Способ исследования форм колебаний Советский патент 1992 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и можетбыть использовано для определений форм колебаний деталей и узлов конструкций в машиностроении методом спекл-интерферометрии.

Известен спекл-интерферометрический способ определения форм колебаний объекта, 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.

соответствующие линиям постоянных амплитуд 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, в котором корреляционные 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 виднрсть получающихся полос, сильно зависящая от параметров спекл-интерферометра и видеосистемы. Наиболее близким к предлагаемому является спекл-интерферометрический способ определения форм колебаний в реальном времени, заключающийся в том, что освещают объект когерентным излучением, формируют изрбра |1сение объекта, в плоскость изображения направляют параллельно излучению от объекта волну когерентного излучения и визуально наблюдают в плоскости изображения результирующую спекл-картину, по распределению интенсивности в которой определяют форму колебания объекта. Недостатком известного способа является то, что модуляция интенсивности в результирующей спекл-картине, определяемая вариациями контраста спеклов на линиях постоянных амплитуд формы колебания, невелика и на практике для реальных объектов сложной формы трудно обнаружить даже узловые области, которые, в основном, и характеризуют форму колебания. Цель изобретения - повышение чувствительности способа за счет улучшения условий идентификации узловых линий формы колебания объекта. Поставленная цель достигается тем, что в спекл-интерферометрическом способе определения формы колебания объекту, заключающемся в том, что освещают объект когерентным излучением, формируют изображение объекта, в плоскость изображения направляют параллельно излучению от объекта волну когерентного излучения и визуально наблюдают в плоскости изображения результирующую спекл-картину, по распределению интенсивности в которой определяют форму колебания объекта, опорный пучок формируют путем отражения когерентного излучения от колеблющегося по гармоническому закону зеркала, частота Qи амплитуда А колебаний которого удовлетворяет соотношениям Q ш 6 Гц , Гц, где ft)-частота колебаний объекта; Мф cos -у - глубина модуляции фазы опорной волны; А-длина волны излучения; а - 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 бис 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, Y), 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 WR t, (1) где L(X,Y) - амплитуда колебаний в точке с координатами (X, Y);, ft)R - резонансная частота колебаний объекта. Тогда в любой момент времени комплексная амплитуда световой волны, рассеянная данной точкой поверхности в плоскости изображения ( , 77).будет следующей;U5(.t Uoe(r//)(x.jbinajRt, , .(2) где Uos - комплексная амплитуда излучения в плоскости изображения от точки (X, Y), когда объект неподвижен; Я - длина волны излучения лазера; i V- 1 . Допустим, что фаза опорного пучка непрерывно изменяется путем модуляции его оптического пути с помощью зеркала, совершающего гармонические колебания по закону Z(t) A,cosf sinQt,(3) . где АО - амплитуда колебания зеркала; О- частота колебания з.еркала; а - угол между падающим и отраженным пучками. Тогда в любой момент времени комплексная амплитуда опорной волны в плоскости изображения будет Up(V,,-t)-Uop((Mcpsin«t). (it где Uop - комплексная амплитуда излучения опорной волныВ плоскости изображения при отсутствии модуляции; А 71и Мф COS-г- - глубина модуляции фазы опорной волны; 1 гТ. Результирующая интенсивность в плоскости изображения имеет вид r(t) (Us + Up)(Us + Up) Тогда с учетом (2) и (4) распределение интенсивности в некоторый момент времени в плоскости изображения будет Utl l5np 24viJco5 - L(x,i 6incORtt McpSinQt J где Is - интенсивность в плоскости изображения рассеянная точкой (X, Y), когда поверхность неподвижна; 1р - интенсивность в плоскости изображения опорной воЛНы при отсутствии модуляции. Глаз усредняет эту интенсивность по некоторому промежутку времени т. В результате имеем. -l5 Ip fl77pj co5(,s;na,t). о (M,psinatVsin L(x,6;na)Ri)jc Sin()clt.(7) Если выбрать частоту модуляций Q значительно меньше частоты колебания объекта и не намного отличающуюся от О, то О fTff О fTf В выражении (7) можно полоftJRЬ,2 sit)Q.t Q.t; cosMipQ const; за время усреднения г. Тогда распределение интенсивности в плоскости изображения будет i(.,tH5(.2Vip(.,.2Vip(r.) (8) где Do функция Бесселя нулевого порядка 1-го рода. Для тех точек поверхности, где амплитуды колебаний удовлетворяют условию нулей функции Бесселя, в плоскости изображения наблюдается стац,ионарное 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 флуктуации интенсивности имеет место для точек поверхности с нулевой амплитудой колебания, т.е. в узлах формы колебония.. 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 MфQ 12 Гц, то стациЪнарное распределение интенсивности областей высокого контраста спеклов, характеризующих собой линии постоянных амплитуд формы колебгшия объекта, переводится в динамическую картину флуктуации 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 70x40 мм, зажатая в c,neциальное 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 h|a пьезо-керамике, на которую