CN110260968B - 基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学法复现声压技术领域，尤其涉及一种基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，所述系统包括光学装置、消声箱、压电换能器、散射光接收与光电转换装置、示波器以及计算机；采用压电换能器产生声压级满足要求的测量声场，通过光学装置的两干涉臂分别引入两个频移可连续调谐的声光调制器，使得形成在光学测量点的两干涉光束具有可灵活调整的频移差，等效于引入介质平均流速，提高声压复现的动态范围；直接对光电转换产生电脉冲的自相关曲线进行解调实现介质平均流速和声质点振动速度的解耦，最终计算复现空气超声声压。本发明系统还解决了高于20kHz空气超声频段范围内采用光学法进行空气超声声压量值复现的可行性问题。

Description

基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统

技术领域

本发明属于光学法复现声压技术领域，尤其涉及一种基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统。

背景技术

声压是声学计量的基本单位，传统量传体系中，声压量值寄存在实验室标准传声器或标准水听器的声压灵敏度上，通过互易法校准后间接复现。互易法作为声学传感器的原级校准方法，在量传过程中的局限性包括：仅适用于固定规格且满足电声互易原理的传感器，无法满足非标准规格或光纤、MEMS等新型传感器的原级校准需求；不满足如航空发动机用高温传感器在极端环境的校准需求。因此，寻求不依赖于标准传感器及其互易法原级校准的声压量值复现方法是近年来声学计量的研究热点。

声压基准逐步由光学法取代互易法是声学计量的技术发展趋势，中、高频水声声压基准已完成了这一技术变革，并通过相关国际比对验证了已建立光学法基准的量值等效性。

光学法声压基准在水声领域已经成熟，但在空气声领域还不成熟，受限于光子计数器的响应速度，现有技术中直接将光学法应用到空气超声并不可行。譬如，基于激光多普勒测速原理测量声质点振动速度是光学法空气声声压量值复现的有效技术途径，但该方法在声管和自由场中的已有研究结果仅仅可覆盖500Hz～20kHz的频率范围，受限于商用光子计数器的响应速度而无法适用于空气超声频段。随着超声波泄漏检测等超声技术对空气超声声压大小精确量化的需求逐渐增加，需要探索新的方法以适用在高于20kHz的空气超声频段范围内的空气超声声压量值复现。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，以解决现有技术在高频应用中光子计数器响应速度不满足要求的局限性因此无法适用在高于20kHz的空气超声频段范围内空气超声声压量值复现的可行性问题。

本发明提供了基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，所述系统包括光学装置、消声箱、压电换能器、散射光接收与光电转换装置、示波器以及计算机；

所述光学装置置于所述消声箱的外侧、用于根据输入的激光光束产生具有可灵活调整频移差的两束干涉光束；

所述消声箱具有两个光学透明入口和一光学透明出口；

所述压电换能器置于消声箱内、作为声源产生声波，其声波在所述消声箱内产生测量声场；

所述散射光接收与光电转换装置用于接收散射光并对散射光进行光电转换处理输出电脉冲；

其中，所述光学装置产生的两束干涉光束通过所述消声箱的光学透明入口入射并相交于一点形成光学测量点；在所述消声箱内跟随声波振动的示踪粒子经过所述光学测量点产生散射光；所述散射光通过所述消声箱的光学透明出口输出并由所述散射光接收与光电转换装置接收及光电转换处理输出电脉冲；输出的所述电脉冲由所述示波器接收并加载入所述计算机；所述计算机通过自相关调解计算得出声质点振动速度，并根据所述声质点振动速度和已知的介质声阻抗计算出所述光学测量点处的空气超声声压。

进一步地，所述光学装置包括依次设置的激光器、光阑1、反射镜1、λ/2波片、偏振分束器、凸透镜1、针孔1、凸透镜2、反射镜2、分束器；以及分别接收所述分束器均分的两束光的声光调制器1、声光调制器2；以及对经过所述声光调制器1、声光调制器2分别输出的两束干涉光束进行反射控制的反射镜3和反射镜4；

其中，所述λ/2波片和偏振分束器用于控制入射到所述光学测量点的激光功率，其输出光束经过凸透镜1、针孔1、凸透镜2、反射镜2和分束器后均分为两束光，两光束分别经过声光调制器1和声光调制器2，其输出的两束干涉光束具有频移差、并分别由反射镜3和反射镜4反射后入射到所述消声箱中。

