声场可视化测量
发布日期:2020-03-11 14:13:07

扫描式激光测振仪已经成功的应用于超声技术很多年了,使微振幅的表面振动和高频振动可视化。除了谐波振动,新一代仪器还可以获取周期重复的时间序列。除此之外,扫描式激光测振仪还可以将声场或超声场二维可视化。

 

典型的激光测振仪应用:表面波可视化

超声技术中,粒子的共振通常是由高于20KHz的信号激励。在这个频率范围,只会产生很小的振幅(通常20-50um),所以这些振动是人眼不可见的。为了测量这些振动,需要采用专门的测量技术。激光测振仪就是一种理想的测量方法使表面波可视化。激光测振仪采取非接触测量,可以实现二维数据快速获取,直接测量速度,完全适用于超声技术中的各种极端情况。


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图1 扫描式激光测振仪显示波在物体表面的传播


折光法用于可视化声场分布

在许多超声技术应用中,超声波产生在流体介质中(空气或水),如超声清洗技术、超声流量测量、声纳以及医学超声检查技术。对于这些应用,空间的超声分布对于系统的稳定工作非常重要。激光测振仪可以通过非接触的测量空气中声压波的方法测量声场分布。声波传播时会导致空气密度的变化,从而使光的折射率产生轻微的变化,这个过程叫折光法。当一束激光穿过介质时,意味着光波传输时间的变化,从而可以推导出局部压力。折光法是一种光的折射和振动测量技术的结合。

 

科学家已经研究了超声波对光的折射的基本影响,说明了如何利用扫描式激光测振仪非接触的测量声压分布,把声压分布可视化为随时间的动画。测量装置如图2所示,激光束透过传输的超声波,被放置在声场后面的静止的反射器返回。

 

扫描式激光测振仪的测量数据处理后显示了一个虚拟的速度分布,这个速度分布很可能被误理解为反射器的表面运动,其实这就是感兴趣区域声压分布的定性表示。 


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图2 折光法测量声压分布原理


为了准确的理解测量结果需要注意,每一个测量点是声场分布在光束方向上来回的集合,数学上可以表示为沿光束的线性合成。对于图2所示的平面波,激光测振仪得到的虚拟速度值正比于各自区域的声场压力。对于非平面声场分布,经过合理的计算也可以得到声压的准确值。如图3所示的超声换能器下形成的驻波场是一个旋转对称的声场分布,由于采用了二维的呈现,声场看上去显得对称统一。经过合理的计算,可以确定驻波场中最大声强的点声压大约166dB。


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图3 超声换能器下声场分布,右为声场中悬浮的水滴



对于复杂的声压分布,折光法提供了一个真实声场分布的快速概览,如果用其它方法需要花费更多的精力和时间。图4 描述了一个超声空气垫形成的声压分布悬浮了一个CD盘,图中描绘了CD盘下方的声场分布,悬浮的CD盘起到了声场反射器的作用。因为激光束通过了几个不同声压的圆形区域,声压的定量计算非常复杂需要特殊的断层扫描重建技术。在第九届Polytec激光测振学术会议上,提出了一种断层扫描方法,可以用于类似的声压分布的定量重建。当折光测量时,如果激光测振仪的激励信号是劝拿判缕咸丫┕偻⒉徕周期信号而非正选信号时,这种技术的效果令人印象深刻。


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图4 超声声场悬浮起CD盘


如图5所示,显示了一个压力波包的瞬时图像。40KHz的超声波,形成了基于波长的压力最大值的分离。超声波测距仪基于反射波的传输时间确定距离,在超声换能器产生的超声脉冲衰减后,换能器转换为接收模式,测量接收到回波的时间。因为空气中的波速是已知的,距离S就可以根据回波时间计算得到,S=c*t/2。扫描式激光测振仪的时间测量选项就是利用了这种回波测量。


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图5 传播声场的回波距离测量

总结

扫描式激光测振仪不仅适用于表面振动测量,也可以提供描绘声场分布的动画显示。定性的结果相对容易,声压的准确数值结果只有在不需要过量信号处理的个别情况下才能得到。对于复杂的三维声压分布,需要采用断层扫描技术由测量到的虚拟速度值确定局部声压。通常在重建过程中,在某些点上采用定性声压分布的假设来加速计算,因此,激光测振仪不可能定义一种自动的声压评估功能。

 




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