Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор панорамных методов виброметрии объектов 16
1.1. Контактные методы исследования колебаний 16
1.2. Бесконтактные методы исследования колебаний 18
1.3. Методы цифровой спекл-интерферометрии с импульсным и непрерывным лазерами 34
1.4. Выводы 47
1.5. Цель и задачи исследований 49
2. Разработка метода повышения устойчивости виброметрического цси с непрерывным лазером к случайным динамическим нагрузкам 51
2.1. Особенности формирования спеклограмм в оптико-электронной схеме цифрового спекл-интерферометра (ЦСИ) 51
2.2. Разработка алгоритма статистической обработки спекл-изображений колеблющихся объектов в схеме ЦСИ со случайным сдвигом фазы в интерферирующих пучках 75
2.3. Разработка оптико-электронной схемы помехоустойчивого ЦСИ для виброметрии объектов с усреднением во времени 90
2.4. Сравнительные исследования качества получаемых спеклограмм в ЦСИ с регулируемым и случайным сдвигом фазы в опорном и предметном пучках 98
2.5. Выводы 103
3. Исследование рабочих характеристик помехоустойчивого ЦСИ 105
3.1. Сравнительные исследования резонансных колебаний пластины с помощью помехоустойчивого ЦСИ и методов фигур Хладни и численного моделирования 105
3.2. Сравнение результатов определения амплитуд резонансных колебаний с помощью ЦСИ и датчиковых методов 112
3.3. Исследование пределов помехоустойчивости разработанного ЦСИ 117
3.4 Анализ погрешностей определения амплитуды и частоты резонансных колебаний объектов помехоустойчивым ЦСИ 130
3.5. Выводы 137
4. Исследование возможностей применения помехоустойчивого ЦСИ для виброметрии конструкций 139
4.1. Применение помехоустойчивого ЦСИ для исследования влияния конструкционных особенностей объекта на его резонансные характеристики 139
4.2. Применение помехоустойчивого ЦСИ для выделения влияния жесткости заделки на колебания отрезка трубопровода 146
4.3. Исследование особенностей применения помехоустойчивого ЦСИ для виброметрии составных конструкций 152
4.4. Исследование особенностей применения помехоустойчивого ЦСИ для виброметрии объектов, возбуждаемых на двух резонансных частотах 156
4.5 Разработка способа применения помехоустойчивого ЦСИ для изучения составляющих спектра резонансных колебаний объекта при многочастотном возбуждении 164
4.6 Выводы 171
5 Определение условий применения помехоустойчивого цси для исследования процессов пульсационно-вибрационного взаимодействия конструкции с рабочей средой 173
5.1 Применение помехоустойчивого ЦСИ для выделения влияния условий внешней среды на резонансные колебания объектов 174
5.2. Применение помехоустойчивого ЦСИ совместно с методом лазерного «ножа» для исследования акустических течений, возбуждаемых колеблющейся мембраной в воздухе и жидкости 189
5.3 Построение диагностического комплекса на основе помехоустойчивого ЦСИ и шлирен-схемы Теплера для исследования пульсационно-вибрационных процессов взаимодействия потока с конструкцией 201
5.4 Выводы 211
Основные результаты и выводы 213
Список использованных источников 216
Приложения 230
- Методы цифровой спекл-интерферометрии с импульсным и непрерывным лазерами
- Разработка алгоритма статистической обработки спекл-изображений колеблющихся объектов в схеме ЦСИ со случайным сдвигом фазы в интерферирующих пучках
- Сравнение результатов определения амплитуд резонансных колебаний с помощью ЦСИ и датчиковых методов
- Исследование особенностей применения помехоустойчивого ЦСИ для виброметрии составных конструкций
Введение к работе
Развитие авиационной и ракетно-космической техники, сопровождающееся увеличением скорости и дальности полета, грузоподъемности, маневренности и энерговооруженности, неизбежно ставит задачу повышения надежности энергетических установок летательных аппаратов и их систем. Основное внимание научно-исследовательских разработок направлено на повышение функциональной и параметрической надежности пневмо- и гидромеханических агрегатов и трубопроводов, на долю которых приходится 50-60% от суммарного числа отказов, происходящих в процессе работы изделий [7,21,31)70]. Основными факторами, снижающими работоспособность пневмо-гидросистем, являются резонансные колебания механических элементов и пульсации рабочей среды, вызывающие виброакустические нагрузки [13, 16, 26, 27,67,107]. Они являются причиной таких нежелательных явлений, как разгерметизация соединений, интенсивный износ рабочих поверхностей золотников, клапанов и других управляющих элементов. В некоторых случаях виброакустические нагрузки приводят к нарушению работы насосов, трубопроводов, агрегатов и систем [54,59,73,109].
Повышение надежности и снижение динамических нагрузок в пневмо- гидромеханических системах летательных аппаратов возможно за счет совершенствования конструктивных параметров их узлов и агрегатов. Для этого необходима экспериментальная информация о пульсационно-вибрационных процессах, происходящих в этих системах [70, 89,91]. Здесь требуются диагностические средства, позволяющие получать новые качественные и количественные данные о пульсационных процессах в потоках и проводить их корреляцию с вибрационными характеристиками конструкции, взаимодействующей с потоком [8,12, 48, 110]. Изучение и научное обоснование процессов пульсационно-вибрационного взаимодействия позволит предложить новые механизмы снижения динамических нагрузок и повышения надежности в пневмо-гидромеханических системах энергетических установок [68,96,104].
В настоящее время при исследовании пульсационно-вибрационных процессов доминирует датчиково - спектральный подход [12, 48, 68, 83, 89, 96,104, 110], также все большее распространение получают методы численного моделирования [42,83,84,85,108]. Однако при взаимодействии динамических процессов в рабочей среде с колеблющейся конструкцией возникают явления, характерные для нелинейного волнового режима [104]. Пространственно - временное описание таких динамических процессов датчиковыми методами является весьма сложным и плохо применимым для решения конкретных инженерных задач. Применяемые в численных моделях колеблющихся конструкций допущения, краевые и граничные условия приводят к значительной идеализации изучаемого объекта [68,96].
