Изучение колебаний объектов при многочастотном возбуждении

Для исследования многочастотных колебаний может использоваться ЦСИ с импульсным лазером. Если колеблющаяся поверхность в течение времени формирования одного кадра освещается двумя короткими лазерными импульсами, длительность которых существенно меньше периода колебаний (спеклограмма формируется методом сложения изображений), то в регистрируемой интерференционной картине контраст получаемых полос будет низок [10]. Для повышения контраста интерференционных полос обычно регистрируют два последовательных кадра, каждый из которых формируется своим лазерным импульсом [56,57]. После вычитания этих кадров распределение яркости в спекл-картине будет привязано к разности фаз колебаний объекта в моменты лазерных импульсов.

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.

В [60] предложен способ выделения составляющих многочастотных колебаний объектов с помощью ЦСИ с непрерывным лазером. Было показано, что модулируя амплитуду опорного пучка на одной из собственных частот колебаний объекта, можно выделить и зарегистрировать отдельные составляющие этих колебаний.

Рассмотрим экспериментальную часть разработанного в [60] способа на примере ЦСИ, блок-схема которого приведена на рис.7.12.

В схеме на рис.7.12 в качестве источника излучения применяется лазер 1 с непрерывным излучением. Особенностью интерферометра является введение в опорный пучок электрооптического модулятора 5 и размещение на поверхности исследуемого объекта 9 малоразмерного вибродатчика 10. Сигнал отклика объекта на возбуждающее усилие поступает на спектральный анализатор 11.

Экспериментальная проверка разработанного способа производилась при использовании в качестве модельного объекта рабочей лопатки компрессора газотурбинного двигателя.

Предварительно у лопатки по известным методикам определились резонансные частоты (см. раздел 3.2) и формы колебаний (см. раздел 6.2.4). Для этого на возбудитель колебаний подавался синусоидальный сигнал от звукового генератора в частотном диапазоне до 5 кГц. Зарегистрированные формы колебаний и соответствующие им частоты приведены на рис.7.13.

Рис.7.12. Блок-схема цифрового интерферометра с модуляцией опорного пучка: 1 – лазер; 2 – блок питания модулятора; 3 – звуковой генератор; 4 – поворотное зеркало; 5 – модулятор; 6 – светоделитель; 7 – формирователь предметного пучка; 8 – формирователь опорного пучка; 9 – объект; 10 – вибродатчик; 11 – анализатор спектра; 12 – система сведения пучков; 13 – цифровая телекамера; 14 – компьютер

Рис.7.13. Спектр резонансных частот и форм колебаний лопатки компрессора

Для широкополосного возбуждения лопатки использовался генератор белого шума. (Подробное изложение методики см. в разделе 3.6). Сигнал от генератора усиливался и поступал на пьезоэлектрический возбудитель колебаний. Спектр частот собственных колебаний лопатки в диапазоне до 5 кГц, полученный при спектральном анализе сигнала вибродатчика, закрепленного на пере лопатки, приведен на рис.7.14. Было подтверждено совпадение частот максимальных уровней отклика лопатки на возбуждающее широкополосное усилие (рис.7.14) с резонансными частотами лопатки, приведенными на рис. 7.13.

Регистрация отдельных частотных составляющих колебаний при широкополосном возбуждении лопатки осуществлялась с помощью ЦСИ (см.рис.7.12) методом с усреднением по времени. Для этого на электрооптический модулятор 5 с блока питания 2 подавался управляющий сигнал на частоте, которая задавалась звуковым генератором 3 и соответствовала одной из резонансных частот колебаний объекта.

Рис.7.14. Спектр частот собственных колебаний лопатки компрессора, возбуждаемой белым шумом

С целью увеличения времени усреднения спекл-картины 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. 7.15.

Сравнение спекл-интерферограмм форм колебаний лопатки, приведенных на рис. 7.13 и 7.15 показывает, что применение временной модуляции опорного пучка, а также статистическая обработка последовательности кадров позволяют выделять и зарегистрировать отдельные частотные составляющие колебаний объекта, возбуждаемого широкополосной нагрузкой. При этом ЦСИ играет роль анализатора собственных форм линейных колебаний сложных конструкций.

а)	б)
Рис. 7.15. Спеклограммы выделенных форм колебаний лопатки при синусоидальной модуляции опорного пучка на двух частотах: а- 2149 Гц; б- 4233 Гц

Следующий этап исследований связан с применением помехоустойчивого ЦСИ для анализа форм колебаний конструкций при пульсационно-вибрационных процессах взаимодействия с рабочими средами.