导语平衡模式辐射器是扬声器设计的一个新方法，具有独特的视觉和声音特点。膜的特性的严格控制是必须的，为了给设备提供合适的精准的声学性能。Polytec公司的扫描式激光测振仪可在工作的设备上提供现场非接触，对平板膜无外加载荷的振动测试，这加速了新的扬声器的开发与生产。01简介平衡模式辐射器代表了一个新的扬声器等级，与传统扬声器相比有明显区分的设计特点和声学特性，众所周知，传统的扬声器是电动扬声器，基于锥形振膜设计。传统的锥形扬声器和平衡模式辐射器最显著的区别是使用了悬挂的平板圆形片作为辐射板振膜。驱动单元简洁的外观与平坦的前面使得创新的工业设计具有独特的声学特性。声学上，平衡模式辐射器被设计成全范围驱动器，几乎可支持整个听觉谱。对于平板振膜特征频率以上的频率，平衡模式辐射器作为弯曲波设备，其声学行为主要由板的质量密度，弯曲刚度，阻尼，剪切模量决定。这些参数对于平衡模式辐射器的声学行为来说是极其重要的。02从原型到批量生产平衡模式辐射器的设计在德国完成。但是由于消费市场的成本限制，绝大多数驱动单元需要在中国生产。产品开发阶段，所有需要的部件都在中国加工和制作，然后在德国进行装配和测试。在满足性能之前，每一部分的尺寸和材料都会更改。我们编写了结构手册并与最终的驱动单元一起发送到了中国。这个黄金标准称为“标准样品”作为建设生产线时的参考。最初的一套驱动单元样品作为释放样品被发送回德国验证。在这篇案例研究中，平板振膜材料成分的意外改变降低了声学性能。一个释放样品被发现产生了不如标准样品的明亮的声音，虽然两个单元都是按照同样的标称规格制造的。因此，该任务可确认材料来源不同。03同轴频响为了评估驱动单元，需要测试声学同轴频响（如图1）。释放样品在18kHz以上比标准样品稍微响一点儿，意味着声音更加明亮一点儿。这个测试结果与对这两个样品主观听觉评价时的感受相反。接下来，下一步要尝试解决这个明显的矛盾，使用扫描式激光测振仪对这个两单元的平衡模式辐射器的平板振膜进行动态响应测试。图1两个样品的同轴声压级谱04驱动单元振动分析使用Polytec公司的PSV-300扫描式激光测振仪进行振动分析。激励信号是由测振系统产生的一个正弦扫频信号，从150Hz到50kHz，采集1781个测试点的振动频率响应信号，这些测试点圆形对称平均分布在振膜的表面上。测试系统的软件计算信号的平均谱，可快速得到平均速度和平均加速度数据。在图2中，两个单元的加速度谱绘制在曲线图的上半部分，其纵坐标在右侧；速度谱绘制在曲线图的下半部分，相应的纵坐标在左侧。最明显的偏差发生在7–12kHz而不是发生在声压级测试确定的12–18kHz范围内。7–12kHz频率范围内的差别更像是声音“明亮”或“暗淡”的评判。标准样品更明亮的声音在两个平均谱上都比释放样品的声音更活跃，这支持了日常的主观评价结果。图2两个样品的速度和加速度平均谱05模态分析图2中的结果表明两个驱动单元的振膜板的材料不同。在图3中，比对了两个样品在10kHz处的工作变形(ODS)，显然，释放样品的振膜板出现了圆对称弯曲模态（左侧），而标准样品以旋转对称结构为主，打破了圆对称（右侧）。这个结果确认了前面的发现，标准样品的平衡模式辐射器振膜的各向同性弯曲刚度小于释放样品。很明显，振膜板的生产商努力使其各向同性更好来提升板的质量。图310kHz处，振膜板的工作变形释放样品（左）标准样品（右）总结与展望通过使用Polytec公司的扫描式激光测振仪采集的结构响应数据可现场识别与参数化扬声器内的动态材料特性并且澄清了初始声压级测试与听力测试的不一致问题。振动分析的最终结果提升了对平衡模式辐射器的理解，并通过消除试错过程节约了开发时间。