进一步地，所述散射光接收与光电转换装置包括依次设置的光阑2、凸透镜3、针孔2以及光子计数器；在所述消声箱内跟随声波振动的示踪粒子经过所述光学测量点产生的散射光由凸透镜3接收，经光阑2和针孔2空间滤波后入射到所述光子计数器并输出电脉冲。

进一步地，所述压电换能器为谐振式单频压电陶瓷换能器、用于在20kHz～100kHz频率范围内的1/3倍频带中心频率附近产生预期声压级的测量声场。

进一步地，所述计算机通过自相关调解计算得出声质点振动速度具体包括：

调节所述光学装置中的声光调制器1、声光调制器2，以调整其产生的两束干涉光束的频移差，使声质点振动速度u_m与所产生等效介质平均流速u₀的比值满足

对所接收的所述电脉冲进行自相关调解得到自相关曲线；

提取所述自相关曲线包络出现第一个零点时对应的特征时间，并通过以下公式计算出声质点振动速度；

其中，所述R(τ)指的是散射光的自相关曲线；

所述C指的是常数；

所述β指的是与激光束束腰半径和两干涉光束夹角有关的常数；

所述u₀指的是声光调制器引入的等效介质平均流速与介质平均流速之和；

所述u_m指的是声质点振动速度的峰值；

所述τ指的是自相关曲线出现第一个零点时对应的特征时间；

所述M指的是两干涉光束的光强比值；

所述D指的是与测量点处干涉条纹间距有关的常数。

进一步地，所述根据声质点振动速度和已知的介质声阻抗计算出所述光学测量点处的空气超声声压的计算公式为：

空气超声声压量值＝声质点振动速度×介质声阻抗。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明实施例提供了一种通过测量声质点振动速度从而计算复现空气超声声压的光学测量方式，采用谐振式压电换能器在20kHz～100kHz频率范围产生声压级满足要求的测量声场，通过在光学装置的两干涉臂分别引入两个频移可连续调谐的声光调制器，使得形成在光学测量点的两干涉光束具有可灵活调整的频移差，等效于引入了一定的介质平均流速，以提高声压复现的动态范围，并且直接对光子计数器接收散射光的自相关曲线进行解调可实现介质平均流速和声质点振动速度的解耦，并最终计算复现空气超声声压，与零差式光学测量系统采用时域加窗的光子自相关解调法相比，消除了高频应用中光子计数器响应速度不满足要求的局限性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统实施例的组成结构图；

图2是本发明提供的基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统实施例中光学装置的示意图；

图3是本发明提供的基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统实施例中消声箱的位置示意图；

图4是本发明提供的基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统实施例中散射光接收与光电转换装置的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

目前，声压基准逐步由光学法取代互易法是声学计量的技术发展趋势，而基于激光多普勒测速原理测量声质点振动速度和零差式光学测量系统，都是基于光学法的空气声声压量值复现途径。然而，现有技术中光学法空气声声压量值复现仅仅可覆盖500Hz～20kHz的频率范围，主要受限于商用光子计数器的响应速度问题而无法适用于20kHz～100kHz的空气超声频段。而本发明实施例提供了基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统消除了基于零差干涉和时域加窗的光子自相关解调方案在高频应用中光子计数器响应速度不满足要求的局限性，解决了高于20kHz的空气超声频段的声压量值复现问题。本发明的测量系统适用在20kHz～100kHz空气超声频段的声压量值复现。

为了具体说明上述基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，图1是本发明提供的基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统实施例的组成结构图。所述系统10包括光学装置11、消声箱12、压电换能器13、散射光接收与光电转换装置14、示波器15以及计算机16。

所述光学装置11置于所述消声箱的外侧、用于根据输入的激光光束产生具有可灵活调整频移差的两束干涉光束。

所述消声箱12具有两个光学透明入口和一个光学透明出口。

所述压电换能器置于消声箱12内、作为声源产生声波，其声波在所述消声箱12内产生测量声场。

所述散射光接收与光电转换装置14用于接收散射光并对散射光进行光电转换处理输出电脉冲。

其中，如图2所示，所述光学装置11产生的两束干涉光束通过所述消声箱12的光学透明入口入射并相交于一点形成光学测量点。

在所述消声箱12内跟随声波振动的示踪粒子经过所述光学测量点产生散射光。所述散射光通过所述消声箱12的光学透明出口输出并由所述散射光接收与光电转换装置接收及光电转换处理输出电脉冲。输出的所述电脉冲由所述示波器15接收并加载入所述计算机16。所述计算机16通过自相关调解计算得出声质点振动速度，并根据所述声质点振动速度和已知的介质声阻抗计算出所述光学测量点的空气超声声压。

