介绍凯泽斯劳滕大学材料科学与工程学院（WKK）正在研究轻金属结构的新型焊接技术。超声焊接作为一种革新的压力焊接工艺是特别重要的。超声焊接点是通过需要焊接的部件之间的高频相对运动实现的，其频率范围在20kHz以内。该工艺重要的优势包括焊接时间极短，焊接金属热冲击较低，环境相容性很高，可自动化，产量高。非接触测试系统特别适合对高动态超声工艺进行在线参数化。位移测试可使用电容式传感器，而光学测试系统使用激光有更显著的优势。由于焊接部件的尺寸很小，所以普通传感器很难接近，但激光测试系统很容易就可以进入到狭小的环境中去，因为使用灵活的光纤传输激光，并将激光聚焦在测试点上。正是因为这样的优点，所以凯泽斯劳滕大学材料科学与工程学院（WKK）愿意使用激光多普勒测振法进行数据采集。而且，非接触测试系统特别适合对高动态超声工艺进行在线参数化。通过使用Polytec公司的差分式激光测振仪(OFV-552)可测得整个频谱上的相对速度与位移结果。图1超声焊接系统与差分激光测振仪如图1所示，设计了一个试验用来控制和分析焊接过程，并且使用了图中的激光测振系统对重要的工艺参数比如焊接力与能量进行了测试和控制，并全程以高分辨率对选择的焊接点进行了超声振动的测试。使用激光多普勒测振仪对碳纤维复合材料(CFRP)的超声焊接进行参数化在一个德国研究基金支持的项目的框架中，已经可以证实超声焊接工艺可使得轻金属与CFRP板之间的焊接点具有高度的耐久性。这些材料之间的连接区域是由两个步骤形成的，超声焊接时间不超过5秒钟。首先，高频的横向振动导致CFRP的聚合母体从焊接区域开始塑化并挤出。然后超声速的振动实现了在不破坏合成材料织物的情况下，金属板与合成材料的承载纤维之间的焊接，这样就形成了高达50MPa的拉伸剪切强度。焊接材料之间充分的相对运动是实现高耐久焊接的极其重要的条件。差分式激光测振仪成功地对该振动进行了定量描述。在图2中，显示了焊接系统不同的部件和焊接件测试结果。必要的相对运动实现了焊接件的结合，这已经基本通过单激光测试以及双激光测试得到了验证。图2金属与碳纤维复合材料焊接过程中的速度频谱图关于相同的位移量的贡献，已经在测试过程中对超声焊接头进行了详细的测试。试验搭建如图3所示，在测试中，选择了一个星型金属超声焊接头。超声焊接头对铝板进行焊接时，由激光测振仪在超声焊接头表面进行位移测试。图4中的结果显示，与接触式测试系统相比，激光测振仪的位移测试结果要高8%，测试结果的差异是由于加载在超声焊接头上的传感器质量惯性的影响。图3测试焊接工具振动贡献量的试验图4焊接过程中金属焊接头的振动贡献量测试结果显示在6个超声焊接头工作区域的工作表面的振动幅值，与焊接头中心的振动幅值(u=43.5μm)相比，结果是相同的且可重现。激光测振仪是非常出色的测试工具，能在工况条件下可靠地测量振动幅值并能够在细节上评估超声焊接过程。总结与展望利用差分式激光多普勒测振仪在超声焊接过程中对振动进行测量，实现了高频焊接过程的定量化修正图。激光多普勒测振法的几个显著优势，包括小的聚焦点，高分辨率位移测试，无质量载荷，高带宽以及相对远的测试距离，共同实现了超声焊接过程的现场振动测试。