В этих условиях большую научную значимость приобретают панорамные методы исследования, обеспечивающие бесконтактное определение собственных частот и форм колебаний, выделения структурных образований в потоках рабочих сред, визуализацию процессов взаимодействия газожидкостных потоков с элементами конструкций, стенками колеблющихся трубопроводов.
Диагностический комплекс для одновременной регистрации динамических процессов в газожидкостных средах, и записи амплитудно-частотных характеристик конструкционных элементов, отличается научной новизной. Он может быть создан на основе современных информационных технологий, которые все в большей степени базируются на лазерной технике и методах когерентной оптики.
В настоящее время широко распространены лазерные диагностические системы, позволяющие проводить бесконтактные автоматизированные исследования скоростных характеристик потоков методом светового «ножа», а также градиентных образований в оптически прозрачных средах шлирен-методом Теплера [37,38]. Эти системы с непрерывным лазером отличаются простотой конструкции и эффективно применяются для исследования как свободных, так и внутри-корпусных течений, что позволяет использовать их в составе диагностического комплекса для регистрации динамических процессов в рабочих средах.
Однако в настоящее время отсутствует автоматизированный метод на основе непрерывного лазерного излучения для определения резонансных частот и
форм колебаний конструкции, позволяющий бесконтактно получать информацию о распределении амплитуд колебаний по всей исследуемой поверхности объекта в условиях нестабильности оптической схемы, обусловленной как взаимодействием потока с конструкцией, так и отсутствием виброизоляции диагностической установки [97]. Разработка такого метода является актуальной проблемой, решение которой позволит создавать диагностические комплексы для получения наиболее полной информации о пульсационно-вибрационных процессах в реальных технических системах.
Методы голографической интерферометрии относятся к наиболее информативным при исследовании колебаний протяженных объектов. Однако использование этих методов с непрерывным источником излучения ограниченно повышенными требованиями оптических схем интерферометров к вибрационной стабильности. Необходимость применения высокоразрешающих фотоматериалов (более 1000 штрихУмм) затрудняет автоматизацию процесса измерения. Также важным ограничением является высокая чувствительность голографической интерферометрии к неоднородностям оптически прозрачной среды. Указанные факторы затрудняют применение голографической интерферометрии при исследовании взаимодействия гидрогазовой среды с конструкцией в схемах на просвет.
В настоящее время наиболее совершенным методом исследования форм собственных колебаний объекта является корреляционная спекл-интерферометрия [18,29]. В данном методе регистрируется не голограмма, имеющая высокие пространственные частоты, а низкочастотная спекл-структура на изображении объекта, неизбежно возникающая при освещении диффузного объекта когерентным светом. Низкая частота спекл-структуры позволяет отказаться от фотографической регистрации изображения и воспользоваться более прогрессивными средствами телевизионной и вычислительной техники, как это и реализуется в цифровых спекл-интерферометрах (ЦСИ).
Однако современные ЦСИ с непрерывным лазером сохранили присущие еще голографическим интерферометрам недостатки, связанные с большой металлоемкостью оптического стола, находящегося на воздушных подушках, и необхо-
димостью размещения установок в подвальных помещениях или на специальном фундаменте [34]. Это ограничивает возможности применения ЦСИ с усреднением во времени для получения резонансных характеристик реальных конструкций и, тем более, исследования пульсационно-вибрационных процессов возбуждения колебаний технических систем. Важным моментом является изучение существующих наработок в области создания методов и средств повышения вибростабильности интерферометров. Для повышения стабильности оптико-электронной схемы интерферометра необходим поиск новых технологий.
В связи с этим, диссертация посвящена разработке метода регистрации цифровых спеклограмм резонансно колеблющихся объектов в условиях механической нестабильности спекл-интерферометра с непрерывным лазером и созданию на его основе помехоустойчивого цифрового спекл-интерферометра для бесконтактного контроля резонансных форм и частот колебаний деталей и узлов технических систем различного назначения. Основные положения, выносимые на защиту:
физические основы механизма формирования спеклограмм в оптико-электронной схеме ЦСИ с непрерывным лазером;
метод обеспечения функционирования ЦСИ в условиях повышенных динамических нагрузок и программный продукт для его реализации;
оптико-электронная схема ЦСИ с пассивным сдвигом фазы между опорным и предметным пучками, обусловленным случайными колебаниями элементов оптического стола;
результаты определения уровня соответствия данных спеклограмм с другими методами виброметрии;
результаты экспериментального исследования влияния жесткости заделки на резонансные колебания трубопровода; влияния элементов крепления диска на его формы колебаний; присоединенной массы на резонансные характеристики мембраны;
результаты исследования трансформации форм резонансных колебаний пластины при двухчастотном возбуждении пространственно разнесенными вибраторами;
результаты разработки способа применения ЦСИ для исследования вибрационных характеристик лопаток ГТД при широкополосном возбуждении;
методики применения панорамных методов исследования вибрационных характеристик технических систем, возбуждаемых пульсационными процессами в гидрогазовых средах. Результаты совместного применения ПЦСИ с оптико-электронными схемами шлирен-метода Теплера и метода лазерного «ножа» для исследования пульсационно вибрационных взаимодействий.
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматические системы энергетических установок» (АСЭУ) Самарского государственного аэрокосмического университета в соответствии с планами госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работ.
Экспериментальные исследования проводились на стендовом оборудовании кафедры АСЭУ и Института акустики машин при СГАУ, а также на оборудовании Самарского научно-технического комплекса имени академика Н.Д. Кузнецова (СНТК им. Н.Д. Кузнецова).