具体实施时，如图2所示，所述光学装置11包括依次设置的激光器、光阑1、反射镜1、λ/2波片、偏振分束器、凸透镜1、针孔1、凸透镜2、反射镜2、分束器，以及分别接收所述分束器均分的两束光的声光调制器1、声光调制器2，以及对经过所述声光调制器1、声光调制器2分别输出的两束干涉光束进行反射控制的反射镜3和反射镜4。本发明实施例光学装置11中的激光器用于发射激光，光阑用于限制光束大小、与针孔一起对经过的激光达成滤波作用。

其中，所述λ/2波片和偏振分束器用于控制入射到所述光学测量点的激光功率，其输出光束经过凸透镜1、针孔1、凸透镜2、反射镜2和分束器后均分为两束光，两光束分别经过声光调制器1和声光调制器2，其输出的两束干涉光束具有频移差、并分别由反射镜3和反射镜4反射后入射到所述消声箱12中。

进一步地，所述压电换能器13为谐振式单频压电陶瓷换能器、用于在20kHz～100kHz频率范围内的1/3倍频带中心频率附近产生预期声压级的测量声场。采用谐振式单频点压电换能器能够产生预期声压级的测量声场，使本发明测试系统的适用频率范围可覆盖20kHz～100kHz，实现在20kHz～100kHz空气超声频段范围的声压量值复现。

本发明通过光学装置的两干涉臂分别引入两个频移可连续调谐的声光调制器，使得形成在光学测量点的两干涉光束具有可灵活调整的频移差，等效于在消声箱中引入介质平均流速，提高声压复现的动态范围；同时也解决了时域加窗的光子自相关解调法中因为光子计数器响应速度受限而无法向高频拓展的问题。

此外，本发明使用频移可连续调谐的声光调制器且采用差分的配置方式，通过电路方式灵活调整移频实现可行，从光路上通过两个差分布置的声光调制器实现目的是使得由此引入的等效介质平均流速与待测声质点振动速度满足一定的比例要求且可灵活调整，以保证光子自相关曲线具有良好的信噪比且可被解调。

进一步地，如图3所示，所述消声箱12是一种具有高隔音吸音消声性能的噪音检测设备，它的内壁有吸声尖劈，具有良好的阻抗匹配和吸声效果而设计制成的尖劈状。所述压电换能器在消声箱顶部或侧壁。

进一步地，如图4所示，所述散射光接收与光电转换装置14包括依次设置的光阑2、凸透镜3、针孔2以及光子计数器。在所述消声箱内跟随声波振动的示踪粒子经过所述光学测量点产生的散射光由凸透镜3接收，经光阑2和针孔2空间滤波后入射到所述光子计数器并输出电脉冲。其中，所述光子计数器可由光电倍增管替代，因此，所述散射光接收与光电转换装置14的结构还可以为包括依次设置的光阑2、凸透镜3、针孔2以及光电倍增管。