导语改善牙齿健康，提升生活质量！瑞士E.M.S.公司生产的超声波洁牙器，采用Piezon无痛技术，可有效帮助客户保持牙齿健康。为了尽可能地维持牙齿的健康，防止龋齿和牙周感染，家庭护理方法如刷牙和使用牙线非常重要。不过仅靠这些是不够的，因为即使这些家庭护理操作得当，口腔内仍会产生菌斑，它是龋齿、牙周病和种植体周围疾病的主要致病因素。因此我们需要定期去看牙医，诊断菌斑或牙结石的形成，并使用预防技术来抑制它们的生长。什么是GBT？瑞士的E.M.S.公司（ElectroMedicalSystems）开发了一种特殊的治疗方法，称为以菌斑控制为导向的牙周治疗方案(GBT)，GBT方案倡导在天然牙、种植体和软组织上采用AIRFLOW®龈上和龈下喷砂及PIEZON®无痛超声洁治等方法开展菌斑控制。为使该种具有无创和舒适性等优点的治疗方法最高效，我们需要掌握PS工作尖的运动特性。Polytec激光多普勒测振仪在这一高端牙科器械的设计和制造中起到了非常重要的作用。与其它技术如手动、气动或磁致伸缩装置等相比，以菌斑控制为导向的牙周治疗方案(GBT)采用Piezon®舒适技术结合PS（龈下超细）工作尖，其运行轨迹的线性度、高效率、对牙齿和软组织的创伤最小，通过超声手柄内部的压电换能器提供可控振动来清除牙结石。压电换能器由内置的电子模块驱动，以确保仪器的持续振动。得益于PS超声洁牙器本身及工作尖超细的外形，设备在从龈上到龈下的防治过程中保持温和而有效的运动。只有整个系统在外形、超声模块和电子驱动模块之间达到完美平衡时，才能保证洁牙器能够实现精准的线性运动轨迹。这与其它一些竞争对手只关注工作尖而非整个系统的控制有着本质区别。事实上，几何外形、材料和操作手法的细微偏差都会降低洁牙器的性能。因此，若无法有效保证工作尖的适当振动特性，就有可能发生危险或引起病人不适。图2采用Piezon®技术的PS超声洁牙机，从龈上到龈下的通用治疗设备Polytec参与洁牙器的研发和质检为确保洁牙机具有适当的振动特性，E.M.S.公司在整个研发和生产过程中均采用了最先进的技术。事实上，在开发阶段，他们便使用了PSV扫描式激光多普勒测振仪来校准和验证有限元模型(FEM)，而在最后的质检阶段，激光测振仪被用来检测工作过程中超声模块以及制造工艺过程中的微小偏差。另外，我们还通过这种先进的测量技术来确定每台仪器的耐磨损性能。图3闭环反馈式的研发过程：设计-FEM分析-3D扫描式激光测振仪实测验证这种超声设备的振动测量需要采用非接触式方法，要能够实时准确地获取设备在高频振动下的微小位移(峰峰值小于200μm)，并将电子器件的电信号与设备的机械运动连接起来。PSV-500-3DXtra系统通过扫描工作尖表面，同时将发送到压电传感器的电信号作为相位参考，获得了工作尖的完整三维振型，并且得到了在进行齿面接触和喷水等真实条件下PS超声洁牙器的运动轨迹的线性度，Polytec在该领域的振动测试具有绝对的权威性。此外，Polytec公司的Xtra红外式激光测振仪的振动速度高达30米/秒，这意味着洁牙器工作频率在29kHz时的位移峰值可达到275μm（峰峰值）。测量结果PS超声洁牙机的振动测量是在空气中进行，无任何附加质量影响。在工作尖部位布置了大约135个测点，精确地获取这些测点在X、Y和Z向的振动数据，结果如图4所示。图4超声激励下PS超声洁牙机的振型显示这些结果可用于检验有限元模型(超声运动的模态、频率、线性度等)，并可用于进一步调节超声运动的真实振幅，如图5所示。图5从超声手柄到工作尖的不同位置上的实际振幅和理论振幅的对比我们也可以将测试得到的机械振动信息与电子驱动器发送的电信号进行对比，以验证振动输出的调节控制性能。此外，PSV-500-3DXtra测量的是设备在真实条件下的振动(与牙齿和牙结石相接触)，这些条件很难在仿真中建模。即使身处具有挑战性的工作环境，我们也能够准确地获取振幅并验证运动轨迹的线性度。总结与展望Polytec公司的PSV-500-3DXtra三维扫描式激光测振仪，以无与伦比的超高精度获取PS超声洁牙器的高速振动特性。正是这项测量技术，我们得以验证和校准理论模型，进而控制PS超声洁牙器的性能，同时获得洁牙器在工作过程中的真实运动情况。在设计-仿真-实测的协同作用下，激光测振仪帮助我们实现了产品开发的全新理念：不断改进产品并优化所有关键因素，以确保高效、无创伤的治疗。
