吳 樵 周雨軒 廉國選 王小民

(1 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點實驗室 北京 100190)

(2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

0 引言

空氣耦合超聲檢測技術(shù)是一種非接觸的無損檢測技術(shù)，由于使用了空氣代替水或其他傳統(tǒng)耦合劑，在一次完整的空耦檢測過程中涉及到多次聲波在氣-固界面的透射，導(dǎo)致聲波信號較弱，給空耦換能器的特性評價和空耦檢測系統(tǒng)聲場的實驗觀測帶來了一定難度[1?2]。與接觸式或水浸超聲檢測不同，目前針對空耦超聲檢測聲場的直接實驗測量方法的相關(guān)研究還有所欠缺，具體體現(xiàn)為：

(1)空耦換能器靈敏度的常規(guī)檢測手段是對系統(tǒng)插入損耗的測量[3]，即使用同軸正對的兩個空耦換能器，間隔一定距離，按照一發(fā)另一收的方式獲得接收信號，計算整個系統(tǒng)的插入損耗，以此作為空耦換能器的靈敏度評價指標。測得的靈敏度曲線受到接收換能器性能和換能器間距的影響，沒有完全直接反映出單個空耦換能器的性能。但受限于空耦換能器的靈敏度，類似水聽器式的直接測量方法難度較大。

(2)在空耦超聲檢測系統(tǒng)中，主要關(guān)注接收換能器最終接收的電信號，而對于空耦檢測系統(tǒng)內(nèi)的中間過程，如發(fā)射換能器產(chǎn)生的聲波、進入待測固體后的聲波、從待測固體中出射的聲波等，由于空耦換能器的低靈敏度，常規(guī)的觀測方法，如施利侖法[4]或動態(tài)光彈法[5?6]難以實現(xiàn)以上中間過程的聲場觀測。

使用激光多普勒測振儀，可以實現(xiàn)高靈敏度、大動態(tài)范圍、寬頻帶的非侵入式聲壓測量，文獻[7–10]將其應(yīng)用于流體介質(zhì)體波聲場的可視化和材料特性分析，是一種值得關(guān)注的測量方法。

本文使用激光多普勒測振儀搭建實驗測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了空氣和固體中微弱聲波的時域瞬態(tài)聲壓的非侵入式實驗觀測。應(yīng)用于空耦超聲檢測，設(shè)計出一種直接測量單個空耦換能器靈敏度的方法，并對空耦檢測系統(tǒng)中間過程難以直接實驗觀測的問題給出解決方案。具體內(nèi)容包括：(1)通過空耦換能器聲壓和指向性的測量，計算電聲效率，進而實現(xiàn)單個空耦換能器的靈敏度評價，不受接收換能器性能和不同的聲波傳播距離的影響，可以直接反映出單個空耦換能器的靈敏度性能。(2)提供一種對空耦檢測系統(tǒng)內(nèi)部微弱聲場的實驗觀測手段，有助于空耦檢測系統(tǒng)中聲波傳播和散射現(xiàn)象的研究。

1 基于激光多普勒測振儀的聲壓測量方法

1.1 測量原理

激光多普勒測振儀可以檢測出反射體表面的振動速度。其原理是多普勒效應(yīng)：運動的物體反射的激光信號頻率會發(fā)生多普勒頻移。反射的激光信號的多普勒頻移和反射體的振動速度之間的關(guān)系如公式(1)所示[11]：

其中，?f是激光的多普勒頻移，v是反射體表面的振動速度，vcosθ表示垂直于激光入射方向的表面振速分量，λ是激光的波長。激光測振儀檢測反射光與入射光之間的頻移，通過拍頻的方式轉(zhuǎn)化為電壓信號輸出，輸出的信號幅值與反射體相對于激光源的表面振速成正比。

使用激光測振儀測得的物體表面振速與光程和折射率都相關(guān)，如公式(2)所示[12]：

其中，z是光程，n是折射率。公式(2)表明，當(dāng)反射體靜止時，激光的光程不變，測得的多普勒頻移來源于介質(zhì)折射率的變化。

參考文獻[13]給出介質(zhì)中壓強與折射率的關(guān)系如公式(3)所示：

其中，P是壓強，T是溫度，RH是相對濕度。公式(3)表明，介質(zhì)內(nèi)折射率的變化量和壓強的變化量成正比。當(dāng)介質(zhì)中存在時變的超聲信號時，壓強的變化量由超聲信號的聲壓提供。

