Способ исследования форм колебаний
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (5»5 G 01 Н 9/00 т
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4820334/28 (22) 28.04.90 (46) 23.02.92. Бюл. М 7 (71) Самарский моторный завод (72) Г.А. Брытков (53) 534. 63(088. 8) (56) Джоунс P., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия, — М.: Мир, с.160—
162. (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМ КОЛЕБАНИЙ
J е (57 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения форм колебаний деталей и узлов конструкций в машиностроении методом спекл-интерферометрии. Целью изобретения является повышение чувствительности способа за счет улучшения условий идентификации узловых линий формы
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения форм колебаний деталей и узлов конструкций в машиностроении методом спекл-интерферометрии.
Известен спекл-интерферометрический способ определения форм колебаний объек-. та, заключающийся в том, что в плоскость изображения неподвижного объекта устанавливают фотопластинку, экспонируют ее, освещая объект двумя когерентными пучками, пластинку проявляют и устанавливают точно в исходное положение, объект снова освещают, возбуждают на резонансной частоте и наблюдают через пластинку со спекл-картиной неподвижного объекта, играющей роль негативной маски, корреляционные полосы на его поверхности, ЫЛ 1714380 А1 колебаний объекта. Для этого опорный пучок формируют путем отражения когерентного излучения от колеблющегося по гармоническому закону зеркала, частота Q и амплитуда . А колебаний которого удовлетворяет соотношениям Q « ю, 6 Гц < Мф Q < 12 Гц где и), — частота коле4л баний объекта; Мф - - А cos а/2 — глубина модуляции фазы опорной волны; А — длина волны излучения; а — угол между падающим и отраженным лучом опорного пучка. Направляют опорную волну параллельно волне, отраженной от объекта, в плоскость изображения объекта. Визуально наблюдают в плоскости изображения результирующую спекл-картину и по распределению интенсивности в ней определяют форму колебаний, 1 ил. соответствующие линиям постоянных амп- ъ литуд формы колебания объекта.
Недостатками данного способа. являются необходимость получения фотонегативной маски и точного совмещения ее со спекл-картиной исследуемого объекта, а также низкая видность получающихся полос, ()
Известен также спекл-интерферометрический способ, е котором корреляциоиные полосы, характеризующие форму колебания, получают в реальном времени в результате электронной обработки с использованием телевизионной техники.
- Недостатками такого способа являются необходимость создания сложной электронной системы фильтрации и выпрямления видеосигнала, а также невысокая
1714380 видность получающихся полос, сильно зависящая от параметров спекл-интерферометра и видеосистемы, Наиболее близким к предлагаемому является спекл-интерферометрический спо- 5 соб определения форм колебаний в реальном времени, заключающийся в том, что освещают объект когерентным излучением, формируют изображение объекта, в плоскость изображения направляют парал- 10 лельно излучению от объекта волну когерентного излучения и визуально наблюдают в плоскости изображения результирующую спекл-картину, по распределению интенсивности в которой определяют форму коле- 15 бания объекта.
Недостатком известного способа является то, что модуляция интенсивности в результирующей спекл-картине, определяемая вариациями контраста спеклов на ли- 20 ниях постоянных амплитуд формы колебания, невелика и на практике для реальных объектов сложной формы трудно обна(эужить даже узловые области, которые, в основном, и характеризуют форму колеба- 25 ния.
-Цель изобретения — повышение чувстament ности способа за счет улучшения условий идентификации узловых линий 30 формы колебания объекта.