使用三维扫描式激光测振仪，测试结构在超声频率下不同振动模态的复杂组合超声性能的发展在英国的格拉斯哥大学，我们测试了超声变幅杆的纵-扭(L-T)模态以优化其性能。在很多领域都存在L-T超声振动，如外科手术器械、工业焊接、超声电机等。格拉斯哥大学的研究人员甚至在研发用于行星探索的超声波钻探工具，由于引力低，传统的钻探工作不易进行，而下一代火星登陆人员将需要低反应装置来进行表面钻探。纵-扭超声变幅杆超声变幅杆，也称为超声波发生器，是一种金属杆，通常用于增强超声换能器的振动位移幅值，是将超声换能器的声能有效地传递到被处理介质中的必要装置。超声变幅杆通常是一种具有圆形横截面和变形纵截面的实心金属杆，它的长度必须能使其在所需的超声工作频率上发生机械共振，等于在变幅杆内传播的超声波的一个或多个半波长。人们尝试用两种不同的方法来激发设备的纵-扭响应：通过耦合纵向和扭转模态；通过加入螺旋槽和狭缝，使纵向模态简并为纵向扭转响应。人们发现，耦合纵向和扭转振动模态很困难,因为典型的超声变幅杆的外形在逐渐变化，这两个模态频率彼此接近后又分离，没有完全耦合的交叉点。例如，使用Polytec三维激光测振仪系统，如图1所示，第一纵模(L1)、第二扭转模(T2)、随着极简钛半波长步进变幅杆底座长度逐渐减小，可以观察到纵向(L)和切向(T)振幅的弯曲模态(B)。图1：随着超声步进变幅杆长度逐渐改变，不同模态间的相互作用由于这两种模态很难实现有效耦合，采用这种方法的变幅杆往往具有响应性低的特点，或者需要在超声传感器中加入两个不同极性的压电陶瓷叠片来激发出这两种模态。因此，模态简并的方法要更好，我们已经开发出一种换能器(图2)来利用这种技术。该换能器在单个压电陶瓷叠片的纵向振动模态激励下可以产生纵-扭输出。图2：新型的纵扭传感器试验模态分析为了评估换能器的性能，通过试验模态分析(EMA)确定换能器的工作模态响应。换能器的有效性主要体现在它的扭转性，即扭转振幅与纵向振幅的比值。3D扫描式激光测振仪的优势在于，它可以在不影响固有频率、模态振型或阻尼的情况下获得数据，无论被测结构是在空气中(无负载)还是在有负载的实际工况下。利用三维激光测振仪，在换能器表面测点网格上获取三个正交方向的响应，并利用MEScope软件提取模态频率和动画模态。这些结果使我们能够评估工作模态特性，以及所需的振型和周围的不期望振型之间的频率间隔。振动测试还可以用来验证传感器的有限元(FE)模型(图3)。图3：在SimuliaAbaqus和VibrantTechnologiesMEscope软件中显示传感器的仿真和实测模态振型。结论试验表明，该模型可以可靠地用于新型换能器的形状设计，以及评估器件的纵向和扭转响应特性，以实现器件性能的最优化。
如今，主动降噪(ANC)耳机非常流行，尤其适合经常旅行的人，比如在飞机上或火车上，因为它可以帮助抑制环境噪音。然而，很多公司都在寻找一种不需要佩戴耳机就能消除噪音的解决方案，即使用小型扬声器，例如在头枕中内置扬声器。由于这种头枕系统能提高乘客的舒适度，相比那些并未提供这种额外乘坐舒适度的公司而言，这种附加服务可以帮助客运公司销售更多或更贵的机票。长期以来，局部ANC系统所面临的难题就是通过控制高频声音，以获得想要控制的特定位置的声音信号。通常做法是使用四个麦克风和一个头部跟踪系统来减少频率1kHz左右的声源的影响。悉尼科技大学（UniversityofTechnologyinSydney）的BenHalkon和他的团队则采用了一种全新方法，使用LDV系统来代替麦克风。