根據(jù)上述原理，可以搭建如圖1所示的聲壓測量系統(tǒng)。激光穿過介質(zhì)，被垂直放置的靜止反射體反射后沿原路徑返回并接收。當(dāng)介質(zhì)中有聲波經(jīng)過激光路徑時，變化的聲壓引起折射率的變化，使激光測振儀測量到一個虛擬的表面振速信號。將激光測振儀的輸出信號積分后代入公式(4)，即可計算出介質(zhì)中超聲信號的聲壓[7]。

其中，常數(shù)β=2.68×10?9Pa?1，u是反射體的表面位移，Pu是超聲信號的聲壓。公式(4)表明，測得的聲壓是激光路徑上聲壓分布的累積。與動態(tài)光彈法類似，該方法是對三維聲場的二維測量。

圖1 激光測振儀實驗測試系統(tǒng)Fig.1 The experimental system using laser Doppler vibrometers

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖1所示，該實驗系統(tǒng)的測試對象為透明介質(zhì)中的聲場，包括空氣或透明固體(如K9玻璃)。

實驗系統(tǒng)包括自研空耦換能器、超聲發(fā)射設(shè)備、激光測振儀、示波器、反射體等。超聲發(fā)射設(shè)備為Panametrics 5800PR 超聲分析儀(單脈沖激勵)或自研設(shè)備(脈沖串激勵)。自研空耦換能器兩對，中心頻率分別為350 kHz和510 kHz，換能器特性可參考文獻[14]。激光測振儀為Polytec PSV400，激光穿過超聲信號區(qū)域后，被設(shè)置在待測區(qū)域后方、垂直于激光路徑的反射體反射，沿原路徑返回激光頭，輸出信號通過Tektronix 3012B示波器接收。

實驗系統(tǒng)中存在一些可能影響到測量結(jié)果的外部因素：根據(jù)公式(2)，不為零的反射體表面法向振速會被錯誤地視為折射率變化，從而使超聲波聲壓的測量值大于真實值；根據(jù)公式(3)，不穩(wěn)定的溫度和相對濕度會導(dǎo)致介質(zhì)折射率的變化，這種變化會被錯誤地當(dāng)作由超聲波引起的聲壓變化。

實驗室環(huán)境下，空氣的溫度和相對濕度通常能夠保持穩(wěn)定，反射體放置在穩(wěn)定的支持平臺上以保持靜止。為了進一步減小可能的隨機誤差對測量結(jié)果的影響，保證微弱信號的測量效果，使用示波器對采集的接收信號進行512次平均處理。經(jīng)過平均處理后的接收信號，隨機噪聲得到有效抑制。為了保證平均處理的準確進行，實驗中使用Panametrics5800PR超聲分析儀輸出外同步觸發(fā)信號，同時提供給超聲發(fā)射設(shè)備、激光測振儀和示波器，保證測量系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的延時信息。此外，在反射體表面粘貼一層增透膜，用于提高接收激光信號的質(zhì)量。

2 空氣耦合超聲聲場實驗測試

2.1 空耦換能器靈敏度評價

空耦換能器靈敏度的常規(guī)評價方法是將一對空耦換能器間隔一定距離同軸正對放置，以一發(fā)另一收系統(tǒng)的插入損耗作為空耦換能器的靈敏度評價指標。分別測量發(fā)射和接收換能器兩端的激勵信號和接收信號，按照公式(5)計算插入損耗：

其中，IL插入損耗，Vr是接收信號幅值，Vt是激勵信號幅值的二分之一，分別由時域接收信號和激勵信號經(jīng)傅里葉變換得到。

上述方法測得的插入損耗，同時受到發(fā)射和接收空耦換能器的性能影響。此外，測量結(jié)果還與兩個空耦換能器的間距有關(guān)。在不同文獻給出的實驗測試條件中，換能器間距往往不統(tǒng)一，由此得到的系統(tǒng)插入損耗曲線雖然也可以反映出空耦換能器的性能，但還不夠直接準確。

借助本文搭建的實驗系統(tǒng)，使用激光測振儀測量單個空耦換能器在空氣中的時域瞬態(tài)聲壓，計算單個空耦換能器的電聲效率，可以設(shè)計出一種空耦換能器靈敏度的直接評價方法：(1)在空耦換能器遠場某距離d處，測量聲軸上的時域瞬態(tài)聲壓pd；(2)垂直于聲軸方向移動測量點，得到換能器主瓣的指向性圖案，計算指向性因數(shù)Rθ；(3)測量空耦換能器的阻抗和激勵電壓，得到輸入電功率We；(4)根據(jù)聲壓和指向性因數(shù)計算空耦換能器的輻射聲功率Wa，從而得到電聲效率η。

