Способ измерения частотных характеристик механических конструкций

 

Изобретение относится к бесконтактным оптическим способам измерения основных частотных характеристик малогабаритных и легких механических конструкций. Способ измерения частотных характеристик механических конструкций заключается в том, что исследуемую конструкцию закрепляют в интерферометре, формируют опорную и предметную оптические волны, используя голографическую интерферометрию в реальном времени, получают голограмму неподвижной конструкции, проявляют голограмму на месте или точно возвращают в исходное положение, освещают конструкцию и голограмму, возбуждают колебания конструкции, постепенно изменяя частоту внешней силы, производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции, при этом через голограмму ведут наблюдение одновременно распространяющихся за голограммой световой волны от вибрирующей конструкции и восстановленной голограммой световой волны от неподвижной конструкции, результат интерференции этих волн усредняют при регистрации, далее, используя голографическую интерферометрию с усреднением по времени, регистрируют на голографических фотопластинках интерферограммы форм колебаний испытываемой конструкции при вибрации на резонансных частотах, голографические фотопластинки после регистрации подвергают типовой фотообработке, затем восстанавливают интерференционные картины форм колебаний испытываемой конструкции, производят считывание числа и положения интерференционных линий, для каждой интерференционной картины производят расчет полей амплитуд колебаний исследуемой конструкции с использованием таблиц функции Бесселя нулевого порядка. При этом возбуждают исследуемую конструкцию и регистрируют интерферограммы форм колебаний дополнительно на нескольких, достаточных для построения резонансной кривой, околорезонансных частотах, а для конкретной формы колебаний испытываемой конструкции на основе количественного анализа интерференционных картин определяют зависимость амплитуды или деформации от частоты возбуждающей силы, по которой по методу резонансной кривой определяют искомые частотные характеристики испытываемой конструкции. Данное изобретение позволяет устранить погрешность измерений, обусловленную заметным влиянием массогабаритных данных измерительных преобразователей и демпфирующим эффектом от кабельной разводки. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным оптическим способам измерения основных частотных характеристик малогабаритных и легких механических конструкций, представляющих собою пластины и оболочки сложной формы или их сочетания.

Область применения - авиастроение, ракетостроение, машиностроение, атомная энергетика и др.

При решении задач динамики и прочности различных механических конструкций, в частности обеспечения безопасности летательных аппаратов от явлений аэроупругости, важное место занимают основные частотные характеристики (иначе - динамические характеристики) этих объектов - резонансные (собственные) частоты, формы колебаний и параметры затухания. Все частотные характеристики, на сегодняшний день, могут быть определены только с помощью экспериментальных методов. Так, например, коэффициенты демпфирования колебаний, т.е. параметры затухания колебаний, конкретной конструкции расчетным путем получить невозможно (Микишев Г.Н. Экспериментальные методы в динамике космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1978, с.183).

В настоящее время практические измерения частотных характеристик исследуемых конструкций производятся в основном при помощи аппаратурно-программных систем генерации сигналов, сбора и обработки данных, которые получают экспериментальную информацию от набора датчиков. Выбор типов датчиков для частотных испытаний всегда производится с учетом возможного искажения упругомассовых характеристик испытываемой конструкции и с учетом частотных характеристик самих датчиков. При испытаниях моделей и легких натурных конструкций рекомендуется использование бесконтактного измерения частотных характеристик (Смыслов В.И. Об экспериментальных способах исследования колебаний летательных аппаратов. Труды ЦАГИ, выпуск 1217. М.: Издательский отдел ЦАГИ, 1970, с.26).

