吳 鵬，秦水介，徐 寧

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.貴州省光電子技術(shù)及應(yīng)用重點實驗室，貴州貴陽550025）

1 引 言

聲音檢測技術(shù)是開展聲場可視化、噪聲識別與抑制、遠(yuǎn)程偵聽等相關(guān)研究的基礎(chǔ)和前提，在機(jī)械制造、材料科學(xué)、生物醫(yī)療和國防軍事等領(lǐng)域具有非常重要的意義［1］。近年來，光學(xué)測量方法在測量領(lǐng)域的快速發(fā)展，尤其是激光測振儀的廣泛應(yīng)用，推動了聲音檢測技術(shù)的進(jìn)步。 Pitts［2］等用CCD探測脈沖激光被水下超聲波調(diào)制后的光強(qiáng)分布，計算出激光在聲場中的相位變化及聲場分布；Richoux［3］等利用粒子圖像測速儀（PIV）測量聲場中示蹤粒子的運動速度，進(jìn)而計算出聲音強(qiáng)度，但是該方法需要加入示蹤顆粒物；賀巖［4］等利用水面振動引起的反射光相位變化，實現(xiàn)了水下聲音的單點測量。

激光聲音檢測技術(shù)主要是通過采集聲場中的介質(zhì)或物體振動信息，解調(diào)后得到聲音的基本參數(shù)，進(jìn)而可以計算出聲源的物理特性及聲場分布等信息［5-6］。但上述的幾種測量方法需要在測量過程中設(shè)置特殊的測量目標(biāo)或?qū)ο?，不屬于?yán)格意義上的非接觸測量，限制了激光聲音檢測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

目前，基于固體微片激光的回饋干涉測量方法［7-11］，具有極高的測量靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)非配合目標(biāo)的非接觸測量，符合聲音檢測的技術(shù)特點和要求，且具有全固態(tài)、易準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。鑒于此，本文利用微片Nd∶YO4（釩酸釔）激光器構(gòu)建了基于激光回饋干涉的聲音檢測系統(tǒng)，檢測聲場中的物體并測量其運動信息，通過計算機(jī)重構(gòu)得到了具有較高信噪比的聲音信號，實現(xiàn)了聲音的遠(yuǎn)程非配合檢測。

2 系統(tǒng)及工作原理

基于微片Nd∶YO4激光器的回饋干涉檢測系統(tǒng)如圖1所示，采用了激光回饋干涉和外差移頻相位測量的原理。其中，ML（Micro Chip）為微片激光器，BS（Beam Splitter）為分光鏡，AOMs（Acousto-Optic Modulators）為聲光調(diào)制器組，L1、L2為凸透鏡，BE（Beam Expander）為準(zhǔn)直鏡，PD（Photo Detector）為光電探測器，LIA（Lock-IN Amplifier）為鎖相放大器。

圖1 聲音檢測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of sound detection system

微片Nd∶YO4激光器在半導(dǎo)體激光器的泵浦下輸出1.064μm的激光，經(jīng)透鏡和準(zhǔn)直鏡后，其中一部分被目標(biāo)反射沿原路回到激光諧振腔內(nèi)，發(fā)生回饋干涉并引起激光器輸出功率的調(diào)制。此時，AOMs使激光產(chǎn)生頻率為2Ω的移頻，形成移頻回饋光，形成了外差回饋，提高了測量的靈敏度和精度?？梢詫⒁祁l回饋光對激光器輸出功率的調(diào)制［12-13］表示為：

其中，G（x）為微片激光器對移頻回饋光的增益放大系數(shù)，可以將其表示為：

其中，k為外腔光場在諧振腔內(nèi)的耦合系數(shù)；γc為光子衰減速率；η為激光器泵浦強(qiáng)度；γ為反轉(zhuǎn)粒子的衰減速率；ωR為激光弛豫振蕩頻率。當(dāng)外差移頻頻率2Ω等于弛豫振蕩頻率時，其增益系數(shù)可以超過106。因此，外差移頻回饋的測量方法大大降低了對測量目標(biāo)表面反射率的要求，這也是激光移頻回饋相位測量方法具有高測量靈敏度原因所在，微片激光器在回饋測量系統(tǒng)中不僅作為光源，還是一個高靈敏度的探測器。

光電探測器將其采集到的功率調(diào)制信號送入鎖相放大器中進(jìn)行解調(diào)，可以得到目標(biāo)運動產(chǎn)生的相位變化，根據(jù)D=Δφ×c/2nω即可計算并記錄目標(biāo)的位移，進(jìn)而分析得到振動的波形和頻譜等。此外，高斯光束的發(fā)散角會使激光的功率密度在長距離傳播后迅速降低，降低測量的信噪比。因此，激光束的準(zhǔn)直對遠(yuǎn)距離的測量顯得非常有必要。在圖1的系統(tǒng)中使用透鏡L1、L2和BE和準(zhǔn)直鏡BE對光束進(jìn)行了兩級準(zhǔn)直，壓縮了激光的空間發(fā)散角，有效地提高了系統(tǒng)的工作距離和回饋信號的強(qiáng)度。

