吳 鵬，秦水介，徐 寧

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；2.貴州省光電子技術(shù)及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽(yáng)550025）

1 引 言

聲音檢測(cè)技術(shù)是開展聲場(chǎng)可視化、噪聲識(shí)別與抑制、遠(yuǎn)程偵聽(tīng)等相關(guān)研究的基礎(chǔ)和前提，在機(jī)械制造、材料科學(xué)、生物醫(yī)療和國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有非常重要的意義［1］。近年來(lái)，光學(xué)測(cè)量方法在測(cè)量領(lǐng)域的快速發(fā)展，尤其是激光測(cè)振儀的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了聲音檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。 Pitts［2］等用CCD探測(cè)脈沖激光被水下超聲波調(diào)制后的光強(qiáng)分布，計(jì)算出激光在聲場(chǎng)中的相位變化及聲場(chǎng)分布；Richoux［3］等利用粒子圖像測(cè)速儀（PIV）測(cè)量聲場(chǎng)中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而計(jì)算出聲音強(qiáng)度，但是該方法需要加入示蹤顆粒物；賀巖［4］等利用水面振動(dòng)引起的反射光相位變化，實(shí)現(xiàn)了水下聲音的單點(diǎn)測(cè)量。

激光聲音檢測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)采集聲場(chǎng)中的介質(zhì)或物體振動(dòng)信息，解調(diào)后得到聲音的基本參數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出聲源的物理特性及聲場(chǎng)分布等信息［5-6］。但上述的幾種測(cè)量方法需要在測(cè)量過(guò)程中設(shè)置特殊的測(cè)量目標(biāo)或?qū)ο?，不屬于?yán)格意義上的非接觸測(cè)量，限制了激光聲音檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

目前，基于固體微片激光的回饋干涉測(cè)量方法［7-11］，具有極高的測(cè)量靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)非配合目標(biāo)的非接觸測(cè)量，符合聲音檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)和要求，且具有全固態(tài)、易準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。鑒于此，本文利用微片Nd∶YO4（釩酸釔）激光器構(gòu)建了基于激光回饋干涉的聲音檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)聲場(chǎng)中的物體并測(cè)量其運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)得到了具有較高信噪比的聲音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了聲音的遠(yuǎn)程非配合檢測(cè)。

2 系統(tǒng)及工作原理

基于微片Nd∶YO4激光器的回饋干涉檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，采用了激光回饋干涉和外差移頻相位測(cè)量的原理。其中，ML（Micro Chip）為微片激光器，BS（Beam Splitter）為分光鏡，AOMs（Acousto-Optic Modulators）為聲光調(diào)制器組，L1、L2為凸透鏡，BE（Beam Expander）為準(zhǔn)直鏡，PD（Photo Detector）為光電探測(cè)器，LIA（Lock-IN Amplifier）為鎖相放大器。

圖1 聲音檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of sound detection system

微片Nd∶YO4激光器在半導(dǎo)體激光器的泵浦下輸出1.064μm的激光，經(jīng)透鏡和準(zhǔn)直鏡后，其中一部分被目標(biāo)反射沿原路回到激光諧振腔內(nèi)，發(fā)生回饋干涉并引起激光器輸出功率的調(diào)制。此時(shí)，AOMs使激光產(chǎn)生頻率為2Ω的移頻，形成移頻回饋光，形成了外差回饋，提高了測(cè)量的靈敏度和精度?？梢詫⒁祁l回饋光對(duì)激光器輸出功率的調(diào)制［12-13］表示為：

其中，G（x）為微片激光器對(duì)移頻回饋光的增益放大系數(shù)，可以將其表示為：

其中，k為外腔光場(chǎng)在諧振腔內(nèi)的耦合系數(shù)；γc為光子衰減速率；η為激光器泵浦強(qiáng)度；γ為反轉(zhuǎn)粒子的衰減速率；ωR為激光弛豫振蕩頻率。當(dāng)外差移頻頻率2Ω等于弛豫振蕩頻率時(shí)，其增益系數(shù)可以超過(guò)106。因此，外差移頻回饋的測(cè)量方法大大降低了對(duì)測(cè)量目標(biāo)表面反射率的要求，這也是激光移頻回饋相位測(cè)量方法具有高測(cè)量靈敏度原因所在，微片激光器在回饋測(cè)量系統(tǒng)中不僅作為光源，還是一個(gè)高靈敏度的探測(cè)器。

光電探測(cè)器將其采集到的功率調(diào)制信號(hào)送入鎖相放大器中進(jìn)行解調(diào)，可以得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相位變化，根據(jù)D=Δφ×c/2nω即可計(jì)算并記錄目標(biāo)的位移，進(jìn)而分析得到振動(dòng)的波形和頻譜等。此外，高斯光束的發(fā)散角會(huì)使激光的功率密度在長(zhǎng)距離傳播后迅速降低，降低測(cè)量的信噪比。因此，激光束的準(zhǔn)直對(duì)遠(yuǎn)距離的測(cè)量顯得非常有必要。在圖1的系統(tǒng)中使用透鏡L1、L2和BE和準(zhǔn)直鏡BE對(duì)光束進(jìn)行了兩級(jí)準(zhǔn)直，壓縮了激光的空間發(fā)散角，有效地提高了系統(tǒng)的工作距離和回饋信號(hào)的強(qiáng)度。