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, библиографии и приложений.
В первой главе приведен обзор литературы по методам контроля частот и форм резонансных колебаний деталей и узлов технических систем.
Показано, что наиболее широко применяемые датчиковые методы не обеспечивают должной степени панорамности при исследовании распределения амплитуд резонансных колебаний объекта. Присоединенная масса датчиков влияет на резонансные характеристики конструкций. При изучении взаимодействия потока с конструкцией датчики могут вносить помехи в структуру потока.
К наиболее удовлетворяющим поставленной задаче относятся бесконтактные методы исследования виброакустических характеристик на основе когерентной оптики. Более полную информацию о распределении амплитуд резонансных
колебаний исследуемого объекта дают методы голографической и спекл-интерферометрии с непрерывным излучением. Использование голо графических интерферометров с непрерывным лазером ограничено повышенными требованиями их оптических схем к вибрационной защищенности установки. А необходимость применения высокоразрешающих фотоматериалов затрудняет автоматизацию процесса измерения. Следующим недостатком является высокая чувствительность методов голографической интерферометрии к неоднородностям оптически прозрачной среды, что затрудняет исследование взаимодействия гидрогазовой среды с конструкцией в схеме на просвет.
В последние десять-пятнадцать лет широкое развитие получили методы корреляционной спекл-интерферометрии [29,63,92,106], которые менее требовательны к неоднородностям оптически прозрачной среды и средствам регистрации. Метод, в котором для регистрации спекл-изображений исследуемого объекта используется телевизионная камера, а формирование спеклограмм и обработка экспериментальных данных производится в ЭВМ, получил название цифровой спекл-интерферометрии. Метод позволяет бесконтактно и оперативно получать информацию о формах и частотах резонансных колебаний объекта по всей исследуемой поверхности.
Импульсные цифровые спекл-интерферометры (ЦСИ) для исследования форм резонансных колебаний конструкций, предложенные в работах G. Pedrini, Н. Tiziani, М.Е. Гусева, И.А. Алексеенко, S. Shedin и др., из-за малого времени формирования кадра (<100 не) практически нетребовательны к виброизоляции оптической схемы. Однако данные ЦСИ требуют априорной информации для количественной обработки спеклограмм, а сложность синхронизации лазерных импульсов с фазой колебаний объекта, необходимость применения специальных телекамер, высокая стоимость импульсного лазера и блока синхронизации, ограничивают их применение в научных исследованиях.
Методы ЦСИ с непрерывным лазером, развитые в работах С. Joenathan, D. Ambrosini, G. Romero, L. Alvares, J. Kxanz, Ю.Н. Шапошникова, Д.С. Еленевского и др. (ЦСИ с усреднением во времени) и H.R. Schubach, A. Etemeyer и др. (ЦСИ со
г»
стробированием) отличаются простотой схемы, дешевизной установки и высокой степенью автоматизации процесса регистрации. Анализ работ показал, что ЦСИ с усреднением во времени наиболее полно отвечает сформулированным требованиям по панорамности, бесконтактности и автоматизации вибрационных исследований, а также отличается полнотой представляемой информации о колебательном процессе.
В традиционной схеме ЦСИ с усреднением во времени спеклограмма формируется в памяти ЭВМ методом вычитания по модулю двух спекл-изображений, получаемых при регулируемом сдвиге фазы опорного пучка [34]. Обеспечение точности фазового сдвига предъявляет повышенные требования к вибрационной защищенности оптической схемы таких установок. Применяя традиционные технологии создания виброзащиты, современные ЦСИ с непрерывным лазером сохранили присущие еще голографическим интерферометрам недостатки, связанные с большой металлоемкостью оптического стола, находящегося на воздушных подушках, и необходимостью размещения установок в подвальных помещениях или на специальном фундаменте. Но даже в этих условиях такие технологии ограничивают возможности применения ЦСИ с усреднением во времени для получения резонансных характеристик реальных конструкций и, тем более, исследования пульсационно-вибрационных процессов возбуждения колебаний технических систем. Эти ограничения можно снять при разработке для повышения стабильности оптико-электронной схемы интерферометра новых технологий, основанных на изучении закономерностей внешних случайных возмущений и методах статистической обработки экспериментальной информации.
Проведенный анализ работ по цифровой спекл-интерферометрии таких авторов, как R. Jones, Н. Tiziani, A.F. Doval, Ю.Н. Шапошникова и др., показал на недостаточную проработку принципов формирования спекл-изображений на ПЗС-матрице телекамеры, что не позволяет в полном объеме использовать возможности цифровой регистрации. Требуется проведение анализа процессов регистрации спеклограммы в оптико-электронной схеме ЦСИ и дальнейшего развития программного обеспечения для более полного соответствия применяющихся ме-
тодик цифровой записи и обработки экспериментальных результатов характеристикам исследуемых объектов.
На основании выполненного анализа современного состояния развития ЦСИ сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Во второй главе проводится детальное рассмотрение процессов формирования спекл-картин в оптико-электронной схеме ЦСИ, а также методов и средств повышения контрастности получаемых спеклограмм. На основе выявленных особенностей работы ЦСИ с усреднением во времени предложен метод повышения стабильности оптической схемы цифрового спекл-интерферометра к внешним возмущающим воздействиям.
Определены требования к оптическим характеристикам регистрируемой поверхности объекта. Оптимизирован механизм формирования спекл-структур. Отработана методика подготовки рабочей поверхности к регистрации. Рассмотрены особенности записи спекл-картин на ПЗС матрице телевизионной камеры. Экспериментально показан интегральный характер формирования спекла на приемной площадке телекамеры. Исходя из размера спекла, ширины интерференционной полосы и размеров светочувствительной ячейки оценено влияние поля зрения телекамеры на характеристики спекл-изображения. Предложена оптическая схема формирования опорного сигнала со сферическим фронтом, позволяющая расширить поле зрения телекамеры. Проведен сравнительный анализ процессов образования спеклограмм для случаев статической деформации и гармонического колебания объекта.