3 實驗研究及結(jié)果分析

為使研究工作盡可能與實際檢測的環(huán)境相符合，在實驗中使用普通白紙作為檢測目標(biāo)，它屬于典型的非配合目標(biāo)。將目標(biāo)放置在揚聲器產(chǎn)生的聲場中，兩者間的距離約為300 mm，揚聲器的聲壓級為60 dB，系統(tǒng)距離目標(biāo)的距離約為25 m。圖2所示為移頻回饋調(diào)制后的激光功率譜，其中，移頻信號的頻率為2 MHz，其信噪比超過15 dB。

圖2 系統(tǒng)光功率譜Fig.2 Power spectrum of laser modulated

對單頻聲音信號的檢測是聲音檢測研究的基礎(chǔ)。實驗利用軟件生成標(biāo)準(zhǔn)的單頻正弦波信號，輸入揚聲器后使其發(fā)出單一頻率的聲音信號，驅(qū)動目標(biāo)振動。測量系統(tǒng)采集目標(biāo)運動產(chǎn)生的相位變化，由鎖相放大器進(jìn)行相位識別和信號解調(diào)，計算得到目標(biāo)的位移，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以后，我們得到了目標(biāo)的振動規(guī)律。改變聲音信號的頻率，分別檢測了不同頻率下目標(biāo)的運動情況。圖3所示為測量目標(biāo)的振動波形（左）和頻譜（右）。

圖3 目標(biāo)振動波形與頻譜Fig.3 Vibration wave and spectrum of target

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)在不同頻率的聲音信號驅(qū)動下產(chǎn)生受迫振動，系統(tǒng)能夠很好地識別目標(biāo)的運動信息，并較好地測量了振動的頻率和幅值。將測量得到的結(jié)果通過計算機(jī)重構(gòu)得到了恢復(fù)后的聲音信號，與原始信號基本一致。需要注意的是，目標(biāo)對不同頻率的聲音信號具有不同的響應(yīng)，使目標(biāo)的振幅隨驅(qū)動頻率的增加逐漸降低，但這并不影響系統(tǒng)對聲音信號的檢測性能。系統(tǒng)的振幅測量范圍由系統(tǒng)的檢測帶寬和波長決定：Am=Δν×λ/4πf，鎖相放大器的檢測帶寬為200 kHz，波長為1.064μm，計算得到20 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的最大振幅為0.424 mm和0.424μm，能夠滿足實際工作的需要。此外，圖3中的信號發(fā)現(xiàn)在50 Hz內(nèi)的低頻段存在波動和噪聲，產(chǎn)生的原因主要是遠(yuǎn)距離測量中，光路中的空氣擾動、聲光調(diào)制器的熱蠕動、混入電路中的工頻信號以及目標(biāo)隨空氣的運動產(chǎn)生的信號波動等干擾的綜合體現(xiàn)，通過濾波可以對其進(jìn)行有效地抑制。

在單頻聲音信號檢測的基礎(chǔ)上，對一段音頻信號進(jìn)行了檢測，結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測結(jié)果Fig.4 Result of detection

圖4為聲音信號的波形（左）與頻譜（右），從中可以發(fā)現(xiàn)，原始信號與恢復(fù)信號相比，存在較大的噪聲，且高頻區(qū)域的信號損失較大，這與目標(biāo)對高頻信號響應(yīng)較弱的分析是一致的。采用數(shù)字濾波、放大等方式進(jìn)行信號處理后，利用計算機(jī)重構(gòu)得到了較為清晰的聲音信號，基本恢復(fù)了原始聲音信號中的信息。

3 結(jié) 論

本文將激光回饋技術(shù)應(yīng)用于聲音檢測研究中，利用微片Nd∶YO4激光器構(gòu)建了聲音檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了聲音信號的遠(yuǎn)距離檢測，能夠較好地測量不同頻率的聲音信號，重構(gòu)得到的音頻信號清晰可辯。由于該系統(tǒng)具有非常高的檢測靈敏度，無需在聲場中設(shè)置特殊的測量目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)聲音的非接觸和非配合檢測。該系統(tǒng)通過對激光的準(zhǔn)直，工作距離超過25 m，能夠滿足多種場合聲音檢測工作的需要，具有較大的實際意義，在國防軍事、遠(yuǎn)程偵聽、安防安保等方面都有較大的應(yīng)用前景。