Известен способ бесконтактного измерения частотных характеристик самолетных конструкций, с помощью ручных стробоскопов в сочетании с зеркальными виброскопами (разработанные инженером А.Л. Резником). Способ заключается в том, что формируют световые пучки, освещают ими вибрирующую конструкцию и наблюдают колебания отдельных точек конструкции в виде колебаний световых точек (“зайчиков”) на экране с сильно увеличенной амплитудой. Экраном могут служить стена, фанерные листы, листы бумаги и т.д. Световые точки (“зайчики”) вибрируют с той же частотой, что и исследуемая деталь. При помощи ручного стробоскопа наблюдают замедленное движение световых точек, сравнивают их взаимное перемещение и оценивают форму колебаний с данной частотой. Наблюдения производят через щели в стробоскопическом диске, который движется при помощи часового механизма. Скорость диска для каждой регулировки автоматически остается постоянной. В корпусе прибора имеется глазок, который при совпадении с ним отверстия диска открыт для наблюдения и при дальнейшем повороте диска закрывается. При совпадении числа оборотов диска с частотой колебаний наблюдаемой детали видят эту деталь неподвижной в каком-нибудь положении. Замедление колебаний детали будет тем больше, чем меньше отличаются между собой число оборотов диска стробоскопа и частота колебаний детали. Зеркальные виброскопы монтируют на опорной штанге. Порядок же работы зеркальных виброскопов следующий. Колебания точки испытываемой конструкции передаются толкателю зеркала виброскопа, который приводит в колебательное состояние само зеркало, сидящее на рычажке, задний конец которого связан пружиной с корпусом виброскопа. Свет от электрической лампочки отражается в зеркале, которое отбрасывает на экран световую точку, воспроизводящую колебания точки конструкции в увеличенном виде. Если колебания световых точек рассматривать через описанный выше стробоскоп, окошко которого открывается с частотой, близкой к частоте колебаний световых точек, последние будут видны в замедленном движении, так что можно различать направление их относительно друг друга. Это позволяет оценивать форму колебаний конструкции, если виброскопы установлены в достаточном количестве (Ананьев И.В., Беляев М.М. Техника измерения колебаний. М.: Издательство Бюро новой техники, 1947, с.132-135).

Недостатки этого способа: громоздкость оборудования, необходимость привлечения для проведения эксперимента большого количества людей-счетчиков, требование затемнения рабочего помещения при проведении экспериментов (либо занавешивание всех окон, либо работа ночью). К тому же исследовать тонкостенные, легкие и малогабаритные конструкции этим способом не представляется возможным из-за внесения больших искажений размещением толкателей зеркал по точкам измерения конструкций.

Известен бесконтактный способ измерения частотных характеристик конструкций (или образцов), представляющих собою прямоугольные пластины, с помощью оптико-электрической системы. В таком способе путем подсчета количества циклов затухающих колебаний светового луча, отраженного от зеркала, вычисляют частоту и логарифмический декремент колебаний. В этих экспериментах зеркало закрепляют на исследуемой конструкции, а форма ее колебаний считается уже известной (Иващенко Р.К, Позен Н.Л. Новый способ определения декремента колебаний с помощью оптико-электрической системы. Проблемы прочности, 1970, №11, с.115-117).

Недостаток данного способа измерения: при работе с легкими образцами зеркало, установленное на конструкции, будет вносить искажения в экспериментальные результаты. Также очевидно, что измерять частотные характеристики жестких и более сложных по форме конструкций этим способом не представляется возможным.

Известен бесконтактный способ Пауэлла-Стетсона измерения частотных характеристик различных механических конструкций при помощи комбинации двух методов голографической интерферометрии - метода реального времени и метода усреднения по времени. Выходной информацией способа Пауэлла-Стетсона являются частоты и формы резонансных колебаний исследуемой конструкции, которые получают голографически при помощи интерферограмм. Осуществляют такой эксперимент следующим образом. Исследуемую конструкцию закрепляют на лабораторном виброизолированном столе, где монтируют голографический интерферометр, при помощи лазера формируют опорную и предметную оптические волны. Первый этап - метод реального времени. Получают голограмму неподвижной конструкции, проявляют голограмму на месте или точно возвращают в исходное положение, освещают конструкцию и голограмму, возбуждают колебания конструкции, постепенно изменяя частоту вибрации конструкции, производят поиск и регистрацию частот ее резонансных колебаний, через голограмму ведут наблюдение одновременно распространяющихся за голограммой световой волны от вибрирующей конструкции и восстановленной голограммой световой волны от неподвижной конструкции. Мгновенная результирующая картина - результат интерференции этих волн усредняется при регистрации. Таким образом, в методе реального времени усредняется результирующая интенсивность. Выходной информацией первого этапа эксперимента являются резонансные частоты колебаний исследуемой конструкции, а также предположительная информация о формах колебаний, возбужденных в процессе измерения частот. Второй этап - метод усреднения по времени. С использованием голографической интерферометрии с усреднением по времени регистрируют на голографических фотопластинках интерферограммы форм колебаний испытываемой конструкции при ее возбуждении на резонансных частотах, определенных на первом этапе эксперимента. Голографические фотопластинки после регистрации подвергают типовой фотообработке, затем восстанавливают интерференционные картины форм колебаний испытываемой конструкции, а при необходимости делают фотографии голограмм. Выходной информацией второго этапа являются амплитуды и формы резонансных колебаний исследуемой конструкции (Островский Ю.И., Щепинов В.П., Яковлев В.В. Голографические интерференционные методы измерения деформаций. М.: Наука, 1988, с.209-228).