Учитывая особенности формирования спеклограмм в памяти ЭВМ в составе ЦСИ, предложен метод повышения стабильности оптической схемы к внешним воздействиям. Сущность метода заключается в том, что спеклограмма колеблющегося объекта, получается в результате статистической обработки серии спекл-изображений, зарегистрированных в условиях вибрационной нестабильности оптической схемы.
Для реализации предложенного метода разработаны алгоритм статистической обработки спекл-изображений и оптическая схема ЦСИ с пассивным сдви-
гом фазы. В данной схеме фазовый сдвиг реализуется за счет нестабильности оптических элементов из-за случайных колебаний оптического стола. Отказ от управляемого сдвига фазы упростил схему ЦСИ, повысил надежность работы измерительной установки и расширил возможности автоматизации измерительного процесса.
Проведенная проверка работоспособности разработанного алгоритма и оп
тической схемы для его реализации показали, что созданный метод позволяет по
лучать высококонтрастные спеклограммы в условиях пониженной виброизоляции
оптического стола. "
На основе разработанного метода и элементной базы голографической установки УИГ-22 был создан помехоустойчивый ЦСИ (ПЦСИ) для определения резонансных форм и частот колебаний конструкций в условиях, приближенных к эксплуатационным.
В третьей главе проводится анализ рабочих характеристик созданного ПЦСИ.
На основе сравнительных исследований форм колебаний металлической пластины, показано соответствие результатов, полученных ПЦСИ, методов песчаных фигур Хладни и численным моделированием в ANSYS.
Определены предельные значения работоспособности помехоустойчивого ЦСИ по амплитуде внешнего возмущающего воздействия. Экспериментально и теоретически показано, что при внешних гармонических возмущениях, период колебаний которых по величине сравним с периодом регистрации кадров в телекамере, происходит резкое снижение предельной амплитуды допустимых воздействий. Для колебаний с полигармонической природой внешних случайных воздействий экспериментально обнаружен эффект сглаживания возникающих провалов.
На основе проведенных экспериментов разработаны требования к помещению для установки ПЦСИ и даны рекомендации для обеспечения его работоспособности. Выполнен анализ составляющих погрешностей ПЦСИ при измерении амплитуды и частоты колебаний объекта. Определены рабочие характеристики
созданного ПЦСИ (размеры анализируемой поверхности, диапазоны допустимых частот вибраций и амплитуд колебаний анализируемого объекта).
Сделан вывод о необходимости разработки методологии применения ПЦСИ при виброметрии конструкций и исследовании нелинейных процессов их взаимодействия со средами.
В четвертой главе анализируются возможности применения ПЦСИ для исследования колебаний конструкций. Показано, что ПЦСИ может успешно применятся как для самостоятельного исследования колебаний конструкции, так и для получения исходной информации для методов численного расчета.
При сравнительном исследовании резонансных колебаний мембраны, которая являлась дном металлической чаши, с результатами, полученными методом конечных элементов программного комплекса Ansys, обнаружена высокая сходимость экспериментальных и расчетных форм колебаний. Дополнительно с помощью ПЦСИ были выявлены геометрические неточности изготовления мембраны, которые выразились в нарушении поворотно-осевой симметрии резонансных форм ее колебаний.
Рассматривается влияние, которое оказывает изменение жесткости заделки на резонансную частоту и форму колебаний системы трубопровод-опора.
Экспериментально показана возможность применения ПЦСИ для контроля качества сборки конструкции.
Рассмотрена возможность применения цифрового спекл-интерферометра при исследовании колебаний объектов, возбуждаемых на двух или нескольких резонансных частотах одновременно. При исследовании с помощью ПЦСИ колебаний пластины, возбуждаемой на двух резонансных частотах двумя независимыми вибраторами, было показано, что характерные изменения в структуре полос в спекло граммах соответствует закономерностям изменений в интерференционных картинах, получаемых при голографической регистрации поверхности, колеблющейся на двух некратных резонансных частотах. Однако при колебаниях объекта на 3-х и более некратных частотах извлечение информации об отдельных формах колебаний с помощью ЦСИ с непрерывным лазером становится затруднитель-
ным. Для регистрации таких колебаний на основе теоретического анализа методов голографической и спекл-интерферометрии предложен способ выделения конкретной формы колебаний за счет модуляции излучения лазера частотой равной резонансной частоте выделяемой формы. Экспериментальная проверка подтвердила работоспособность данного способа поочередного анализа резонансных форм, составляющих колебаний объекта.
В пятой главе приведены результаты исследования условий применения ГТЦСИ для регистрации колебаний конструкции в процессе взаимодействия с внешней средой. Разработаны методики создания диагностических комплексов при совместном применении помехоустойчивого ЦСИ с оптическими системами диагностики потоков. Выявлены информационные возможности разработанных комплексов.
В качестве начальных экспериментов показана возможность отслеживания с помощью ПЦСИ, влияния замкнутого пространства и вида среды на форму и частоту резонансных колебаний объектов.
Исследование колеблющейся мембраны с поверхностным слоем воды показало, что оптически прозрачная жидкость не создает помех для регистрации спеклограмм конструкции. Подтверждено также отсутствие влияния равномерного слоя жидкости на формы резонансных колебаний мембраны. Впервые с помощью ПЦСИ с непрерывным лазером зарегистрированы спеклограммы колеблющегося поверхностного слоя воды с нанесенными на него светорассеивающими частицами. Показано, что поверхностный слой жидкости повторяет форму колебаний мембраны. Рассмотрен процесс возбуждения колебаний стенки кюветы гидрогазовой средой.