Поставленная цель достигается тем, что в спекл-интерферометрическом способе определения формы колебания объекта, за-, ключающемся в том, что освещают объект 35 когерентным излучением, формируют изображение объекта, в плоскость изображения направляют параллельно излучению от объекта волну когерентного излучения и визуально наблюдают в плоскости изображе- 40 ния результирующую спекл-картину, по распределению интенсивности в которой определяют форму колебания объекта, опорный пучок формируют путем отражения когерентного излучения от колеблюще- 45 гося по гармоническому закону зеркала, частота Йи амплитуда А колебаний которого удовлетворяет соотношениям
Q< 6 Гц М Я 12 Гц, где со — частота колебаний объекта; 4л а 55 Мф =-- -А cos — — глубина модуляции фа2 зы опорной волны; iL— - длина волны излуче- ния; a — угол между падающим и отраженным лучами опорного пучка, На чертеже приведена оптическая схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Схема включает лазер 1, светоделитель 2, неподвижное зеркало 3, зеркало, колеблющееся по гармоническому закону 4; расширители 5 и 6 света, колеблющийся объект 7, объектив 8, клиновидную оптическую пластину 9, экран или диффузор 10. С помощью светоделителя 2 излучение лазера 1 делится на два когерентных пучка — предметный и опорный. Предметный пучок, отразившись от зеркала 3, фильтруется, расширяется расширителем 5 и освещает поверхность колеблющегося на резонансной частоте объекта 7. С помощью объектива 8 строится изображение поверхности объекта на экране или диффузоре 10.. Опорная волна, отразившись от зеркала 4, закрепленного на пьезокерамике и совершающего гармонические колебания, фильтруется, расширяется расширителем 6 и с помощью клиновидной оптической пластины 9 направляется параллельно излучению от объекта на экран или диффузор 10, где в результате их интерференции формируется результирующая спекл-картина. Физическая сущность способа заключается в следующем. Пусть поверхность объекта находится в плоскости (X, У), освещается монохроматической когерентной волной и совершает гармонические колебания вдоль оси Z так, что смещение каждой ее точки равно Z(X, Y, t)= L(X, Y) sin cupñ, (1) где L(X, Y) - амплитуда колебаний в точке с координатами (Х, Y); (ор — резонансная частота колебаний объекта. Тогда в любой момент времени комплексная амплитуда световой волны, рассеянная данной точкой поверхности в плоскости изображения ((,g) áóäåò следующей: Ut((, t,ti=U, ((хх,ехр (— L(xgltinuztj, (2) где Ups — комплексная амплитуда излучения в плоскости изображения от точки (X, Y), когда объект неподвижен; 1 — длина волны излучения лазера; i = V — Т. Допустим, что фаза опорного пучка непрерывно изменяется путем модуляции 1714380 его оптического пути с помощью зеркала, совершающего гармонические колебания по закону Z (t) = "4 cos > sin Qt, (3) 15 UpI(gt)=(j,p(»., tjexpi(M«pan(zt). (4) где U()f, — комплексная амплитуда излучения опорной волны.в плоскости изображения 20 при отсутствии модуляции; 4л а Мф = — у- Ao cos — — глубина модуля2 ции фазы опорной волны; i =((-1. Результирующая интенсивность в пло- 25 скости изображения имеет вид 1(т) = (0з+ 0р)(0з+ 0р)* (5) Тогда с учетом (2) и (4) распределение 30 интенсивности в некоторый момент времени в плоскости изображения будет Ijt)n=lS«! «2 1» (р С05(— L (»,«))S«ng»t » «М с«п (lt), (6) где Is — интенсивность в плоскости изображения рассеянная точкой (Х, Y), когда поверхность неподвижна; lp — интенсивность .40 в плоскости изображения опорной волны при отсутствии модуляции. Глаз усредняет эту интенсивность по некоторому промежутку времени с В рез льтате имеем 45 У и, s p+ «««(! ь р J со с f, (» g fsin ««»» t j « о «<«»sjMrpsfnQt)«sin(— "(, (» «jjs n s»»)„5О «s«n (M«psin Qt))«)t Если выбрать частоту модуляций И значительно меньше частоты колебания 55 объекта и не намного отличающуюся от О, то 2к — 2к (((— -и в выражении (7) можно полоNR жить где Ао — амплитуда колебания зеркала; Q- частота колебания зеркала; а — угол между падающим и отраженным пучками, 10 Тогда в любой момент времени комплексная амплитуда