Недостатком этого способа является то, что такие важные характеристики конструкции, как параметры затухания колебаний, не измеряются. Хотя никакими расчетными методиками получить их невозможно.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ голографического анализа вибраций конструкций при их синусоидальном возбуждении (Стетсон К.А. Топографический анализ вибраций (В кн.: Голографические неразрушающие исследования. Редактор Эрф Р.К. Перевод с англ. под ред. Карасева В.А.). М.: Машиностроение, 1979, с.215-217), где определяются все основные частотные характеристики исследуемых конструкций - резонансные частоты, формы и параметры затухания колебаний. Способ заключается в том, что частотные характеристики определяют комбинированным способом: голографически получают интерферограммы форм колебаний объекта и значения резонансных частот, а параметры затухания колебаний конструкции определяют одним из традиционных контактных методов, например, используя акселерометры или тензодатчики, присоединенные к исследуемой конструкции. Порядок операций способа-прототипа следующий. Первая часть состоит из двух этапов и заключается в голографическом измерении частот и форм колебаний исследуемой конструкции. Во-первых, производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний конструкции, для чего используют голографическую интерферометрию в реальном времени. Конструкцию закрепляют на лабораторном виброизолированном столе, где монтируют топографический интерферометр в соответствии с классической схемой Лейта-Упатниекса с симметричным освещением и наблюдением, при помощи гелий-неонового лазера формируют опорную и предметную оптические волны. Делают голограмму неподвижного объекта и проявляют ее на месте (или точно возвращают в исходное положение). Затем при помощи лазера освещают конструкцию и голограмму, а, используя синусоидальный генератор электрических колебаний и пьезокерамический силовозбудитель, возбуждают колебания конструкции, постепенно изменяя частоту внешней силы, производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции. Через голограмму ведут наблюдение одновременно распространяющихся за голограммой световой волны от вибрирующей конструкции и восстановленной голограммой световой волны от неподвижной конструкции. Мгновенная результирующая картина - итог интерференции световой волны от вибрирующей на резонансной частоте конструкции и восстановленной голограммой световой волны от неподвижной конструкции - усредняется при регистрации (то есть при наблюдении экспериментатором). Таким образом, в методе реального времени усредняется результирующая интенсивность. Выходной информацией первого этапа эксперимента являются резонансные частоты колебаний исследуемой конструкции. Во-вторых, с использованием голографической интерферометрии с усреднением по времени регистрируют на голографических фотопластинках интерферограммы полей амплитуд, то есть форм колебаний, исследуемой конструкции при ее возбуждении на резонансных частотах, определенных на первом этапе эксперимента. Голографические фотопластинки после регистрации подвергают типовой фотообработке, затем восстанавливают интерференционные картины форм колебаний испытываемой конструкции, производят считывание числа и положения интерференционных линий, для каждой интерференционной картины производят расчет полей амплитуд колебаний исследуемой конструкции с использованием таблиц функции Бесселя нулевого порядка. Выходной информацией второго этапа эксперимента являются поля амплитуд колебаний исследуемой конструкции при вибрации на резонансных частотах. Во второй части способа-прототипа к исследуемой конструкции подсоединяют измерительные преобразователи - датчики, измеряют сигналы с датчиков, анализируют колебания и одним из известных методов определяют параметры затухания колебаний исследуемой конструкции. Например, логарифмический декремент находят по частотам экстремумов резонансной кривой действительной части амплитуды (Жаров Е.А., Смыслов В.И. Резонансные испытания модели самолета с использованием специализированного комплекса оборудования. Труды ЦАГИ, выпуск 1335. М.: Издательский отдел ЦАГИ, 1971, с.5).