Представлены результаты совместного применения помехоустойчивого ЦСИ и лазерного визуализатора на основе метода светового «ножа» для изучения процессов возбуждения акустических течений в газовых и жидкостных средах колеблющейся на резонансной частоте мембраной. Визуализированы восходящие потоки воздуха, формируемые акустическими течениями. Предложен спо-
соб повышения информативности фигур Хладни за счет регистрации не только узловых линий, но и пучностей колебаний.
Впервые созданный комплекс на основе совместного использования помехоустойчивого ЦСИ и шлирен-метода Теплера нашел применение в исследовании процессов комбинированного возбуждения мембраны звуковым полем и газовым потоком.
Анализ фаз развития акусто-газодинамического возбуждения позволил выделить такие физические явления, как усиление интенсивности акустического возбуждения мембраны при введении гелия в сопловую насадку звукового динамика и нелинейные изменения конфигурации узловых полос исследуемой формы колебаний вплоть до разрушения резонансной формы турбулентным потоком.
Сделан вывод о том, что созданные на основе ПЦСИ панорамные диагностические комплексы являются новым видом высокоинформативного инструментария для исследования процессов пульсационно-вибрационного взаимодействия рабочих сред и конструкций во многих отраслях науки и техники.
В приложении к диссертации представлены акты внедрений результатов научных разработок на предприятии СНТК им. Н.Д. Кузнецова, в Институте акустики машин при СГАУ и в учебный процесс специальности «Лазерные системы в ракетной технике и космонавтике» в СГАУ.
Методы цифровой спекл-интерферометрии с импульсным и непрерывным лазерами
Из оптических методов дистанционного контроля колебаний наиболее просто реализуем фотомодуляционный метод [19]. Принцип его действия основан на пространственной модуляции светового пучка или модуляции его интенсивности колеблющейся поверхностью, что может происходить за счёт отражения, перекрытия, пересечения, вращения плоскости поляризации и т. п. Однако данный метод не позволяет без переналадки оптической схемы давать информацию о колебаниях в каждой точке объекта, а требуемая высокая точность позиционирования и чувствительность к угловым колебаниям исследуемой поверхности затрудняет его использование.
Широкое распространение получили интерференционно-оптические методы [19]. Эти методы основаны на использовании информации, содержащейся в фазе световой волны, отраженной от поверхности исследуемого объекта. Получение информации о параметрах колебания объекта связано с процессом демодуляции фазомодулированного сигнала оптического диапазона. По виду получаемой информации методы оптической интерферометрии делят на локальные, дающие ин формацию о параметрах вибрации отдельных точек поверхности исследуемого объекта (интерференционно-доплеровские), и интегральные или панорамные -дающие информацию о распределении параметров вибрации по поверхности объекта: - интерференционно-голографические; - спекл-интерференционные.
В интерференционно-доплеровских методах в зависимости от кинематического параметра, к которому чувствительна данная оптическая схема интерферен-ционно-доплеровского измерительного преобразователя, различают интерферометры перемещения и интерферометры скорости. В первом случае сигнал на выходе интерферометра пропорционален виброперемещению, а о виброскорости судят по скорости изменения этого сигнала; во втором случае сигнал пропорционален виброскорости, а производная сигнала по времени - виброускорению. Наиболее подробное описание интерференционно-доплеровских методов представлено Ю.Ф. Застрогиным [45]. Приборы, основанные на интерференционно-доплеровском методе, имеют сложные оптические схемы, трудны в настройке и юстировке, а также не могут дать информацию о распределении амплитуд колебаний по всей поверхности. Это ограничивает применение их в рассматриваемом направлении исследований.
Более полную информацию о распределении форм колебаний по поверхности объекта могут предоставить голографические методы. Голографические методы являются бесконтактными и безинерционными панорамными методами, которые дают наиболее полную информацию о колебаниях объектов, при этом обладая большой информативностью и наглядностью получаемых результатов. Наиболее важным достоинством голографических методов является возможность одновременного получения информации о вибрационном состоянии всей поверхности исследуемого объекта, сколь угодно сложной не была бы его конструкция. Принцип действия всех этих методов основан на интерференции нескольких волновых фронтов, возникающих при освещении голограммы опорным пучком (т.е. пучком, который использовался на этапе регистрации голограммы). На фоне нескольких пространственно совмещённых мнимых изображений объекта возникает система интерференционных полос, которая описывает смещение положения объекта относительно двух его положений. Полученная информация о смещениях объекта может быть использована для вычисления деформации объекта или амплитуды его резонансных колебаний.
Широкое распространение для вибрационного контроля объектов получили методы [18,29,74,52]: - с усреднением во времени; - реального времени; - стробоголографический; - двух экспозиций. Метод усреднения во времени явился исторически первым методом голо-графической интерферометрии [17, 132], применяемым для регистрации вибрирующих диффузно-отражающих объектов. Сущность метода заключается в том, что в течение времени экспонирования голограммы вибрирующий объект успевает совершить большое число колебаний (обычно время экспонирования 1...100 секунд, а частоты колебаний располагаются в диапазоне от 20Гц до 50кГц). Записанная голограмма является результатом когерентного сложения множества изображений колеблющегося объекта с опорным пучком. При освещении голограммы опорным пучком востанавливаются все положения объекта, которые он занимал во время экспонирования. Распределение яркости в восстановленном изображении будет зависеть от уровня амплитуды колебаний точек поверхности объекта. В голографическом методе реального времени [139] исследуется интерференция световых потоков от самого колеблющегося объекта и его мнимого голо-графического изображения, записанного в исходном недеформированном состоянии. В стробоголографическом методе [69, 78, 98] для получения высококонтрастных интерференционных полос резонансно вибрирующих объектов применяется модуляция предметного и опорного пучков с частотой равной удвоенной частоте колебания исследуемого объекта. Тем самым вибрирующий объект экспонируется на голограмму только в двух фазах колебания, определяемых строби-рующими импульсами. При использовании метода двух экспозиций вибрирующий объект записывается в двух положениях короткими лазерными импульсами различающимися фазой колебаний длительностью 10...100нс с временным интервалом между ними Ю.ЛОООмкс [18,23,29]. Применение голографической интерферометрии для исследования резонансных колебаний объектов описывается в работах Стетсона К.А. [132], Островского Ю.И. [43] и других авторов. Широко применяется голографическая интерферометрия на СНТК им. Н.Д. Кузнецова. Разработанный Еленевским Д.С. и Шапошниковым Ю.Н. голографический стенд, основанный на таких методах, как усреднение во времени и стробоголографический (рис.1.1), используется для вибрационных исследований лопаток газотурбинных двигателей [33]. Полученная интерференционная картина, описывающая распределение амплитуд резонансных колебаний лопатки (рис. 1.2), может быть использована для расчета ее относительных локальных напряжений.
