有些振動(dòng)需要在水下測(cè)試，典型的例子就是超聲醫(yī)療換能器。還有需要在水下測(cè)試的應(yīng)用就是海洋和潛艇開(kāi)發(fā)。本文說(shuō)明了如何使用激光測(cè)振儀測(cè)試當(dāng)物體浸入到水里后振動(dòng)特性的具體變化。我們選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的金屬梁作為測(cè)試樣品，使用壓電片激勵(lì)。使用三維激光測(cè)振儀PSV-500-3D對(duì)物體進(jìn)行非接觸測(cè)試。首先在空氣中進(jìn)行測(cè)試，然后把物體沉入水中，采用相同的設(shè)置測(cè)試，從而看出物體振動(dòng)的變化。
實(shí)驗(yàn)搭建
Polytec提供兩種掃描式激光測(cè)振儀用于不同的測(cè)量場(chǎng)合。第一種是紅外式掃描頭，激光波長(zhǎng)是1550nm，輸出功率是10mW。它具有更高的靈敏度和信噪比，測(cè)試距離更遠(yuǎn)。由于這個(gè)波長(zhǎng)的激光在水里被迅速吸收，所以到達(dá)不了視網(wǎng)膜，是人眼安全的。它明顯的缺點(diǎn)就是不能進(jìn)行水下測(cè)試。第二種掃描式激光測(cè)振儀采用633nm的紅色激光，輸出功率是1mW，由于其功率低，也屬于人眼安全的級(jí)別。這個(gè)波長(zhǎng)的激光在水里的衰減很弱，所以可以進(jìn)行水下測(cè)試。
對(duì)于三維測(cè)量，三個(gè)掃描頭需要以不同的角度照射到被測(cè)物體表面，PSV軟件確保三束激光重合在同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在所有的測(cè)量點(diǎn)提取X、Y和Z三個(gè)方向的振動(dòng)。圖1表示了儀器的搭建。
圖1 PSV-500-3D 掃描式激光測(cè)振儀
被測(cè)物體是150mm長(zhǎng)的鋁梁，截面是12*12mm，如圖2 所示。被測(cè)物體由一個(gè)直徑10mm壓電片激勵(lì)。使用絕緣膠把壓電片粘到被測(cè)物體。如果供電電壓不是很高的時(shí)候，可以在水下正常工作。本次測(cè)試的激勵(lì)電壓是40V。
圖2 被測(cè)物體
被測(cè)物體放置到一個(gè)空的玻璃容器，玻璃容器放置到橡膠阻尼上。透過(guò)玻璃容器的側(cè)壁首先進(jìn)行空氣中的三維掃描測(cè)試。水下測(cè)試的時(shí)候，只需要在玻璃容器中加入純凈水即可進(jìn)行測(cè)試。這樣盡可能保持其它測(cè)試條件不便。圖3顯示了玻璃容器中有水的時(shí)候，可以看到紅色的測(cè)試激光點(diǎn)。
圖3 被測(cè)物體在水缸中測(cè)試
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4顯示了幾個(gè)峰值下的振型，左邊是空氣中的振型，右邊是在水里的?？梢钥闯觯矬w的振型一樣但是頻率有差別。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)可以明顯的看到區(qū)別，圖5顯示了兩次測(cè)試的平均譜，上邊是在空氣中，下邊是在水里。當(dāng)物體進(jìn)入水里后發(fā)生了如下變化：
l 共振頻率峰值有所減小
l 阻尼增加
圖4 被測(cè)物體的振型（左邊空氣中，右邊水中）
圖5 被測(cè)物體的平均譜線（上邊空氣中，下邊水中）
在水里的阻尼增加是合理的。我們注意到被測(cè)物體的縱向振型（圖4 最下邊一個(gè)）具有最小的頻率變化和阻尼增加。這主要是由于縱向振動(dòng)作用到水的前后面面積較小。但是在橫向振動(dòng)中，整個(gè)的縱向表面都收到水的作用，因此受到的影響比較大。還有一個(gè)注意事項(xiàng)，面外振動(dòng)的幅值需要除以水的折射率（約1.3），面內(nèi)振動(dòng)的分量不需要變化。這個(gè)修正對(duì)幅值有小的影響，但是對(duì)振型影響不大，可以忽略。
結(jié)論
實(shí)驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)設(shè)置在空氣中和水中保持一樣，確保測(cè)試反映了被測(cè)物體在水中的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清楚的看到空氣中和水中的差別。在水中的結(jié)果振動(dòng)基本一致，但是頻率降低，阻尼增加。掃描式激光測(cè)振儀可以測(cè)試水下物體的動(dòng)態(tài)特性，簡(jiǎn)單且高效。