Недостаток этого способа измерения таких частотных характеристик, как параметры затухания колебаний исследуемой конструкции, в основном заключается в наличии погрешности из-за заметного влияния массогабаритных данных измерительных преобразователей и демпфирующего эффекта от кабельной разводки на результаты измерений параметров затухания, а также трудоемкости проведения таких измерений в условиях высоких температур, агрессивных средах и т.п.

Задачей предложенного изобретения является увеличение точности определения параметров затухания колебаний испытываемых конструкций, сокращение затрат на испытательное оборудование и снижение трудоемкости частотных испытаний.

Техническим результатом является устранение погрешности, обусловленной заметным влиянием массогабаритных данных измерительных преобразователей и демпфирующим эффектом от кабельной разводки на результаты измерений параметров затухания колебаний, а также уменьшение трудоемкости проведения таких измерений в условиях высоких температур, агрессивных средах и т.п.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения частотных характеристик механических конструкций, при котором исследуемую конструкцию закрепляют в интерферометре, формируют опорную и предметную оптические волны, используя голографическую интерферометрию в реальном времени, получают голограмму неподвижной конструкции, проявляют голограмму на месте или точно возвращают в исходное положение, освещают конструкцию и голограмму, возбуждают колебания конструкции, постепенно изменяя частоту внешней силы, производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции, при этом через голограмму ведут наблюдение одновременно распространяющихся за голограммой световой волны от вибрирующей конструкции и восстановленной голограммой световой волны от неподвижной конструкции, результат интерференции этих волн усредняют при регистрации, далее, используя голографическую интерферометрию с усреднением по времени, регистрируют на голографических фотопластинках интерферограммы форм колебаний испытываемой конструкции при вибрации на резонансных частотах, голографические фотопластинки после регистрации подвергают типовой фотообработке, затем восстанавливают интерференционные картины форм колебаний испытываемой конструкции, производят считывание числа и положения интерференционных линий, для каждой интерференционной картины производят расчет полей амплитуд колебаний исследуемой конструкции с использованием таблиц функции Бесселя нулевого порядка, возбуждают исследуемую конструкцию и регистрируют интерферограммы форм колебаний дополнительно на нескольких, достаточных для построения резонансной кривой, околорезонансных частотах, а для конкретной формы колебаний испытываемой конструкции на основе количественного анализа интерференционных картин определяют зависимость амплитуды или деформации от частоты возбуждающей силы, по которой по методу резонансной кривой определяют логарифмический декремент колебаний испытываемой конструкции с использованием формулы:

где ϑ - логарифмический декремент колебаний на частоте f_p;

π - число “пи”;

f₁, f₂ - частоты на уровне соответственно на левой и правой “ветвях” резонансной кривой;

f_p - резонансная частота;

Х₀ - амплитуда колебаний или деформация конструкции на частоте f_p,;

а по логарифмическому декременту колебаний определяют другие параметры затухания колебаний конструкции по формулам:

коэффициент затухания колебаний:

добротность колебательной системы:

показатель затухания колебаний:

На фиг.1 приведена оптическая схема Лейта-Упатниекса с симметричным освещением и наблюдением (около 15°), используемая в качестве базисной в голографических экспериментах по предлагаемому способу измерения частотных характеристик механических конструкций.

На фиг.2 представлена типичная резонансная кривая с иллюстрацией определения частот на уровне

Экспериментальная установка (фиг.1) состоит из следующих элементов:

1 - лазер,

2 - светоделитель (полупрозрачное зеркало),

3, 4, 12 - зеркало,

5, 11 - короткофокусный микрообъектив,

6 - исследуемая конструкция,

7 - пьезоэлектрический силовозбудитель, упертый иглой экспоненциального раструба в край конструкции у заделки,

8 - голографическая фотопластинка в держателе,

9 - предметный пучок, отраженный от конструкции,

10 - опорный пучок.