导语Polytec公司的PSV扫描式激光测振系统，成功应用于超声波技术已有很多年，它可将微小振幅、高频率的表面振动可视化。除谐振外，新一代PSV系统还可以采集周期性重复的时间信号，使声波和超声波在二维可见，本文将为大家介绍Polytec激光测振仪在这方面的应用。01激光振动测量的经典应用:表面波的可视化在超声波技术中，固体的共振(即谐振)频率通常高于听觉阈值20kHz。在这个频率范围内所产生的振动的振幅很小(通常为20~50μm，极端情况下可达100μm)，这就是为什么肉眼无法观察到的原因，我们需要特殊的测量技术来测量这些振动。激光测振技术是超声技术中较为理想的表面波可视化测量方法(如图1)，其采用非接触式测量方法，快速采集二维谐振，且直接测量振动速度，完全不受超声技术极端条件的影响。图1：使用扫描式激光测振仪测量超声粉尘检测仪的振型02折射-测振法测量声场分布在许多超声波技术应用中，压电式超声波发生器用于在流体介质(空气或水)中发射超声波。我们熟知的水中声波辐射应用如超声波清洁技术、超声波流量测量技术、声纳和回声测深及其在医学技术中的应用(如妊娠诊断)。超声波辐射在空气中的一个重要应用是距离传感技术或测距。这项技术的商业应用涵盖了从作为兴趣爱好的手持测量设备到专业的工业自动化解决方案，包括用于泊车的距离传感器和车尾的警告传感器。在所有这些应用中，目标超声在空间的分布(声锥或辐射方式)对于确保系统的可靠工作非常重要，激光测振仪通过非接触式测量空气中的声压波来测量其分布情况。这一过程称为折射-测振法，测量原理基于声波的压力变化总是导致气体密度变化，从而导致光折射率略有变化。当激光照射到介质中，由光波通过时间的变化可以推导出局部压力。因此，折射-测振法可以理解为折射（光弯曲）和测振法这两个术语组合而成。参考文献[1]解释了超声波对光折射的基本影响(如德贝-西尔斯效应和多普勒效应)。Zipser和Matar等人在参考文献[2][3][4]和[5]解释了如何使用扫描式激光测振仪非接触式测量压力分布，然后将其可视化为随时间变化的动画。为此，可以使用一种装置，使激光束通过传播中的超声波，然后通过一个固定的反射器从声场后面反射回来(图2)。这种应用技术在参考文献[6][7]中有介绍。图2:扫描式激光测振仪和相应反射器的布置图，对空气中声传播或超声波平面波进行折射-振动测量扫描式激光测振仪的测量数据经后处理，显示了虚拟的速度分布，经验不足的用户可能会将其错误地理解为反射器的表面运动。然而，它其实定性地呈现了感兴趣区域内的声压分布，图3是基于超声的悬浮激振器下的声压分布实例。图3:在空气中产生驻波的超声换能器的声压分布。右边的图像显示了水滴在声压节点中被驻波保持悬浮状态。该测量由德国帕德伯恩大学机电一体化和动力学小组成员共同完成。在精确诠释测量结果时需要保持谨慎，因为每一个测量点都是激光束从测量仪器到反射器再返回的路径上的声音分布的积分。在数学理论上，可用沿光束路径的线积分来表示。对于图2所示的平面波，测振仪显示的虚拟速度值与相应位置的声压成正比(假设测振仪与被测物的测量距离足够大)。对于非平面声压分布，可以通过合理计算得到精确的声压值。例如，如图3所示的定位器下形成的驻波是旋转对称的声音分布，表现的一致是因为这是2D的展示。经过检测，这些驻波的最大声强点的最大声压级为166dB。参考文献[8]详细描述了根据测量的虚拟速度来计算声压级的过程。对于复杂的声压分布，折射-测振法能快速良好地定性描述真实声场分布，这在对声压环境没有精确的前期了解时是非常有用的。其它测量方法则需要花费更多的精力和时间，图4显示的是超声气垫悬浮光盘下方产生的共振声场的压力分布，悬浮光盘本身就是一个声音反射器。