Разработка алгоритма статистической обработки спекл-изображений колеблющихся объектов в схеме ЦСИ со случайным сдвигом фазы в интерферирующих пучках
Цифровые спекл-интерферометры с импульсными лазерами для исследования колебаний конструкций приведены в работах [113,122,125, 130, 131]. Освещение объекта двумя короткими импульсами в двух различающихся фазах колебаний позволяет получать интерференционную картину методом вычитания изображений. Оптические схемы импульсных спекл-интерферометров принципиально не отличаются от схемы электронного корреляционного спекл-интерферометра (рис. 1.6), за исключением применения в качестве регистрирующего средства телекамеры, сопряженной с ЭВМ, Сущность метода заключается в том, что колеблющаяся поверхность освещается двумя короткими лазерными импульсами. Длительность импульсов обычно не превышает несколько десятков наносекунд. Поскольку частоты колебаний исследуемых механических объектов лежат в области не превышающей 100 кГц, исследуемая поверхность за время короткого лазерного импульса практически не смещается.
Первый лазерный импульс освещает исследуемую поверхность в момент времени, когда точки поверхности находятся в фазе колебаний соьі(х,у). Формируется кадр с соответствующим этой фазе распределением интенсивности. Этот кадр вводится в компьютер и запоминается. Второй лазерный импульс освещает поверхность, когда она находится в фазе колебаний wS2(x,y) объекта. Время между лазерными импульсами должно быть больше времени формирования кадра. В противном случае необходимо, чтобы светочувствительная матрица телекамеры имела собственную память на один кадр. Второе изображение вводится в компьютер и складывается, либо вычитается из первого. В результате на экране монитора наблюдается спеклограмма, распределение яркости которой привязано к разности фазД(о3=((о1-й52):
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 спеклограммы будет соответствовать распределению амплитуд колебаний по поверхности, поскольку разность фаз связана с проекцией амплитуды колебаний на вектор чувствительности интерферометра: Atos=4nA/X« Если же колеблющийся объект регистрируется в произвольных фазах колебания, распределение яркости будет привязано к разностям амплитуд колебаний в моменты лазерных импульсов. Если известны фазы колебаний объекта в моменты лазерных импульсов, по интерференционной картине можно рассчитать уровни амплитуд колебаний поверхности.
ЦСИ с импульсным лазером для изучения вибраций представлен в [125]. Оптическая схема ЦСИ с импульсным лазером приведена па рис, 1.8. ЦСИ работает следующим образом: импульсный лазер 1, управляемый блоком поджига 2, посылает два лазерных импульса с таким временным интервалом, чтобы они осветили колеблющийся объект в противоположных фазах колебания. Излучение делится делителем 4 на опорный и предметный пучок. Предметный пучок, пройдя через оптическую систему 5, 6, освещает объект, отраженное излучение которого реги стрируется телекамерой, расположенной в оптической головке 9, которая также синхронизирована с лазерными импульсами.
Опорный пучок также вводится световым волокном 8 в оптическую головку 9, в которой происходит сложение опорного и предметного пучка на чувствительной поверхности ПЗС камеры. Два кадра, записанных от двух разных лазерных импульсов, передаются через блок ввода изображения 10 в персональный компьютер и обрабатываются программным обеспечением. Основной сложностью оптических схем импульсных ЦСИ является синхронизация пуска лазерного импульса с фазой колебания объекта и телекамерой.
Эту задачу выполняет блок синхронизации 3, который управляет блоком управления импульсным лазером 2 (блок управления модуляцией добротности) и телекамерой 9. Также на блок синхронизации из персонального компьютера 11 поступает информация о частоте и периоде колебания объекта, регистрируемые вибродатчнком 12. Цифровая камера в импульсном цифровом спекл-интерферометре должна иметь высокую светочувствительность и позволять регистрировать каждый импульс лазерного излучения длительностью 30 не в отдельный кадр, причем временной промежуток между импульсами может меняться в интервале от 2 до 800 мке, что требует применения специальных телевизионных камер.
Интересным является способ предложенный G. Pedrini [113], Цифровой спекл-интреферометр разработан для регистрации быстропротекагощих колебательных процессов. Он основан на применении импульсного лазера, позволяющего получить распределение амплитуд колебаний по поверхности объекта за время периода его колебаний. С помощью трех цифровых телекамер» каждая из которых регистрирует два последовательных кадра, разделенных временным промежутком в 2 мкс? определяемым временем задержки генерации следующих друг за другом лазерных импульсов. Один из кадров хранится в памяти ПЗС-матрицы камеры, второй непосредственно на ее чувствительной поверхности.