试验装置如下所示，包括一个LDV(OFV-534)、靠近耳道的小型膜拾音器和一个可转向的摄像机来控制摆镜。测量对象是B&K人工头。为了确保LDV信号质量足够强，即使模拟头部和躯干发生轻微移动，安装在每个人工耳处的轻质膜拾音器都能以几乎无损的方式实时确定耳朵中的声音。在第一个简化的试验装置中(见上图)，单点式激光测振仪PDV-100用于评估放置拾音膜的理想耳朵位置。基于如下所示的性能评估，在15s时间内宽带噪声高达6kHz的情况下,标注为#3的耳甲腔位置被认为最佳。确定理想的膜位置后，开始进行下一步的试验。在其它测试中，四个噪声源(扬声器)被随机放置在头部周围的不同位置，以评估衰减性能。预设不同的噪声场景，如飞机内部噪声或人们交谈，以评估在真实环境噪声下的ANC性能。下图是人们谈话时的环境噪声的衰减性能(黑色曲线ANC:OFF，淡紫色曲线ANC:ON)。在这些测试中，在频率范围为0-6kHz时，平均声压级被降低20分贝。研究表明，对于1kHz~6kHz范围内的噪声衰减测试，使用激光测振仪来研发ANC头枕系统的比基于麦克风的测试系统的优势更加明显。
研究背景和动机近年来，压电超声设备使用的越来越多，用于研究高性能金属（如钛合金或金属复合材料）在超高周疲劳机制中的疲劳特性。这个创新的技术需要一个合适的工具用于校正和测试。而Polytec公司的3-D扫描式激光测振仪拥有极高的性能和优势，完全可满足这类测试需求。目标很多现代工程系统，比如重应力电机零件或海上结构，通常要抵抗超过一千万次高频负载循环或生命周期要求超过30年。这个范围内的循环被称为超高周疲劳机制。在这些高性能部件的可靠应用中，对所使用的材料的疲劳特性的详细了解变得越来越重要，传统的测试设备能进行长时间测试，但测试频率最高仅能达到200Hz。图1超声疲劳测试试验搭建为了在较短时间内实现高达1010次循环测试，德国凯泽斯劳滕大学的材料科学与工程学院开发了一套创新的超声测试设备用于拉压试验。该测试系统使用压电转换器进行加载，产生一个纵波驻波，频率可达20kHz，用于激励疲劳样件，使其材料产生疲劳。该样件本证频率即为20kHz，在设计过程中用有限元分析方法进行分析，确保样件满足设计。3-D扫描式激光测振仪是一套非常高效的测试系统，可用来测试特征频率及特征模态来验证有限元模型。用传统方法来测试高频振动过程中的应力应变是非常困难的，比如使用应变片，必须要粘贴在被测物表面才能使用。因此3-D扫描式激光测振仪对于超声疲劳过程中的高分辨率应力应变非接触测试是特别适合的。试验搭建本试验使用的是Polytec公司PSV-400-3D扫描式激光测振仪，三个激光头的定位如图1所示，如此选择是为确保可对疲劳试验件的狭小区域进行测试。为了计算特征频率和特征模态，且保护材料不发生意外的疲劳破坏，我们选择了非常小的振动位移，幅值仅有30nm。应变测试仅聚焦在试件中部4mm长度范围内，此处应变最大。在特征频率上激励样件时，最大振动位移幅值可达42μm。注：目前3D测试的最新型号为PSV-500-3D，以及超低噪音多通道探测技术的PSVQtec3D，各项性能都有全面大幅提升。结果选择将试件的初始状态（疲劳试验前）与有限元模型进行了相关计算。从图2可见，特征频率为20.06kHz，该频率上的振型为纵向振动（图3上图）；两个结果与有限元计算结果吻合的非常好。图2频率响应a)初始状态;b)疲劳破坏之后图3:振型;上图:初始状态;下图:疲劳破坏之后另外，高频振动的细节显示也确保了本试验中的试件振动是正确的。在试件上进行了其他类似的试验，比如仅加载屈服强度一半的应力，尽管如此，由于内部疲劳破坏，疲劳失效仍然在1.2*109次循环后发生了。