Завершаем публикацию, см. ранее опубликованную часть 1.
Таким образом, модулируя амплитуду излучения лазера на одной из собственных частот колебаний объекта, возбуждаемого приложенной нагрузкой в широком спектре частот, можно зарегистрировать распределение амплитуд колебаний объекта на этой частоте. Знание распределения амплитуд колебаний на каждой из собственных частот позволяет полностью описать характер колебаний объекта под действием приложенной к нему нагрузки.
Блок-схема спекл-интерферометра, реализующего разработанный метод регистрации колебаний объекта, приведена на рис. 1.
Поверхность колеблющегося объекта 9 освещается когерентным пучком света от лазера 1. Соответствующая система 7 формирует такой пучок. Опорный пучок, выделяемый светоделителем 6, зеркалом 4 направляется в систему формирования 8, которая позволяет сфокусировать его в плоскости диафрагмы объектива телекамеры. Расходимость пучка устанавливается такой, чтобы он полностью освещал светочувствительную матрицу телекамеры 13. Светоделитель 12, установленный перед объективом телекамеры, сводит по оси объектива опорный и объектный пучки.
Рис. 1. Блок-схема цифрового интерферометра с модуляцией пучка
Вибродатчик 10, размещенный на поверхности исследуемого объекта, выдает сигнал отклика объекта на возбуждающее усилие. Этот сигнал поступает на спектральный анализатор 11. Как показано в [12], анализ спектра позволяет определить все возбуждаемые резонансные частоты в рабочем диапазоне частот. После того, как установлены резонансные частоты, на каждой из них проводится регистрация изображений. Для этого на электрооптический модулятор 5 с блока питания 2 подается управляющий сигнал на частоте, которая задается звуковым генератором 3 и равна одной из резонансных частот колебаний объекта. Последовательность кадров вводится в компьютер 14 и обрабатывается. Результаты обработки в виде распределения яркости выводятся на монитор.
Была проведена экспериментальная проверка метода выделения частотных составляющих колебаний объекта, возбуждаемого широким спектром частот. В качестве объекта исследования использовалась рабочая лопатка компрессора газотурбинного двигателя.
Предварительно у лопатки были определены собственные частоты и формы колебаний. Лопатка закреплялась по замку в массивном приспособлении, в корпус которого был встроен пьезоэлектрический возбудитель колебаний, и размещалась на платформе спекл-интерферометра. На возбудитель колебаний подавался синусоидальный сигнал от звукового генератора. Микрофон, установленный вблизи пера лопатки, регистрировалакустический отклик лопатки на возбуждающее усилие. Сигнал от микрофона поступал на осциллограф, на который также подавался сигнал от генератора, возбуждающего колебания. При сканировании частоты звукового генератора момент резонанса определялся по фигуре Лиссажу на экране осциллографа (сигнал отклика лопатки резко возрастал), резонансная частота фиксировалась частотомером. С помощью цифрового спекл-интерферометра на каждой резонансной частоте методом усреднения во времени регистрировалась форма колебаний. Подробно методика исследования резонансных колебаний описана в [3]. Исследования резонансных колебаний лопатки проводились в частотном диапазоне до 5 кГц. Зарегистрированные формы колебаний и соответствующие им частоты, за исключением колебаний лопатки по основному тону, приведены на рис. 2.
Рис. 2. Частоты и формы колебаний лопатки компрессора
Рис. 3. Спектрограмма колебаний лопатки компрессора, возбуждаемой белым шумом
При исследовании колебаний лопатки при широкополосном возбуждении использовался генератор белого шума. Сигнал от генератора усиливался и поступал на пьезоэлектрический возбудитель колебаний. Спектр возбуждающего сигнала был ограничен частотно-передающей характеристикой усилителя (УМ-50), которая имеет резкий спад в области частот выше 6 кГц. Спектрограмма колебаний лопатки в диапазоне частот до 5 кГц, полученная при спектральном анализе сигнала, регистрируемого вибродатчиком, закрепленным на пере лопатки, приведена на рис. 3. На спектрограмме частоты максимальных уровней отклика лопатки на возбуждающее широкополосное усилие совпадают с резонансными частотами лопатки.
Регистрация отдельных частотных составляющих сложного колебательного процесса лопатки при широкополосном возбуждении осуществлялась цифровым спекл-ин-терферометром методом, описанным ранее. Однако с целью увеличения времени усреднения спекл-картины при подаче на электрооптический модулятор синусоидального сигнала с выбранной частотой регистрировалось последовательно несколько кадров спекл-изображений (в проведенном эксперименте 6 кадров). Эти кадры программно складывались. Затем фаза пучка смещалась, и вновь регистрировалось шесть последовательных кадров изображений. Эти кадры складывались, и результирующее изображение вычиталось по модулю из результата сложения первых шести кадров. Полученные таким образом интерференционные картины, зарегистрированные на частотах 2149 Гц и 4233 Гц, представлены на рис. 4.
Сравнение этих картин с интерференционными картинами соответствующих резонансных колебаний лопатки (рис. 2) показывает, что применение временной модуляции опорного и объектного пучков, а также статистическая обработка последовательности кадров позволяют выделить и зарегистрировать отдельные частотные составляющие колебаний объекта, возбуждаемого широкополосной нагрузкой.
В результате выполненных исследований показано, что при широкополосном возбуждении элементы конструкции одновременно колеблются на многих резонансных частотах и, следовательно, собственных формах колебаний. При этом для малых амплитуд не происходит взаимного влияния собственных форм колебаний друг на друга. Таким образом, ЦСИ играет роль анализатора собственных форм линейных колебаний сложных конструкций.
Список литературы
1. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. М, Мир, 1986.
2. Вест Ч. Голографическая интерферометрия. М.: Мир, 1982.
3. Еленевский Д. С, Шапошников Ю. Н. Лазерно-компьютерная система получения и анализа спекл-интерферограмм вибрирующих объектов // Известия Самарского научного Центра РАН, 1999, № 1, с. 138.
4. Комаров С. Ю., Попов К. Н., Шапошников Ю. Н., Щеглов Ю. Д. Электронный спекл-интерферометр для определения вибрационных характеристик конструкций // Вибрационные машины и технологии / Сборник научных трудов. Курск, 2001, С. 99-103.
5. Pedrini G., Tiziani H.J., Zou У. Digital Double Pulse-TV-Holography.- Opt. and Laser Eng. 1997. v. 26, p. 199.
6. http://w ww/uni-stuttgart.de/ito/institut/ Research_Fields/digholo/htm
7. http://w ww.sensorsmag.com/articles/ 0699/0699_p 16/main.html
8. Krupka R., Walz Т., Ettemeyer A. New Techniques and Applications for 3D-Brake Vibration Analysis // SAE Brake Colloquium, San Diego, Oct. 1-4,2000.
9. Pedrini G., Schedin S., Tiziani H.J. Pulsed Digital Holography Combined with Laser Vibrometry for 3D Measurements of Vibrating Objects. // Opt. and Lasers in Eng. Article in Press. 2002.
10. Gupta P.C., Singh K. Time-average Hologram Interferometry of Periodic, Noncosinusoidal Vibrations//Appl. Phys. 1975, v. 6, p. 233.
11. Смирнов В. H. Курс высшей математики, т. 3, ч. 2. М.: Высшая школа, 1951, 531с.
12. Еленевский Д. С, Шапошников Ю. Н. Исследование процессов звукоизлучения конструкций методами электронной спекл-ин-терферометрии // Известия Самарского научного Центра РАН, 2001, т. 3, № 2, 232 с.
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.