空气耦合（简称“空耦”）超声换能器具有非接触检测、适合复杂工况和原位检测等独特优势，已被广泛应用于超声无损检测等领域。声场重建对于开展空耦超声换能器声束宽度、扩散角等声场特性参数的表征，进而保障超声检测系统的横向分辨率及定位精度具有重要意义。笔者基于声光效应和层析成像技术对50~200 kHz空耦超声换能器的声场重建开展研究。超声声场的重建质量与空间分辨率密切相关，但高空间分辨率会导致扫描时间呈几何倍数增长。笔者从仿真和实验的角度对声场空间分辨率（即声场扫描参数）进行优化，在保证声场重建图像质量的前提下将扫描效率提高了2~4倍。同时，将优化后的声场重建结果与传声器在相同位置处的声场直接测量结果进行比较，验证了声光效应层析成像进行超声声场重建的可靠性。

光声/光热光谱技术已经广泛应用于痕量危险化学品和爆炸物的探测，并显示出高效的探测能力。然而，该技术通常需要在光声池中进行分析，并使用高灵敏度麦克风或压电传感器记录振动信号，因此不适用于在安全距离外的开放环境中探测泄漏的危险物质或爆炸物。为此，利用强度调制的量子级联激光器（QCL）激发微量固体（聚四氟乙烯）和气体（丙酮）的光声效应，借助自主研发的远距离激光多普勒测振仪（LDV）对QCL产生的光振动信号进行检测。通过扫描QCL的波长，测量振动信号的幅值并获取光声光谱，其结果与傅里叶变换红外光谱的结果高度一致。实验结果表明，自制的远距离LDV可以在距离达200 m的开放环境下有效地检测痕量固态和气态化学品的光声信号。

近年来，伴随着现代工业的高速发展，非接触式测量技术受到越来越多的关注。激光多普勒振动测量作为一种干涉测量技术，能够适用于难以通过加速度计或其他表面接触传感器获得振动测量的应用场景。激光多普勒测振仪（LDV）自1983年诞生以来，凭借其高精度、高效率、便于携带等特点，逐渐成为目前应用最广泛的非接触式振动测量设备，被广泛应用于各行各业。本文在分析激光多普勒测振技术基本原理的基础上，介绍了近年来LDV在农业、生命医学、航空航天，以及建筑工程领域的应用。

导波场分析法可有效识别和表征结构损伤, 但受限于奈奎斯特采样定律, 全波场信号的采集耗时严重。为提高全波场信号的获取效率, 现有方法依靠压缩感知和激光多普勒测振技术,以少量空间测点信号重构出原始波场, 然而该类方法依赖具有一定随机性的抖动采样策略, 在商用激光多普勒测振系统上不便实现。为解决这一问题, 该文提出了一种基于均匀稀疏采样策略的导波场重构方法, 并搭建压电片激励/扫描式激光多普勒测振仪传感(PZT激励/SLDV传感)实验平台, 对含人工损伤的铝板进行实验验证。实验结果表明, 该方法可将空间测点数减少到奈奎斯特采样点数的10%以下, 并在导波场重构精度及损伤成像精度方面达到与抖动采样策略的同等水平, 且提高了导波场分析法的实用性和工作效率。

为了降低激光多普勒测振仪在测声过程中给语音信号中引入的噪声, 采用深度循环神经网络语音信号去噪的方法, 对从激光多普勒测声系统采集回来的语音信号做降噪处理, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 利用层数为1层~3层、每层神经元个数为1024的深度循环神经网络, 对-6dB~6dB信噪比的语音信号进行处理, 随着层数的增加, 语音信号的质量在多项评价指标上达到8dB~12dB的提升; 深度循环神经网络可以有效对激光多普勒测声系统采集的语音信号进行降噪处理。该研究对提升语音信号的质量有着实际意义。

为了实现物体的三维振动分析测量，设计了一种基于五束激光的多普勒振动测量系统。该系统将五束激光汇聚到一个焦点，并照射到被反射膜覆盖的被测物体表面，经过反射后，散射光被光电二极管接收，并进入高精度信号处理系统，分别得到五路振动信息，通过计算机处理后，可以分别解析得到包括频率和振幅的三维振动信息。实验结果表明，该系统有望被应用于高精度的无接触振动测量。

为了分析三维光电振动测量仪测量的三维数据准确性,提出了一种利用标准小球做相对校准的简便方法。组成三维光电振动测量仪的5台激光测振仪发出的5束激光同时经过1个透镜,聚焦在位于透镜焦点处且安装在振动源上的标准小球球面上,软件处理小球振动时的三维分量,并与小球3个正交方向放置的3台激光测振仪测得的数据对比。通过微调小球的摆放位置,测量小球不同振动方向的三维振动信息,最后对数据进行误差分析,测量结果验证了该校准方法的可行性和适用性。

为准确测量声场分布, 研究了基于激光测振仪的声场直接测量技术。基于声音在空气中传播时会引起空气折射率周期性变化的原理, 利用激光测振仪测量了激光通过声场时激光光程受空气折射率的调制发生周期性变化产生的振动速度。 由于声场在激光方向上的投影即为激光测振仪测得的振动速度, 测量了声场在不同投影方向上的振动速度, 再由Radon逆变换重构声场复振幅分布, 从而实现了对声场的直接测量。文中实验测量了2 kHz声场引起的振动速度振幅分布和相位分布, 进而重构得到声压振幅分布和瞬时声压分布。测量得到空间分辨率为2 cm, 声压振幅最大为0.026 Pa, 对应的声压级为62.3 dB。实验结果表明, 基于激光测振仪的声场分布直接测量方法是可行的, 该方法解决了现有麦克风阵列接触式测量声场存在的问题。

采用直圆型柔性铰链设计了承载能力较大的双柔性平行六连杆微纳定位平台，并对其性能进行了测试。基于柔性铰链经典刚度公式计算了直圆型柔性铰链转动刚度，推导了双柔性平行六连杆微动平台在运动方向的整体刚度函数; 建立了平台的动力学模型，得到了平台的固有频率解析式。基于静动态特性优化设计了双柔性平行六连杆微纳定位平台，得到了平台的优化参数。基于激光干涉仪和多普勒激光测振仪建立了平台的静动态特性测试系统。 对微纳定位平台进行了试验和测试，结果显示: 刚度的理论计算值为7.92 N/μm，试验值为7.44 N/μm，误差为6.5%; 固有频率的理论模型值为349.9 Hz，实验值为342.2 Hz，误差为2.3%。空载和加载为250、500、2 000、2 250、2 500 g时的平台位移表明加载不均匀会对平台输出位移产生较大的影响，当加载为2 500 g时，不均匀加载对位移的影响量约为均匀加载的5倍。此外，平台最大位移为56.59 μm。重复定位精度测试显示，在施加电压50、100、150 V时，定位平台在同一输入电压下的位移最大偏差为0.896 μm。实验结果表明，建立的双柔性平行六连杆的刚度和固有频率计算模型是正确的，设计的微动平台的最大位移及精度可满足设计要求。