опорной волны в плоскости изображения будет в(г(Я.t = Я.t.; cos!vi+Qt-const; >i n N qo Qt = 0 за время усреднения . Тогда распределение интенсивности в плоскости изображения будет 1Ф,У)4 ®214II,((,g) 2 5ф (, )к к3, — L(x,ô .co5 9+24, (д) где 3р — функция Бесселя нулевого порядка 1-го рода. Для тех точек поверхности, где амплитуды колебаний удовлетворяют условию нулей функции Бесселя, в плоскости изображения наблюдается стационарное распределение яркости спеклов, Для остальных точек поверхности распределение яркости спеклов в плоскости изображения зависит от времени. Эта зависимость будет проявляться как мерцание яркости спеклов с частотой W =. Мф Q, Максимальная амплитуда флуктуаций интенсивности имеет мес-, то для точек поверхности с- нулевой амплитудой колебания, т.е. в узлах формы колебания. Согласно теории глаз человека обладает максимальной чувствительностью к изменению яркости при частоте 6 —.12 Гц. Следовательно, если частота и глубина модуляции опорного излучения удовлетворяет условию 6Гц МфИ 12Гц, то стационарное распределение интенсивности областей высокого контраста спек- лов, характеризующих собой линии постоянных амплитуд формы колеб!)ния объекта, переводится в динамическую картину флуктуаций интенсивности спеклов в этих областях, которая выделяется глазом с максимальной чувствительностью по отношению к областям со стационарным распределением яркости спеклов, Таким образом способ позволяет повысить чувствительность, Пример. Объект — компрессорная лопатка размером 70х40 мм, зажатая в специальное крепежное устройство, имеющее пьезодинамический возбудитель, размещается на голографическом столе установки . СИН во входной плоскости спекл-интерферометра, собранного из стандартных оптико-механических узлов по схеме, изображенной на чертеже, Зеркало в тракте опорного пучка в спекл-интерферометре закрепляется на пьезо-керамике, на которую 1714380 20 Q((N; Составитель Г.Брытков Редактор В.Бугренкова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А.Осауленко Заказ 683 Тираж Подписное. ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 со звукового генератора подается гармонический сигнал, так что зеркало совершает в процессе наблюдения гармонические колебания с частотой 3 Гц. В плоскости изображения сформиро ванного объективом "TAMRON" (f = 28-80 мм) располагают диффузор размером 120100 мм. Опорную волну направляют на диффузор параллельно излучению от объекта с о помощью оптического клина с узлом 1 26 и размером 80х40 мм. С помощью пьезо-динамического возбудителя, на который подается сигнал от звукового генератора, возбуждают колебания исследуемой лопатки, частота которых медленно меняется в интервале 20 — 10 000 Гц. При попадании на резонансную частоту общее мерцание яркости спеклов в.результирующей спекл-картине лопатки, наблюдаемое на диффузоре, разбивается на области, где мерцание. исчезает .— пучности формы колебания лопатки и области, где мерцание остается — узлы формы колебания лопатки. Узловые области с флуктуирующей яркостью спеклов легко выделяются глазом, что позволяет довольно просто определять форму колебания, соответствующую данной резонансной частоте. Формула изобретения Способ исследования форм колебаний объекта в реальном времени, заключающийся в том, что освещают объект когерентным излучением, формируют изображение объ5 екта, в плоскость изображения направляют параллельно излучению от объекта опорную волну когерентного излучения и визуально наблюдают в плоскости изображения результирующую спекл-картину, по распреде10 лению интенсивности в которой определяют форму колебания объекта, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности, опорный пучок формируют путем отражения когерент15 ного излучения от колеблющегося по гармоническому закону зеркала, частота 0 и амплитуда А колебаний которого удовлетворяет соотношениям 6Гц Мф Q 12 Гц, где ш — частота колебаний объекта; 4л, а 25 Мф = — А cos — глубина модуляции л 2. фазы опорной волны; il — длина волны излучения; а — угол между падающим на зеркало и отраженным лучом опорного пучка. 