进一步地，所述计算机16通过自相关调解计算得出声质点振动速度具体包括：

调节所述光学装置中的声光调制器1、声光调制器2，以调整其产生的两束干涉光束的频移差，使声质点振动速度u_m与所产生等效介质平均流速u₀的比值满足

通过调节两个声光调制器以保证散射光的自相关曲线可被解调。

对所接收的所述电脉冲进行自相关调解得到自相关曲线；

提取所述自相关曲线包络出现第一个零点时对应的特征时间，并通过以下公式计算出声质点振动速度u_m：

其中，所述R(τ)指的是散射光的自相关曲线；

所述C指的是常数；

所述β指的是与激光束束腰半径和两干涉光束夹角有关的常数；

所述u₀指的是声光调制器引入的等效介质平均流速与介质平均流速之和；

所述u_m指的是声质点振动速度的峰值；

所述τ指的是自相关曲线出现第一个零点时对应的特征时间；

所述M指的是两干涉光束的光强比值；

所述D指的是与测量点处干涉条纹间距有关的常数。

通过上述公式计算，计算机可获得声质点振动速度，并根据声质点振动速度和已知的介质声阻抗计算出所述光学测量点的空气超声声压，其计算公式为：空气超声声压量值＝声质点振动速度×介质声阻抗。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明实施例提供一种通过测量声质点振动速度从而计算复现空气超声声压的光学测量方式，采用谐振式压电换能器产生声压级满足要求的测量声场，适用在20kHz～100kHz的空气超声频段范围的声压量值复现。通过在光学装置的两干涉臂分别引入两个频移可连续调谐的声光调制器，使得形成在光学测量点的两干涉光束具有可灵活调整的频移差，等效于引入了一定的介质平均流速，以提高声压复现的动态范围，并且直接对光子计数器接收散射光的自相关曲线进行解调可实现介质平均流速和声质点振动速度的解耦，并最终计算复现空气超声声压，与现有技术基于零差干涉的光学测量系统采用时域加窗的光子自相关解调法相比，消除了高频应用中光子计数器响应速度不满足要求的局限性，解决了高于20kHz空气超声频段的声压量值复现的可行性问题。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，其特征在于，所述系统包括光学装置、消声箱、压电换能器、散射光接收与光电转换装置、示波器以及计算机；

所述光学装置置于所述消声箱的外侧、用于根据输入的激光光束产生具有可灵活调整频移差的两束干涉光束；

所述消声箱具有两个光学透明入口和一光学透明出口；

所述压电换能器置于消声箱内、作为声源产生声波，其声波在所述消声箱内产生测量声场；

所述散射光接收与光电转换装置用于接收散射光并对散射光进行光电转换处理输出电脉冲；

其中，所述光学装置产生的两束干涉光束通过所述消声箱的光学透明入口入射并相交于一点形成光学测量点；在所述消声箱内跟随声波振动的示踪粒子经过所述光学测量点产生散射光；所述散射光通过所述消声箱的光学透明出口输出并由所述散射光接收与光电转换装置接收及光电转换处理输出电脉冲；输出的所述电脉冲由所述示波器接收并加载入所述计算机；所述计算机通过自相关调解计算得出声质点振动速度，并根据所述声质点振动速度和已知的介质声阻抗计算出所述光学测量点的空气超声声压；

其中，所述计算机通过自相关调解计算得出声质点振动速度具体包括：

调节所述光学装置中的声光调制器1、声光调制器2，以调整其产生的两束干涉光束的频移差，使声质点振动速度的峰值u_m与所产生等效介质平均流速u₀`的比值满足

对所接收的所述电脉冲进行自相关调解得到自相关曲线；

提取所述自相关曲线包络出现第一个零点时对应的特征时间，并通过以下公式计算出声质点振动速度的峰值u_m；

其中，所述R(τ)指的是散射光的自相关曲线；

所述C指的是常数；

所述β指的是与激光束束腰半径和两干涉光束夹角有关的常数；

所述u₀指的是声光调制器引入的等效介质平均流速u₀`与介质平均流速之和；

所述u_m指的是声质点振动速度的峰值；

所述τ指的是自相关曲线出现第一个零点时对应的特征时间；

所述M指的是两干涉光束的光强比值；

所述D指的是与测量点处干涉条纹间距有关的常数。

2.如权利要求1所述基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，其特征在于，所述光学装置包括依次设置的激光器、光阑1、反射镜1、λ/2波片、偏振分束器、凸透镜1、针孔1、凸透镜2、反射镜2、分束器；以及分别接收所述分束器均分的两束光的声光调制器1、声光调制器2；以及对经过所述声光调制器1、声光调制器2分别输出的两束干涉光束进行反射控制的反射镜3和反射镜4；

其中，所述λ/2波片和偏振分束器用于控制入射到所述光学测量点的激光功率，其输出光束经过凸透镜1、针孔1、凸透镜2、反射镜2和分束器后均分为两束光，两光束分别经过声光调制器1和声光调制器2，其输出的两束干涉光束具有频移差、并分别由反射镜3和反射镜4反射后入射到所述消声箱中。

3.如权利要求1所述基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，其特征在于，所述散射光接收与光电转换装置包括依次设置的光阑2、凸透镜3、针孔2以及光子计数器；在所述消声箱内跟随声波振动的示踪粒子经过所述光学测量点产生的散射光由凸透镜3接收，经光阑2和针孔2空间滤波后入射到所述光子计数器并输出电脉冲。

4.如权利要求1所述基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，其特征在于，所述压电换能器为谐振式单频压电陶瓷换能器、用于在20kHz～100kHz频率范围内的1/3倍频带中心频率附近产生预期声压级的测量声场。

5.如权利要求1所述基于声质点振动速度测量的空气超声声压复现系统，其特征在于，所述根据声质点振动速度和已知介质声阻抗计算出所述光学测量点处空气超声声压的计算公式为：

空气超声声压量值＝声质点振动速度×介质声阻抗。

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