Программа обработки позволяет получить цифровую голограмму из любого сочетания зарегистрированных кадров и, таким образом, представить набор последовательных интерференционных картин, описывающих смещение исследуемой поверхности за период колебания. Недостатком данной системы является достаточно сложная оптическая схема интерферометра, требующая точного позиционирования всех трех камер. Смещение положения любой из камер относительно хода лучей в интерферометре даже на один элемент ячейки фотоприемной матрицы (6-8 мкм) приведет к невозможности формирования цифровой голограммы из-за декорреляции спекл-картин.
Сравнение результатов определения амплитуд резонансных колебаний с помощью ЦСИ и датчиковых методов
Специфической особенностью данного цифрового спекл-интерферометра является наличие в его опорном плече управляемого фазовращателя, с помощью которого можно принудительно изменять фазу опорного сигнала на половину периода, а программное обеспечение позволяет вычислять модуль разности двух последующих изображений. Вычитание изображений, одно из которых получено при сдвиге опорного сигнала по фазе на половину периода, позволяет, исключая среднее значение яркости, увеличить контраст интерферограммы. Обеспечение точности фазового сдвига достигается за счет хорошей виброизоляцаи оптической схемы спекл-интерферометра.
К достоинствам ЦСИ с методом усреднения во времени можно отнести возможность визуализации узловой линии, простоту оптической схемы, использование лазеров малой мощности порядка 15-50 мВт. Важным является возможность применения стандартных телекамер со временем регистрации кадра 40 мс. Также объективным достоинством является низкая цена ЦСИ по сравнению с импульсными ЦСИ и ЦСИ со стробированием.
В идейной основе цифрового спекл-интерферометра с усреднением по времени лежат голографические представления, в частности представления голографии сфокусироваиного изображения [51]. В настоящем времени к цифровым спекл-интерферометрам установился подход как к разновидности голографиче-ской установки, отличающейся только тем, что регистрация информации осуществляется не фотографической пластинкой, а телекамерой. Принципы формирования спеклограмм на фотоматериале практически без каких-либо изменений перешли для описания формирования спеклограммы на телекамере. Однако регистрация на телекамеру несколько отличается от регистрации на фотопластинку. Литературный обзор этого вопроса показал отсутствие проработки особенностей формирования спеклограммы на светочувствительной поверхности телекамеры. Преемственность голографических принципов привела к тому, что в конструкции спекл-интерферометра просматриваются некоторые элементы голографической установки.
Например, для успешной регистрации спекл-интерферограммы разность фаз между предметным и опорным сигналами в течение экспозиции должна сохраняться постоянной. Исходя из голографических представлений, измерительная установка должна быть эффективно виброизолирована, её элементы должны обладать достаточной жёсткостью, объект (независимо от его фактических габаритов и массы) должен быть установлен на общем с элементами оптической схемы основании, а тепловые конвекционные потоки - отсутствовать.
Желательное с голографических позиций увеличение среднего размера пятен спекл-структуры (с целью достижения большего разрешения по мнимому изображению и дифракционной эффективности) достигается уменьшением диаметра входного зрачка объектива. Поэтому в конструкции рассматриваемого интерферометра предусмотрена входная диафрагма малого диаметра. Для регистрации голограммы опорный пучок должен иметь гладкий волновой фронт по возможности меньшей кривизны и направляться в плоскость регистрации под меньшим углом к оптической оси схемы с целью уменьшения подлежащих регистрации пространственных частот.
Таким образом, рассматриваемому цифровому спекл-интерферометру присущи следующие объективные недостатки [97]: - объект должен быть установлен на общем с элементами оптической схемы основании; - необходимость управления фазой (сдвиг на половину периода) опорного сигнала при записи двух последовательных кадров затрудняет автоматизацию процесса ввода экспериментальной информации; - оптическая схема спекл-интерферометра должна быть изолирована от внешних возмущений. Это достигается размещением оптической схемы ЦСИ на виброизолированном столе, установленном в лаборатории с виброизолированным фундаментом. Анализ работ по обеспечению функционирования ЦСИ в условиях нестабильности оптической схемы позволил выделить ряд эффективных решений [20, 114], В [114] предложен метод активной стабилизации фазы, позволяющий проводить измерения статической деформации без виброизоляции оптической схемы. Однако использование данного подхода для виброметрии объектов вызывает определенные сложности. Предложенный в [20] метод принципиально позволяет проводить регистрацию вибрирующих объектов со сниженной виброизоляцией оптической схемы. Но необходимость размещения одного из зеркал интерферометра жестко с объектом на общем дополнительном основании, и возникающая при этом трудности обеспечения сдвига фазы ограничивает области применения ЦСИ. Эти ограничения можно снять при разработке для повышения стабильности оптико-электронной схемы интерферометра новых технологий. 1. Методы голографической интерферометрии относятся к наиболее информативным при исследовании колебаний протяженных объектов. Однако использование этих методов с непрерывным источником излучения ограниченно повышенными требованиями оптических схем интерферометров к вибрационной стабильности. Необходимость применения высокоразрешающих фотоматериалов (более 1000 штрихУмм) затрудняет автоматизацию процесса измерения. Также важным ограничением является высокая чувствительность голографической интерферометрии к нсодно-родностям оптически прозрачной среды. Указанные факторы затрудняют применение голографической интерферометрии при исследовании взаимодействия гидрогазовой среды с конструкцией в схемах на просвет. 2. Методы электронной корреляционной спскл-интерферометрии обладают должной степенью автоматизации и контрастом регистрируемых полос, но по функциональным возможностям регистрации и обработки спекло-грамм значительно уступают цифровой спекл-интерферометрии. К их недостаткам относятся необходимость создания сложной электронной системы фильтрации и выпрямления видеосигнала. 3. Цифровая спекл-интерферометрия позволяет проводить бесконтактные исследования распределения форм резонансных колебаний по всей поверхности исследуемого объекта с высокой степенью автоматизации. Низкая чувствительность к неоднородностям оптически прозрачной среды позволяет применять данный метод для исследования взаимодействия конструкции и потока в схемах на просвет,
Исследование особенностей применения помехоустойчивого ЦСИ для виброметрии составных конструкций
В отличие от спекл-интерферометров с фотографической регистрацией, в ЦСИ для получения оптической информации используется телевизионная камера. Однако до настоящего времени в ЦСИ не анализировались особенности процессов формирования спекл-структуры объекта, как и интерференционного поля на светочувствительной матрице телекамеры. Поэтому существует необходимость последовательного рассмотрения некоторых вопросов получения спекл-структуры объекта и регистрации спекл-изображений в цифровом спекл-интерферометре.