該方法通過直接測量空耦換能器的電聲效率來評價單個空耦換能器的靈敏度性能，規(guī)避了常規(guī)方法中接收換能器性能和不同聲波傳播距離對插入損耗的影響，可以直接反映出單個空耦換能器的特性。

實驗結(jié)果如下。使用的空耦換能器直徑為30 mm，在空氣中的近場區(qū)長度是330 mm。測量與換能器表面距離為350 mm處的時域瞬態(tài)聲壓信號如圖2所示。圖3給出空耦換能器水平方向聲壓分布的測量結(jié)果，與空耦換能器表面的垂直距離為350 mm，水平方向上每間隔1 mm 設(shè)置一個測量點。實驗測量時，每個測量點的信號采集均獨立地重復(fù)10次，記錄最大、最小、平均測量值和標準差，在圖3中給出誤差分析。圖例中“計算值”是使用CIVA軟件在相同條件下的仿真計算結(jié)果。

根據(jù)圖2和圖3，按照參考文獻[15]給出的測量方法，由圓形活塞型換能器的等效面積計算得到指向性因數(shù)，進一步計算出輻射聲功率。輻射聲功率按照公式(6)計算[15]：

其中，Wa是輻射聲功率，π是圓周率，d是測量點與換能器表面的距離，P(ω)是距離d處聲軸方向上的聲壓的傅里葉變換，ρ是密度，c是聲速，Rθ是指向性因數(shù)。

圖2 時域瞬態(tài)聲壓Fig.2 Temporal acoustic pressure

圖3 水平方向聲壓分布Fig.3 The horizontal acoustic pressure distribution

使用圖2的時域接收信號進行快速傅里葉變換，計算電聲效率作為靈敏度指標，求得空耦換能器的靈敏度如圖4所示，圖例中“LDV法”表示激光測振儀直接測量電聲效率的方法，“電測法”表示常規(guī)方法，數(shù)據(jù)引自參考文獻[14]。圖4中對靈敏度進行了歸一化處理，以便在同一張圖中對照顯示。當(dāng)頻率為450 kHz時，該空耦換能器的靈敏度最高。因為排除了接收換能器的影響，與常規(guī)方法的測試結(jié)果有所不同，該結(jié)果直接反映出單個空耦換能器的特性。

圖4 空耦換能器靈敏度測試Fig.4 The sensitivity test of the air-coupled transducer

2.2 空耦檢測系統(tǒng)聲場觀測

進一步將該系統(tǒng)用于空耦檢測系統(tǒng)的聲場觀測實驗?？振顧z測系統(tǒng)通常包括空氣和待測固體，與傳統(tǒng)的水浸或接觸式換能器的輻射聲場相比，由于空氣和固體之間巨大的聲阻抗差異，空耦換能器在空氣中的聲場較弱。基于同樣原因，空耦檢測系統(tǒng)在待測固體內(nèi)部的聲場更加微弱。依靠高靈敏度的激光多普勒實驗系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)對空耦檢測系統(tǒng)空氣和固體內(nèi)部微弱聲場的觀測。

對空耦換能器激勵固體板中漏蘭姆波實驗進行觀測。固體板的材料為K9玻璃，厚度為3 mm，上下界面為空氣時，計算漏蘭姆波群速度頻散曲線如圖5所示，當(dāng)頻率為350 kHz時，板內(nèi)A0模式蘭姆波的群速度為5315 m/s。激光測量區(qū)域大小為80 mm×15 mm，覆蓋K9玻璃板的上方、板內(nèi)和下方。使用峰峰值為400 V、中心頻率為350 kHz的超聲激勵信號，激勵中心頻率為350 kHz的空耦換能器。在空耦換能器頻帶范圍內(nèi)，K9玻璃板內(nèi)只存在A0或S0模式的漏蘭姆波。調(diào)整空耦換能器角度為7.7?，使空耦換能器激勵的漏蘭姆波主要為A0模式。

使用激光測振儀測量板內(nèi)的漏蘭姆波。板上方空氣中的聲波能量主要來源于空耦換能器輻射的直達縱波和反射波，漏蘭姆波相對比較微弱。為了盡可能排除空氣中直達波和反射波的干擾，選擇在板下方觀測空氣中的漏蘭姆波，測量時在板的側(cè)面布置障礙物遮擋，避免空耦換能器的直達波的干擾。另外，使用另一個空耦換能器在一發(fā)另一收(TR)模式下接收，以接收電壓信號作為對照(以下簡稱電測法)。

