，板内 A0 模式兰
-15 姆波的群速度为 5315 m/s。激光测量区域大小为
80 mm×15 mm，覆盖 K9 玻璃板的上方、板内和下

-20 方。使用峰峰值为 400 V、中心频率为 350 kHz 的
0 5 10 15 20 25 30
ඵࣱͯᎶ/mm 超声激励信号，激励中心频率为 350 kHz 的空耦换
图 3 水平方向声压分布 能器。在空耦换能器频带范围内，K9 玻璃板内只
Fig. 3 The horizontal acoustic pressure distribution 存在 A0 或 S0 模式的漏兰姆波。调整空耦换能器角