В. П. Шорин-1, Д. С. Еленевский-2, О. А. Журавлев-1, С. Ю. Комаров-1, Ю. Н. Шапошников-2, Ю. Д. Щеглов-3 где
1 - Самарский государственный аэрокосмический университет
2 - Самарский научный инженерный центр АПИДМ
3 - ОАО «Моторостроитель», г. Самара
Рассмотрены задачи, которые необходимо решить для создания цифрового спекл-интерферометра, позволяющего исследовать вибрации механических элементов, возбуждаемых одновременно на нескольких частотах. На основе анализа методов голографической и спекл- интерферометрии разработан способ регистрации спеклограмм, обеспечивающих выделение отдельных спектральных составляющих колебаний поверхности при широкополосном возбуждении объекта. В основе разработанного способа лежит временная модуляция лазерных пучков в интерферометре. Цифровая спекл-интерферометрия (ЦСИ) все более широко применяется для исследования виброакустических характеристик разнообразных машин и механизмов. Основное ее достоинство заключается в использовании преимуществ современной компьютерной техники в части обработки информации. Имеется возможность автоматизации как процесса регистрации смещений и деформаций элементов механических конструкций, так и представления результатов в виде распределения интенсивности света, привязанного к уровням величин смещения точек исследуемой поверхности. В ЦСИ интерференционная картина формируется непосредственно в памяти компьютера, и благодаря этому существенно сокращается во времени процесс получения количественной информации (расчет полей вибросмещений).
Известны задачи, которые должны быть решены при создании цифрового интерферометра, предназначенного для исследования вибросмещений объекта, помещенного в динамическую рабочую среду и возбуждаемого этой средой. Во-первых, спекл-интерферометр должен визуализировать смещения диффузной поверхности исследуемого объекта, наблюдаемого через динамическую среду, оптическое пропускание которой является неоднородным и переменным. Во-вторых, поскольку колебания поверхности объекта, возбуждаемого пространственно распределенной нагрузкой, могут иметь весьма сложный характер, регистрируемые интерферограммы должны однозначно интерпретироваться с тем, чтобы можно было описать характер этих колебаний.Однако прежде чем решать задачи, связанные с воздействием на объект нестационарной среды, необходимо разработать способ регистрации собственных форм колебаний объекта при его многочастотном возбуждении, которое характерно для реальных условий работы элементов конструкции.
В основе спекл-интерферометрических измерений лежит регистрация изменений фазы спеклов, формируемых соответствующими участками исследуемой поверхности под действием приложенной к объекту нагрузки [1,2]. В цифровой голографии используются два основных метода регистрации колебаний поверхности диффузных объектов: метод усреднения во времени и двухэкс-позиционный (двухимпульсный) метод [3-9].
В обоих методах колеблющийся объект освещается когерентным светом и рассеянное излучение собирается объективом, который переносит изображение объекта на светочувствительную поверхность телевизионной камеры как прибора с зарядовой связью (ПЗС). Относительное отверстие объектива подбирается таким, чтобы размер спеклов в изображении разрешался ПЗС-матрицей телекамеры. Спекл-изображение объекта на светочувствительной поверхности телеприемника складывается с однородным когерентным опорным полем, и результирующее изображение вводится в компьютер.
Мгновенное распределение интенсивности /( на светочувствительной поверхности телевизионной камеры имеет вид
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Для повышения контраста интерференционной картины в компьютер обычно вводятся два кадра усредненных изображений вида (3), которые отличаются тем, что фаза опорного пучка в одном из них смещена на п. Вычитание этих изображений по модулю позволяет устранить в (3) постоянную составляющую и дает спекл-картину, распределение яркости в которой модулировано функцией Бесселя [3].
Функция J0 в данном случае описывает характерный вид регистрируемых интерференционных полос. В голографической интерферометрии такая функция называется характеристической функцией интерферог-раммы [2]. Аргумент этой функции привязан к уровню амплитуды колебаний.
Если движение объекта во время регистрации носит более сложный характер, то более сложный вид будет иметь и характеристическая функция, рассчитываемая при взятии интеграла в (2).
Вид картины таких полос достаточно сложен. Результирующая картина подобна результату наложения друг на друга двух картин, описывающих каждое из колебаний.
Если колеблющаяся поверхность в течение времени формирования кадра освещается двумя короткими лазерными импульсами, длительность которых существенно меньше периода колебаний, то регистрируется интерференционная картина, распределение яркости в которой зависит от разности фаз колебаний поверхности в моменты лазерных импульсов. Однако, как и в методе усреднения, контраст интерференционной картины при таком способе регистрации мал. Для повышения контраста интерференционных полос обычно регистрируют два последовательных кадра, каждый из которых формируется своим лазерным импульсом. После вычитания этих кадров распределение яркости в спекл-картине будет привязано к разности фаз <р1 и <р, колебаний объекта в моменты лазерных импульсов:
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Так же, как и метод усреднения во времени, двухимпульсный метод применяется, в основном, для исследования синусоидальных колебаний объектов. Если исследуемый объект колеблется на резонансной частоте, то первый импульс обычно формируется, когда поверхность находится в нулевой фазе колебаний, а второй - в положении своего максимального отклонения. В этом случае зарегистрированное распределение яркости интер-ферограммы будет соответствовать распределению амплитуд колебаний по поверхности, поскольку разность фаз связана с проекцией амплитуды колебаний на вектор чувствительности интерферометра.
Если колебания объекта носят сложный характер, то интерферограмма, полученная вычитанием интерференционных картин, зарегистрированных двухимпульсным методом, будет показывать только изменение фаз колебаний поверхности, произошедшее за время между лазерными импульсами. Естественно, интерферограммы, соответствующие разным временным интервалам между импульсами, будут существенно отличаться. Используя серию парных лазерных импульсов, можно получить последовательный ряд интерференционных картин, которые могут дать только некоторое представление о характере колебаний исследуемой поверхности, но не могут полностью описать сложный колебательный процесс.
Положим, что исследуемый объект, возбуждаемый прикладываемой к нему нагрузкой, вибрирует одновременно на N синусоидальных модах. В этом случае его функция движения имеет вид
Вывод формул см. в печатной версии журнала.
Источник - "Вестник Самарского Государственного Аэрокосмического университета имени Академика С.П. Королёва", выпуск №1, печатная версия.
Полную версию статьи со всеми чертежами, формулами и приложениями см. в печатной версии журнала.
Продолжение следует.