图4：圆形弯曲板的超声振动使光盘悬浮。利用折射-测振法，可以轻松地得到共振声场中的声压分布由于激光束经过几个高、低声压的圆形区域，声压的定量计算非常复杂，需要进行特殊的断层扫描重构处理。在Polytec第9次研讨会上，我们介绍了断层扫描方法，用来定量重构悬浮在水中的超声发射器的声压分布。当用扫描式激光测振仪测量任意周期信号而非正弦信号的折射率时，这种技术尤其令人印象深刻。德国雅典娜技术咨询有限公司（ATHENATechnologieBeratungGmbH）公司对使用脉冲回波法测量距离的手动设备的声波进行了分析。图5显示了压力波包脉冲以c=344m/s(声速)从转换器到反射器的瞬时图像。超声波频率f=40kHz，可分离出与波长相对应的压力最大值，λ=c/f=344(m/s)/40kHz=8.6mm。图5：脉冲-回声测距仪的传播声压包的折射-测振测量超声波测距仪根据从换能器到反射器再返回的波包的传输时间，自动确定传感器与反射器间的距离。当压电产生的超声波在换能器的传递表面衰减后，换能器立即切换到接收模式并测量时间，直到声波回声使压电换能器再次振动。由于在空气中的波速c已知，可以根据波包传输时间，计算出传感器与反射器之间的距离s=c·t/2。在这种特殊的折射-测振中，使用了扫描式激光测振仪的时间测量功能。参考文献[13]的案例类似，不同的是波的传播介质是水而不是空气。总结与展望扫描式激光测振仪不仅可用于表面振动测量，还可以以动画方式形象地显示出声压分布。定性结果比较容易得出，在无过多的信号处理的前提下，只有在特殊情况下才能获取准确的声压值。由于声压分布是复杂的三维分布，必须利用测振仪测量的虚拟速度，采用复杂的断层扫描方法来确定局部声压。在重建过程中通常需要定性假设某个时刻的声压分布，以加快计算速度。因此，给扫描式激光测振仪定义一个“自动声压评估”功能是不太现实的。
固体材料在发生不可逆变化时发出的声波称为声发射（acousticemission，AE）。例如，当焊接过程中形成裂缝，或在压力容器、桥梁等混凝土结构中形成裂缝时，就会出现这种情况。在材料无损检测中，声发射通常发生在20kHz~1MHz之间。与传统的超声波测试不同，声发射传感器是用于监测材料在失效或受应力时所产生的振动波，而非测量材料对外部产生的振动波的响应。声发射传感器用于监测裂纹的萌生过程。声发射传感器包括一个被调制到特定的频率范围的压电元件，具有非常高的灵敏度，它负责将弹性波引起的表面运动转换为电信号。由于不能进行数据平均，其灵敏度要高于PSV。到目前为止，声发射传感器主要是记录材料发生变化时产生的声波。然而，声波产生的确切位置几乎无法确定，因此也很难确定材料破坏或应力位置。在当前研究中，弗莱堡工业大学不仅致力于用AE传感器探测声波，而且整努力研究如何找出声波的起始位置。如上图所示，将压电激振器（Source处）装到金属板上，发出类似于金属腐蚀时产生的Lamb波。压电激振器被用作声发射信号，因为金属腐蚀或其它材料失效所产生的声发射信号无法被PSV系统直接检测。Lamb波源与声发射传感器之间的距离可以通过检测对称的S0波与不对称的A0波之间的传播时间差来确定。然而，在现实中，声发射传感器（AESensor）与声发射源（Source）间的计算距离与真实距离存在偏差。我们使用PSV-500来寻找偏差产生的根源。PSV记录声发射传感器周围的波传播，如下图所示。PSV测试结果表明，由于金属板边缘的反射波及由此产生的波的干涉，会导致A0和S0的振幅要大于实际值。下面的视频中可以看到波的传播。通过反射的兰姆波和由此产生的波的干涉，可以计算推导出兰姆波源的实际位置。通过将波反射纳入扩展方程，最终确定兰姆波源的位置。
