Julight激光自混干涉测振技术-声共振探雷应用^[1]

由于雷区环境复杂且测试件种类多样，埋设测试件的安全有效探测一直是世界性难题。基于测试件声振特性和声-地震耦合原理的声波共振探雷技术是一种极具潜力的探测方法。

近日，上海大学团队基于意大利Julight自混干涉激光测振技术，以69式防坦克塑壳测试件、72式防坦克金属测试件、58式防步兵橡胶测试件和砖块作为测量对象，构建其声学特征测量实验系统，设计并搭建测试件在埋设情况下的探测实验系统，研究不同类型埋设测试件及同一测试件在不同埋深和土壤条件下的声振特性。

（一）锤击法模态测试

为了获取测试件模态特性，为后续声共振测试做参考，研究人员搭建了以冲击力锤为激励、非接触振动为响应的振动测量系统。

图1 锤击法模态测试系统

根据塑壳测试件的自身结构，在塑壳测试件上标记127个待测点，对这些标记点进行编号，将测试件底部用泡沫胶粘在刚性平台上。利用力锤依次敲击测试件模型表面所标记的各点，产生冲击力信号，激光自混合测振仪对准测试件中心点检测振动响应信号，经过模态分析仪和模态分析软件进行数据处理及分析，得到激励点和中心点之间的振动响应传递函数以及测试件壳体的模态振型。

图2 69式防坦克测试件测点布置

塑壳测试件第一次振幅最大值在112Hz附近，对应于塑壳测试件的第一阶固有频率和一阶模态振型，故其一阶固有频率为112Hz，振幅为-73dB。塑壳测试件的二阶模态出现在频率232Hz处，对应二阶固有频率，此时振幅为-84dB。三阶模态出现在频率723Hz处，对应三阶固有频率，振幅为-96dB。塑壳测试件是弹性腔体结构，其机械形状是规律的几何图形，因此测试件所激发的模态振型呈现规律的几何图形，振型的变化也是规律的几何变化。从而证实Julight激光自混合测振仪能够准确有效地检测测试件外壳的振动响应信号，从而实现模态特性的测量。

图3 69式防坦克塑壳测试件的模态测量结果

（二）声共振实验系统

基于Julight激光自混合测振技术和测试件的声振特性，研究团队设计并搭建了测试件在埋设情况下的探测实验系统。如图4所示，该探雷系统包括声波发射部分和地表振动信号检测部分。声波发射部分是由信号发生器、调音台、功率放大器和音箱组成。

图4基于Julight激光自混合测振的声共振探雷实验系统

实验场地为100cm（长）×90cm（宽）×40cm（深）的凹坑，实验土壤为普通沙土。如图5所示，将69式防坦克塑壳测试件（直径约为27cm），72式防坦克金属测试件（直径约为30cm），58式防步兵橡胶测试件（直径约为12cm）和砖块（长23cm、宽12cm）布置在沙坑里，彼此保持一定距离，埋深设为2cm。将沙坑表面制作成许多4cm×4cm的矩形网格，并用横坐标和纵坐标对所有点进行标定，利用Julight激光自混合测振仪依次检测网格中的所有点。在实验过程中，音箱的发声口对准埋设有测试件及砖块等检测目标的沙坑，为了避免音箱遮挡激光自混合测振仪输出的检测激光束，将音箱倾斜30°左右，发声口距沙坑表面中心点约0.7m。激光自混合测振仪装在装有减震装置的三角支架上，激光出射口正对沙坑，距离沙坑表面约0.8m。

图5实验土壤区域埋藏物的种类及分布

（三）声共振测试件探测

图6所示为实验得到的埋设深度为2cm时各埋藏物中心点上方地表振动信号的幅频特性曲线。可以看出，埋藏测试件时地表振动幅值明显大于无埋藏物和埋藏砖块时的地表振动幅值。这是因为测试件的弹性腔体结构使其声顺性较大，在受声波激励时，“土壤-测试件”系统能产生强于刚性干扰物（例如砖块）和土壤背景的振动响应。其次，各测试件中心点上方的振动幅频特性曲线都呈现出明显的峰值，对应各测试件与其上方覆土所构成的“土壤-测试件”系统的共振频率，当扫频信号的频率接近或等于系统的共振频率时，会激发系统产生共振。此时测试件上方地表振幅最大，与无测试件处和干扰物上方地表振幅对比最明显，最有利于识别埋设测试件。

图6各埋藏物中心点上方地表振动幅频特性曲线

计算网格中每个点的表面振动强度从而得到测量区域处表面振动的三维及二维成像图，如图7所示。可以看出，埋设测试件处三维成像图中有明显的凸起，二维成像图中光斑大小明显，从而证明了基于Julight激光自混合干涉测振的声-光探雷技术的可行性。

图7埋设深度为2cm时的测试件成像图

[1]王驰，马辉，李金辉，等.激光自混合测振技术在声共振探雷实验中的应用[J].光学精密工程，2021，29(04)：710-720.