В настоящее время в промышленном производстве и научно-исследовательских работах широкое распространение получило когерентное (лазерное) излучение, обладающее некоторыми специфическими особенностями по сравнению с обычным некогерентным светом. В частности, на изображении оптически шероховатого объекта, освещенного когерентным излучением, появляется грубая пятнистая, так называемая спекл-структура, существенно ухудшающая качество изображения. Использование когерентного излучения позволяет распространить технику оптической интерферометрии на объекты с оптически шероховатой поверхностью. При этом существенно снижаются требования к временной и пространственной когерентности интерферирующих световых потоков [72].
В последнее время регистрация экспериментальной оптической информации осуществляется с помощью электронных средств: телевизионной камеры, персональной ЭВМ и специализированного электронного устройства ввода изображений. Изображение объекта, образованное спскл-структурой, в форме графического файла вводится в ЭВМ и запоминается в её памяти, В спекл-структуре присутствует полезная информация о текущей форме объекта и ненужная, помеховая информация о микрорельефе его поверхности, обусловленном его механической или иной обработкой.
Для проведения собственно интерферометрического контроля объектов на светочувствительной поверхности телевизионной камеры с помощью элементов оптической схемы экспериментальной установки формируется опорный сигнал, когерентный с сигналом изображения [102]. Опорный сигнал, как правило, имеет гладкий волновой фронт некоторой определённой и заранее известной формы (плоскость, сфера). Светочувствительные элементы телевизионной камеры, представляющие собой квадратичные детекторы, реагируют на интенсивность света и не чувствительны к фазе сигнала. Наличие опорного сигнала наделяет телевизионную камеру чувствительностью к фазе предметного сигнала, т.е. превращает светочувствительную поверхность её ПЗС матрицы в своеобразный двумерный фазовый детектор и, таким образом, обеспечивает возможность измерения перемещения точек поверхности объекта в процессе его деформации или колебаний.
При освещении объекта в тонком слое его поверхности, так называемом скин-слое (от английского слова "skin"fcwa7)s свободные и слабо связанные электроны его материала под действием электрического поля световой волны приходят в колебательное движение и сами становятся, в соответствии с законами электродинамики, источниками слабо направленного излучения (это излучение иногда называется вторичным).
Вторичное излучение колеблющихся электронов, направленное от объекта во внешнее свободное пространство, получило название рассеянного назад излучения. Излучение колеблющихся электронов, направленное внутрь материала, частично поглощается. Следовательно, из процесса формирования рассеянного назад излучения оно выпадает и характеризует так называемую "степень черноты" или коэффициент отражения поверхности объекта. Вся совокупность коллективно колеблющихся электронов, находящихся в скин-слое освещенного участка оптически шероховатой поверхности объекта, фактически представляет собой сложный поверхностный излучатель.
Диаграмма направленности такого излучателя в общем случае представляет собой множество "лепестков" (отдельных тонких остронаправленных пучков), вписанных в некоторую гладкую поверхность, так называемую, индикатрису рассеяния, В иерархии формообразующих элементов физической поверхности реального объекта можно выделить, по крайней мере, три уровня. Во-первых, это форма объекта в макроскопическом, обыденном смысле этого слова. Если, например, под объектом понимать деталь, то её форма определяется номинальными размерами на рабочем чертеже, по которому она изготовлена- Во-вторых, это грубый рельеф, обусловленный механической обработкой, химическим травлением или нанесением шероховатых покрытий. И, в-третьих, - субмикронные и даже молекулярные шероховатости, обусловленные к примеру окислением поверхности, конденсацией паров жидкости или адсорбцией газов. Такие мелкие подробности, размеры которых меньше длины волны используемого света, хотя и участвуют в процессе формирования рассеянного назад излучения, недоступны детальному исследованию оптическими методами.
Из-за волнового характера протекающих процессов волновой фронт волны рассеянного назад излучения вблизи объекта лишь в общих чертах повторяет микрогеометрию его поверхности и представляет собой относительно гладкую, "глянцевую 1, волнистую поверхность, состоящую из выпуклых и вогнутых фрагментов.
На рис, 2.1 показана физическая поверхность 1 реального объекта с микрорельефом. На некотором расстоянии от поверхности объекта, освещенного когерентным (лазерным) светом, формируется рассеянное назад излучение, на волновом фронте 2 которого имеются выпуклости и впадины, по размерам превосходящие мелкие (субмикронные) детали микрорельефа. Эти криволинейные участки волнового фронта можно рассматривать как выпуклые и вогнутые зеркала с мнимыми 3 и действительными 4 фокусами. Т.е, лазерное излучение, рассеянное объектом назад, можно представить как бы исходящим из множества 5 точек, хаотически распределённых в тонком слое, расположенном в непосредственной близости от поверхности объекта.
Поток излучения, падающий на каждое из таких микроскопических зеркал, отражается (рассеивается назад) в широком телесном угле с вершиной в фокусе зеркала, что и определяет достаточно широкую индикатрису диффузного рассеяния всей оптически шероховатой поверхности.
Все упомянутые фиктивные зеркала имеют в среднем одинаковые световые диаметры и радиусы кривизны, поэтому в широком диапазоне углов освещения и наблюдения яркость центров рассеяния сохраняется приблизительно постоянной.