在当今数字化时代，无论是通过移动设备观看精彩节目、与亲朋好友畅聊，还是在商务场景中进行沟通协作，人们都期望获得卓越的音质体验。然而，一旦音质出现瑕疵，往往会让人感到不适。其中，电容啸叫便是导致音质不佳的常见因素之一，这一现象在电子行业内已被广泛提及。当输入信号中的纹波电流因压电效应引发电容振动时，电容便会“啸叫”。值得注意的是，这种声学噪声并非由振动的电容直接产生，而是电容的振动致使印刷电路板（PCB）跟着振动，进而间接产生噪声。带有一组贴片电容的印刷电路板（PCB）的视频图像及其振型的叠加（扫描式激光测振仪）那么，该如何准确表征电容啸叫这一现象呢？对于设计工程师而言，又该如何为特定应用挑选适配的电容，并巧妙调整电路板布局，从而有效避免电容啸叫问题的出现呢？传统麦克风通常用于测量声压级（SPL），但它的空间分辨率较低，难以精准定位问题根源，也就是无法确定究竟是哪个电容导致了PCB产生啸叫。要知道，电容啸叫时的振动幅值极其微小，哪怕是亚纳米级别的位移，也足以使PCB产生较高的振动水平，进而对消费者的音频体验造成不良影响。PSV扫描式激光测振仪的垂直测试装置，用于优化小型部件工作变形揭示关键频率在解决电容啸叫问题的过程中，Polytec的激光多普勒测振仪（LDV）发挥着关键作用。激光测振仪属于光学传感器，它借助激光，能够精准检测物体表面极其细微的运动，甚至可以分辨低至皮米级别的振动。LDV就如同超高灵敏度的光学麦克风，其发射的激光光斑尺寸比电容小几个数量级。PSV扫描式激光测振仪的扫描头配备了智能摆镜，借助这一设计，产品开发工程师能够迅速、精确地对PCB及其组件进行特性分析。二维扫描显示了PCB上的均方根（RMS）分布全场扫描能直观呈现振动热点通过对振动数据的深入分析，不仅可以用于验证仿真模型的准确性，还能在出现问题时进行高效的故障排查，为提升电子产品的音频质量提供有力支持。
振动是装置产生声场以实现微球操控的源头，振子的振动特性直接影响声场的建立。测试不同状态（含水、不含水）下的振动特性，能了解振子在实际工作环境（含水，微球处于水中）的表现。同时，通过测试不同振动模态（共振驻波、非共振行波）的振型，可确定其建立的声场是否符合预期，为后续验证微球操控效果提供依据。对微球声操控装置进行振动测试，核心目的是验证装置振动特性的理论计算与实际表现是否一致，进而确保其对ICF微球操控的可行性和有效性。01试验装置为测试声操控装置的振动特性，研究中搭建了以多普勒三维激光测振仪（PSV-500，德国Polytec公司）为核心的振动测试平台，配套设备包括信号发生器、示波器、功率放大器和气浮台。图1振动特性测试平台声操控装置原理样机被平放在气浮台上，以便于在振子内部添加水。激光头被布置在原理样机的正上方，由于水具有极好的透光性，此种布置方式可对声操控装置不含水和含水两种状态下的振动特性进行测量。02试验结果在扫频测试试验中，上位机设置的扫频范围为200~5000Hz，振子的槽底为测振表面，测试结果如图2所示。图2声操控装置的频率响应特性曲线结果表明，当振子内部不添加水时，其一阶、二阶及三阶弯振的共振频率分别为530、1706和3511Hz；而在振子内部添加水后，其一阶、二阶及三阶弯振模态的共振频率则分别降低为523、1680和3471Hz。该变化趋势与理论模型的结论一致。图3仿真计算和试验测试得到的谐振频率之间的比较理论计算和试验测试得到的声操控装置共振频率的对比结果图3所示。结果表明，动力学模型的求解频率均略高于测振频率，且声操控装置不含水的情况下，理论计算相较于测振试验的频率差值比分别为3.4%、2.0%和2.5%。