掃描式激光測(cè)振儀已經(jīng)成功的應(yīng)用于超聲技術(shù)很多年了，使微振幅的表面振動(dòng)和高頻振動(dòng)可視化。除了諧波振動(dòng)，新一代儀器還可以獲取周期重復(fù)的時(shí)間序列。除此之外，掃描式激光測(cè)振儀還可以將聲場(chǎng)或超聲場(chǎng)二維可視化。
典型的激光測(cè)振儀應(yīng)用：表面波可視化
超聲技術(shù)中，粒子的共振通常是由高于20KHz的信號(hào)激勵(lì)。在這個(gè)頻率范圍，只會(huì)產(chǎn)生很小的振幅（通常20-50um），所以這些振動(dòng)是人眼不可見的。為了測(cè)量這些振動(dòng)，需要采用專門的測(cè)量技術(shù)。激光測(cè)振儀就是一種理想的測(cè)量方法使表面波可視化。激光測(cè)振儀采取非接觸測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)快速獲取，直接測(cè)量速度，完全適用于超聲技術(shù)中的各種極端情況。
圖1 掃描式激光測(cè)振儀顯示波在物體表面的傳播
折光法用于可視化聲場(chǎng)分布
在許多超聲技術(shù)應(yīng)用中，超聲波產(chǎn)生在流體介質(zhì)中（空氣或水），如超聲清洗技術(shù)、超聲流量測(cè)量、聲納以及醫(yī)學(xué)超聲檢查技術(shù)。對(duì)于這些應(yīng)用，空間的超聲分布對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定工作非常重要。激光測(cè)振儀可以通過非接觸的測(cè)量空氣中聲壓波的方法測(cè)量聲場(chǎng)分布。聲波傳播時(shí)會(huì)導(dǎo)致空氣密度的變化，從而使光的折射率產(chǎn)生輕微的變化，這個(gè)過程叫折光法。當(dāng)一束激光穿過介質(zhì)時(shí)，意味著光波傳輸時(shí)間的變化，從而可以推導(dǎo)出局部壓力。折光法是一種光的折射和振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的結(jié)合。
科學(xué)家已經(jīng)研究了超聲波對(duì)光的折射的基本影響，解釋了如何利用掃描式激光測(cè)振儀非接觸的測(cè)量聲壓分布，把聲壓分布可視化為隨時(shí)間的動(dòng)畫。測(cè)量裝置如圖2所示，激光束透過傳輸?shù)某暡?，被放置在聲?chǎng)后面的靜止的反射器返回。
掃描式激光測(cè)振儀的測(cè)量數(shù)據(jù)處理后顯示了一個(gè)虛擬的速度分布，這個(gè)速度分布很可能被誤理解為反射器的表面運(yùn)動(dòng)，其實(shí)這就是感興趣區(qū)域聲壓分布的定性表示。
圖2 折光法測(cè)量聲壓分布原理
為了準(zhǔn)確的理解測(cè)量結(jié)果需要注意，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)是聲場(chǎng)分布在光束方向上來回的集合，數(shù)學(xué)上可以表示為沿光束的線性合成。對(duì)于圖2所示的平面波，激光測(cè)振儀得到的虛擬速度值正比于各自區(qū)域的聲場(chǎng)壓力。對(duì)于非平面聲場(chǎng)分布，經(jīng)過合理的計(jì)算也可以得到聲壓的準(zhǔn)確值。如圖3所示的超聲換能器下形成的駐波場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的聲場(chǎng)分布，由于采用了二維的呈現(xiàn)，聲場(chǎng)看上去顯得對(duì)稱統(tǒng)一。經(jīng)過合理的計(jì)算，可以確定駐波場(chǎng)中最大聲強(qiáng)的點(diǎn)聲壓大約166dB。
圖3 超聲換能器下聲場(chǎng)分布，右為聲場(chǎng)中懸浮的水滴
對(duì)于復(fù)雜的聲壓分布，折光法提供了一個(gè)真實(shí)聲場(chǎng)分布的快速概覽，如果用其它方法需要花費(fèi)更多的精力和時(shí)間。圖4 描述了一個(gè)超聲空氣墊形成的聲壓分布懸浮了一個(gè)CD盤，圖中描繪了CD盤下方的聲場(chǎng)分布，懸浮的CD盤起到了聲場(chǎng)反射器的作用。因?yàn)榧す馐ㄟ^了幾個(gè)不同聲壓的圓形區(qū)域，聲壓的定量計(jì)算非常復(fù)雜需要特殊的斷層掃描重建技術(shù)。在第九屆Polytec激光測(cè)振學(xué)術(shù)會(huì)議上，提出了一種斷層掃描方法，可以用于類似的聲壓分布的定量重建。當(dāng)折光測(cè)量時(shí)，如果激光測(cè)振儀的激勵(lì)信號(hào)是任意周期信號(hào)而非正選信號(hào)時(shí)，這種技術(shù)的效果令人印象深刻。
圖4 超聲聲場(chǎng)懸浮起CD盤
如圖5所示，顯示了一個(gè)壓力波包的瞬時(shí)圖像。40KHz的超聲波，形成了基于波長(zhǎng)的壓力最大值的分離。超聲波測(cè)距儀基于反射波的傳輸時(shí)間確定距離，在超聲換能器產(chǎn)生的超聲脈沖衰減后，換能器轉(zhuǎn)換為接收模式，測(cè)量接收到回波的時(shí)間。因?yàn)榭諝庵械牟ㄋ偈且阎?，距離S就可以根據(jù)回波時(shí)間計(jì)算得到，S=c*t/2。掃描式激光測(cè)振儀的時(shí)間測(cè)量選項(xiàng)就是利用了這種回波測(cè)量。
圖5 傳播聲場(chǎng)的回波距離測(cè)量
總結(jié)
掃描式激光測(cè)振儀不僅適用于表面振動(dòng)測(cè)量，也可以提供描繪聲場(chǎng)分布的動(dòng)畫顯示。定性的結(jié)果相對(duì)容易，聲壓的準(zhǔn)確數(shù)值結(jié)果只有在不需要過量信號(hào)處理的個(gè)別情況下才能得到。對(duì)于復(fù)雜的三維聲壓分布，需要采用斷層掃描技術(shù)由測(cè)量到的虛擬速度值確定局部聲壓。通常在重建過程中，在某些點(diǎn)上采用定性聲壓分布的假設(shè)來加速計(jì)算，因此，激光測(cè)振儀不可能定義一種自動(dòng)的聲壓評(píng)估功能。