3 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

為使研究工作盡可能與實(shí)際檢測(cè)的環(huán)境相符合，在實(shí)驗(yàn)中使用普通白紙作為檢測(cè)目標(biāo)，它屬于典型的非配合目標(biāo)。將目標(biāo)放置在揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲場(chǎng)中，兩者間的距離約為300 mm，揚(yáng)聲器的聲壓級(jí)為60 dB，系統(tǒng)距離目標(biāo)的距離約為25 m。圖2所示為移頻回饋調(diào)制后的激光功率譜，其中，移頻信號(hào)的頻率為2 MHz，其信噪比超過(guò)15 dB。

圖2 系統(tǒng)光功率譜Fig.2 Power spectrum of laser modulated

對(duì)單頻聲音信號(hào)的檢測(cè)是聲音檢測(cè)研究的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)利用軟件生成標(biāo)準(zhǔn)的單頻正弦波信號(hào)，輸入揚(yáng)聲器后使其發(fā)出單一頻率的聲音信號(hào)，驅(qū)動(dòng)目標(biāo)振動(dòng)。測(cè)量系統(tǒng)采集目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相位變化，由鎖相放大器進(jìn)行相位識(shí)別和信號(hào)解調(diào)，計(jì)算得到目標(biāo)的位移，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理以后，我們得到了目標(biāo)的振動(dòng)規(guī)律。改變聲音信號(hào)的頻率，分別檢測(cè)了不同頻率下目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況。圖3所示為測(cè)量目標(biāo)的振動(dòng)波形（左）和頻譜（右）。

圖3 目標(biāo)振動(dòng)波形與頻譜Fig.3 Vibration wave and spectrum of target

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)在不同頻率的聲音信號(hào)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生受迫振動(dòng)，系統(tǒng)能夠很好地識(shí)別目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，并較好地測(cè)量了振動(dòng)的頻率和幅值。將測(cè)量得到的結(jié)果通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)得到了恢復(fù)后的聲音信號(hào)，與原始信號(hào)基本一致。需要注意的是，目標(biāo)對(duì)不同頻率的聲音信號(hào)具有不同的響應(yīng)，使目標(biāo)的振幅隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加逐漸降低，但這并不影響系統(tǒng)對(duì)聲音信號(hào)的檢測(cè)性能。系統(tǒng)的振幅測(cè)量范圍由系統(tǒng)的檢測(cè)帶寬和波長(zhǎng)決定：Am=Δν×λ/4πf，鎖相放大器的檢測(cè)帶寬為200 kHz，波長(zhǎng)為1.064μm，計(jì)算得到20 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的最大振幅為0.424 mm和0.424μm，能夠滿足實(shí)際工作的需要。此外，圖3中的信號(hào)發(fā)現(xiàn)在50 Hz內(nèi)的低頻段存在波動(dòng)和噪聲，產(chǎn)生的原因主要是遠(yuǎn)距離測(cè)量中，光路中的空氣擾動(dòng)、聲光調(diào)制器的熱蠕動(dòng)、混入電路中的工頻信號(hào)以及目標(biāo)隨空氣的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)等干擾的綜合體現(xiàn)，通過(guò)濾波可以對(duì)其進(jìn)行有效地抑制。

在單頻聲音信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)一段音頻信號(hào)進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Result of detection

圖4為聲音信號(hào)的波形（左）與頻譜（右），從中可以發(fā)現(xiàn)，原始信號(hào)與恢復(fù)信號(hào)相比，存在較大的噪聲，且高頻區(qū)域的信號(hào)損失較大，這與目標(biāo)對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)較弱的分析是一致的。采用數(shù)字濾波、放大等方式進(jìn)行信號(hào)處理后，利用計(jì)算機(jī)重構(gòu)得到了較為清晰的聲音信號(hào)，基本恢復(fù)了原始聲音信號(hào)中的信息。

3 結(jié) 論

本文將激光回饋技術(shù)應(yīng)用于聲音檢測(cè)研究中，利用微片Nd∶YO4激光器構(gòu)建了聲音檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了聲音信號(hào)的遠(yuǎn)距離檢測(cè)，能夠較好地測(cè)量不同頻率的聲音信號(hào)，重構(gòu)得到的音頻信號(hào)清晰可辯。由于該系統(tǒng)具有非常高的檢測(cè)靈敏度，無(wú)需在聲場(chǎng)中設(shè)置特殊的測(cè)量目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)聲音的非接觸和非配合檢測(cè)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)激光的準(zhǔn)直，工作距離超過(guò)25 m，能夠滿足多種場(chǎng)合聲音檢測(cè)工作的需要，具有較大的實(shí)際意義，在國(guó)防軍事、遠(yuǎn)程偵聽(tīng)、安防安保等方面都有較大的應(yīng)用前景。