与初始状态相比，特征频率下降了，这是内部的疲劳破坏导致的。20kHz范围以内的特征模态也显示了清晰的区别（图3下半部分图形）。图中可见在试件上，速度分布不对称，疲劳失效的区域分布不均匀。图4:应力分布图4显示了高频振动过程中的应变分布，在测试位置处用3D扫描激光测振仪测试的的应变幅值与自由端使用Polytec´sCLV-2534-2测得的位移幅值之间的相关性表明，随着位移幅值的增加，应变幅值也会增加。图5:有限元模型与测试结果对比从图5可看出测试结果与有限元计算结果高度一致。结论与展望本文的工作表明了3-D扫描式激光测振仪在金属的超声疲劳测试领域中的应用潜力，试件在不同的疲劳状态下的特征模态的研究结果说明对当前的疲劳状态进行计算并定位疲劳失效位置是有可能的。3-D扫描式激光测振仪可进行高空间分辨率的非接触式局部应变测量，在超声疲劳测试中，可替代应变片在计量长度上进行高机械应力测试。
噪声保护和控制在专业和私人环境中都发挥着重要作用。空气声测试作为标准测试方法，可帮助确定声音的传播路径，是降噪手段之一。通常情况下，我们使用全指向性声源，如精密的360°扬声器来发声，这样设计目的是确保点声源在各个方向上的声音辐射能够均匀。这个创新的十二面体声源专为测试室内和建筑声学而设计,例如验证墙壁的隔声性能。为了能够在大带宽范围内产生声辐射，所有集成在内的单个扬声器都需要同相位振动。膜的结构动力学特性起着决定性作用，因为它们决定了最终振动特性和每个扬声器的振型。全指向性扬声器的质量主要看各向声辐射的一致性，这通过单个扬声器之间的量级比和相位关系来描述。本次试验中，我们采用德国Polytec公司的全自动机器人结构测试系统RoboVib®，对十二面体的全指向性扬声器的各个方向的结构动力学进行完整的参数化测试。十二面体扬声器的三维光学振动测量试验搭建按照预设，RoboVib®按顺序移动至不同的测试位置，最优化记录每个扬声器的振动特性。在每个测试位置上，三束激光同时照射在扬声器膜上的同一测点上，对该膜整个表面进行扫描式振动测试。之后，RoboVib®将自动移动至下一测试位置，开始下一个扬声器膜的测试。图1RoboVib®在十二面体声源上的振动测试直观的3D可视化测试数据3D动画包含了每个扫描点的振幅和相位信息。图2中是这些复杂信息中的一项，各点速度值的RMS结果分布。由于测量网格的高空间分辨率，扬声器的振型随着频率的增加而变得越来越复杂，测试完毕后，结果立刻显示出来。图2速度值的RMS值分布图3其中一个扬声器在100Hz时的工作变形图4其中一个扬声器在1043Hz时的工作变形通过比较各膜中心的正交振动，显示出不同扬声器之间的相位同步性。在这里，除了显示幅值响应外，也显示了相位响应，将其中一个扬声器作为相位参考。图5所有单个扬声器在30~500Hz之间的频谱图图6各个扬声器与参考扬声器的相对相位差十二面体扬声器的性能不仅取决于单个扬声器之间的同步性，还取决于外壳的机械刚度和鲁棒性。在这里，我们通过RoboVib®机器人结构测试系统对壳体进行扫描测试，显示了与单个扬声器相比，十二面体外壳的低振动特性。图7扬声器外壳和单个扬声器的振动速度RMS值分布基于工业机器人辅助的激光扫描振动测试系统的主要优点之一是与安装式加速度计等其它测试方法相比，本方法具有接近无限的空间分辨率。此外，Polytec激光测振仪采用非接触式，使用激光作为探测手段，对被测结构无任何附加质量影响，确保测试结果真实可靠。这些未受影响的测试结果可立刻在评估软件里显示为工作变形的三维动画，NTEK十二面体的高保真测试数据就是对Polytec激光测振仪测试性能的最好证明。