在声操控装置内部添加水后，理论计算相较于测振试验的频率差值比分别为4.2%、3.0%和3.3%。造成这种频率差异的主要原因是理论建模时忽略了导电薄膜对结构整体的影响。由于导电薄膜的厚度较小且材料参数复杂，难以有效纳入理论模型。在对声操控装置进行离散化时，将导电薄膜按照弹性体单元进行计算，相当于理论计算过程中提高了导电薄膜部分的杨氏模量。对于梁的弯曲振动而言，杨氏模量的升高会引起其抗弯刚度的增大，进而使共振频率上升。因此，在动力学模型中忽略导电薄膜，并将其简化为弹性梁的一部分，是导致理论模型计算频率高于试验测试的共振频率的关键原因。根据得到的共振频率进行了定频测试试验，得到的振型如图4所示。所测得的振子的二阶和三阶弯振振型标准，分别具有一个和两个位移节点，如图4（a）和（b）所示。此外，从振型云图的图例可知，在声操控装置内添加水后，振子二阶弯振模态和三阶弯振模态的振幅分别从7和4μm降低到了6和3μm，均减少了1μm。这一结果表明，水的添加不仅会影响到振动系统的共振频率，其添加引起的额外阻尼也会使能量损失增大，导致系统振动幅值降低。根据测振得到的幅频曲线，同时为了对应理论计算的结果，选择400Hz作为非共振行波的激励频率，结果如图4（c）所示。可以看出，一个振动周期内，振动位移节点随着时间向右移动。图4(a)二阶弯振模态图4(b)三阶弯振模态图4(c)非共振行波03重要结论整体来看，所建立的理论模型的计算结果与测振试验结果具有较好的一致性。声操控装置前三阶弯振模态的共振频率差值较小、振型吻合度较高，证明了所建立的机电耦合动力学模型及样机装配的正确性。激光测振仪凭借其高精度、非接触的测量优势，在微球声操控装置的研发、优化及性能验证中具有不可替代的应用前景，是保障装置从理论设计走向实际有效应用的关键测试工具。
现今，船舶建造对噪声指标要求日趋严格，在船体、基座、舱壁、甲板以及对居住性要求高的舱室内都大量采用阻尼材料抑制振动，提高隔振降噪效果。材料的阻尼通常用损耗因子或阻尼比来表示该材料的阻尼大小。传统的振动传感器测振方法需要将加速度传感器附在被测物体上，但是这种测试方法对于轻薄结构的测量存在质量和刚度上的附加影响，对测量的准确性产生影响。激光测振技术是利用了激光多普勒效应，以非接触方式的测量，解决了传感器附加作用的影响。本文根据阻尼材料的阻尼性能测试原理，利用激光测振仪代替传统的测量方法进行了材料阻尼性能测试的探索和应用，获得了理想的测试结果。01不同测试系统的测试比较1.1测试系统根据振动梁法的测试原理组建了两套非接触式测试系统。阻尼材料阻尼性能测试中，激励换能器采用非接触式磁电换能器，检测换能器也采用非接触式的振动速度传感器。一套系统采用电磁换能器用于激励和测量结构振动，参见图1a）的测试系统，但利用该系统测试的高阶模态响应不够理想。为了提高测量信号的信噪比，实现较高频模态的清晰测量，在另一套系统中的测量仪器尝试采用了德国Polytec公司的OFV-5000高性能单点式激光测振仪，参见图1b）的测试系统。在两套系统中，信号源由具有信号输出功能的B&K3660D数据采集分析仪输出，同时用数据采集分析仪进行测量分析。图1测量系统框图1.2频响函数测试比较激光测振仪的测量是非接触的光学测量，测量理论基础是光学上的频率移动，也就是激光照射到振动的物体上其反射频率发生了变化。这种测量方法对于很多无法使用接触式传感器的环境非常实用。光学上发光点和接收点相对位置的变化会导致频率和波长变化，也就是多普勒效应。