圖5 漏蘭姆波群速度頻散曲線Fig.5 The group velocity dispersion curve of the leaky Lamb wave

漏蘭姆波的電測法測量結(jié)果如圖6所示，接收信號經(jīng)過60 dB低噪聲前置放大器放大后由示波器接收，中心頻率為347.5 kHz。保持發(fā)射換能器位置不變，將接收換能器沿K9玻璃板平行方向移動20 mm，比較兩次測得的漏蘭姆波群速度可以確定接收信號為A0模式的漏蘭姆波。

激光多普勒測振儀的時域瞬態(tài)聲壓測量結(jié)果如圖7所示。圖7(a)是K9玻璃板上方空氣中的聲壓，測量點與K9玻璃板的距離為7.5 mm，與空耦換能器輻射面中心的距離為75 mm。根據(jù)時延可以判斷出空氣中的直達波和經(jīng)過K9玻璃板表面的反射波。由于空氣中的直達波和反射波聲壓較大，漏蘭姆波難以直接觀測到。圖7(b)和圖7(c)是板內(nèi)和板下方空氣中漏蘭姆波的時域瞬態(tài)聲壓和頻譜，中心頻率為345 kHz，實驗觀測到A0模式的漏蘭姆波。

對比電測法和激光多普勒測振儀法的測量結(jié)果，二者中心頻率分別為347.5 kHz和345 kHz，結(jié)合模態(tài)計算和到時信息，可以確定時域信號中第一個波包為A0模式的漏蘭姆波，實現(xiàn)了對空氣和固體板中的漏蘭姆波的實驗觀測。電測法中，接收信號的時域和頻譜有所不同，表現(xiàn)出拖尾更長、帶寬更窄的特點，這是因為受到了接收換能器傳遞函數(shù)的影響。激光多普勒測振儀具有寬頻帶的特點，對待測信號的影響較小。

圖6 TR模式接收信號Fig.6 Received signal of transmitting-receiving mode

圖7(b)中，使用激光多普勒測振儀測量到K9玻璃板內(nèi)和空氣中的漏蘭姆波，空氣中漏蘭姆波的聲壓峰峰值為1.2 Pa，對應(yīng)激光測振儀輸出信號原始信號的峰峰值為55 mV，信噪比為33 dB，沒有經(jīng)過放大。相同實驗條件下的電測法，要得到圖6(a)的峰峰值為235 mV的接收信號，接收換能器的輸出信號需要經(jīng)過60 dB低噪聲前置放大器放大。

實驗表明，本文搭建的實驗系統(tǒng)可以同時測量空氣和固體中的聲場，并且具有高靈敏度，可以測量到聲場內(nèi)微弱的時域瞬態(tài)聲壓信號，為常見的空耦檢測系統(tǒng)的聲場提供了一種直接的實驗觀測手段。在今后的工作中，準備為激光測振儀開發(fā)高增益、低噪聲的前置放大器，使該測量方法的靈敏度和信噪比得到進一步提升。

圖7 漏蘭姆波實驗測試Fig.7 Leaky Lamb wave experimental result

3 結(jié)論

根據(jù)激光測振儀原理，實現(xiàn)了空氣和固體中微弱聲波的時域瞬態(tài)聲壓的實驗測量，應(yīng)用于空耦換能器的特性評估和空耦檢測系統(tǒng)的聲場測量。具體包括：

(1)給出一種空耦換能器靈敏度評價的方法。使用激光多普勒測振儀測量空耦換能器軸線上遠場某距離處的聲壓和指向性因數(shù)，從而直接測量單個空耦換能器的電聲效率。與常規(guī)的使用雙路插入損耗評價空耦換能器性能的方法相比，該方法不受接收換能器性能和發(fā)射、接收換能器之間相對距離的影響。

(2)實驗觀測了空耦檢測系統(tǒng)各部分的時域瞬態(tài)聲壓，使用空耦換能器激勵空氣中的K9玻璃板產(chǎn)生漏蘭姆波，實驗測得了板上方空氣中空耦換能器輻射的直達波和反射波，板內(nèi)和板下方空氣中的漏蘭姆波的時域瞬態(tài)聲壓曲線。該實驗提供了一種對空氣和固體中微弱聲場的實驗觀測手段，有助于空耦檢測系統(tǒng)中聲波傳播和散射現(xiàn)象的研究。