如果光的方向与振动方向相同，那么速度V、波长λ多普勒频率移动fD可用下式表示：fD=2v/λ首先测试板条梁的频率响应曲线，由频率响应曲线确定试样的各阶共振频率，然后由半功率带宽法计算各阶共振频率下的损耗因子。B&KPULSE3660D数据采集分析仪能自动计算阻尼比，由结构阻尼损耗因子是阻尼比的2倍，得出该材料结构在的阻尼损耗因子。试样为钢质板条梁，梁自由端长200mm，宽10mm，平均厚度1.425mm。传统的测量是采用非接触式磁电速度型传感器测量振动响应，本文采用激光测振仪进行了测量比较。由数据采集分析仪的信号源产生随机信号激励换能器，以对板条试样施加激励力。图2为采用非接触式磁电速度型传感器和激光测振仪测试的同一钢质试样的频响函数（FRF），两FRF曲线显示的共振频率和阻尼比结果一致。图2激光测振仪和磁电速度传感器测试的频响函数表1列出了钢质板条梁试样的共振频率计算与测试的结果比较，两种方式测量的共振频率与计算结果一致。表1钢质板条梁试样的共振频率结果比较以上结果说明激光测振仪可用于声学材料阻尼性能的测试，测试结果可靠。图2表明采用激光测振仪测试的频响函数曲线明显优于采用电磁传感器的测试结果，这是由于激光可聚集到nm量级，因此使用激光测振装置可对高频振动速度进行非常精细的测量。如果非接触式速度传感器与试样间距不够小会影响高阶模态测试，但间距太小又影响低频的测量。所以，应用激光测振仪能在感兴趣的频率范围内测量更多的模态数，能更理想的获得高频的阻尼材料振动特性。通过两套测试系统的阻尼测试比较可见，在阻尼材料性能测试中，由于激光测振仪（LDV）具有噪声低的优点，比非接触式速度传感器更适合高阶模态振动的测量，尤其适合阻尼材料的振动测试。02声学材料阻尼测试应用2.1某阻尼瓦复合板本测试是要评价某阻尼瓦复合板的抑振量，频率范围1kHz～8kHz。为了了解某阻尼瓦的阻尼减振效果，分别对同样大小的钢梁和复合梁进行阻尼性能测试。阻尼瓦复合板试样是将阻尼瓦直接黏贴在钢板上，复合板试样中的钢板与钢板试样尺寸相同，试样形状为矩形条状。测试的复合板试样为梁状（见图3）。图3阻尼瓦复合试样2.2测试系统本试验仪器为B&K3660D数据采集分析仪，激励系统由B&K3160带信号源的采集板卡、B&K2718功率放大器以及B&K4809激振器组成。由力传感器测量激励力、激光测振仪测量振动响应信号。阻尼瓦复合板振动阻尼现场如图4所示。测试时，通过调节功率放大器的增益来调节激励力大小。图4阻尼瓦复合板振动阻尼测试2.3阻尼减振效果测试结果测试分两步进行：（1）测试试样梁的频率响应曲线，由频率响应曲线确定试样的各阶共振频率，并计算各阶共振频率下的损耗因子；（2）根据钢梁以及复合梁测得的损耗因子，经过数据处理最终得到复合试样的抑振量。经测试得到的钢板和阻尼瓦复合板的频率响应曲线见图5。由FRF计算得到的损耗因子测试结果见图6。图5试样的频率响应曲线图6试样的损耗因子——频率曲线根据计算得到阻尼瓦复合板的平均抑振量测试结果见表2。结果表明阻尼瓦复合板的阻尼减振效果基本随着频率增加而变大。表2测试结果03重要结论本文利用激光测振仪与传统的非接触式磁电速度传感器进行了阻尼测试比较，采用激光测振仪获得了理想的阻尼测试结果。通过钢板和复合板的振动阻尼特性测试，得到了阻尼瓦材料在1kHz~8kHz频率范围内的抑振量。结论如下：1）激光测振仪能有效的测量微小振动信号，而且对试样的测试没有附加影响；2）使用激光测振仪进行振动测量获取阻尼性能的方法可行，测试精度高，尤其在较高频率的振动测量方面具有明显的优越性；3）激光测振仪适合声学阻尼材料的振动测试，可用于测试评价材料的声学性能。特别鸣谢：深海技术科学太湖实验室连云港中心，周庆云，江苏·连云港