Сокращения и обозначения на фиг.2:

f_p - резонансная частота,

f₁, f₂ - частота на уровне соответственно на левой и правой “ветви” резонансной кривой,

Х₀ - амплитуда колебаний конструкции на частоте f_p.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемую конструкцию 6 (фиг.1) консольно закрепляют в тисках (жесткая заделка) на лабораторном виброизолированном столе (например, типа интерферометрического стола СИН-1), где монтируют голографический интерферометр в соответствии с классической схемой Лейта-Упатниекса с симметричным освещением и наблюдением (около 15°). При помощи гелий-неонового лазера 1 (например, типа ЛГ-38), светоделителя 2, зеркал 3 и 12, короткофокусного микрообъектива 11 формируют опорный оптический пучок 10, а с использованием зеркала 4, короткофокусного микрообъектива 5, исследуемой конструкции 6 формируют предметный оптический пучок 9. Используя синусоидальный генератор электрических колебаний (например, типа ГЗ-109) и пьезоэлектрический силовозбудитель 7 (например, силовозбудитель с экпоненциальным раструбом типа вибратора Маркса, который своим концом упирается в исследуемую конструкцию непосредственно у заделки), возбуждают резонансные колебания конструкции 6. Короткофокусный микрообъектив 5 поворачивают по оси, перпендикулярной направлению лазерного луча отраженного зеркалом 4, до возникновения “растровых” полос на объекте исследования 6.

На первом этапе производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции 6, для чего используют голографическую интерферометрию в реальном времени. Во-первых, получают голограмму неподвижной конструкции 6 на голографической фотопластинке 8 (например, типа ПФГ-03), проявляют ее на месте (или точно возвращают в исходное положение). Во-вторых, аналогично обычному методу реального времени, освещают конструкцию 6 и голограмму и ведут через голограмму наблюдение вибрирующей конструкции 6. За голограммой распространяются одновременно световая волна от вибрирующей конструкции и восстановленная голограммой световая волна от неподвижной конструкции. Мгновенная результирующая картина - результат интерференции этих волн усредняется при регистрации (при наблюдении экспериментатором). Таким образом, в методе реального времени усредняется результирующая интенсивность. Выходной информацией первого этапа эксперимента являются резонансные частоты колебаний исследуемой конструкции 6, а также предположительная информация о формах колебаний, возбужденных в процессе измерения частот.

Второй этап - метод усреднения по времени. С использованием голографической интерферометрии с усреднением по времени регистрируют на голографических фотопластинках 8 интерферограммы форм колебаний, то есть полей амплитуд, испытываемой конструкции при ее возбуждении на резонансной (одна из частот, определенных на первом этапе эксперимента) и нескольких (не менее 4-х) околорезонансных частотах. Голографические фотопластинки 8 после регистрации подвергают типовой фотообработке и высушивают. После высыхания фотопластинки 8 поочередно помещают в то же место, где производилась регистрация голограмм, и производят восстановление изображения - наблюдают интерферограммы. При необходимости производят фотосъемку интерференционных картин форм колебаний испытываемой конструкции 6 при колебаниях на резонансных частотах. На каждой из зарегистрированных интерферограмм, соответствующих конкретным частотам колебаний испытываемой конструкции 6, при помощи катетометра (например, типа В-630) производят считывание числа и положения интерференционных линий. Для каждой интерференционной картины, то есть каждой частоты, производят расчет полей амплитуд резонансных колебаний исследуемого объекта, с использованием таблиц функции Бесселя нулевого порядка. Для конкретной формы колебаний испытываемой конструкции на основе количественного анализа этих интерференционных картин строят в виде графика зависимость амплитуды Х или деформации ε от частоты f (фиг.2), по которой по методу резонансной кривой определяют логарифмический декремент колебаний испытываемого объекта с использованием формулы (1) (Писаренко Г.С., Матвеев В.В., Яковлев А.П. Методы определения демпфирования колебаний упругих систем. Киев: Наукова думка, 1976, с.26-43). По логарифмическому декременту колебаний определяют другие параметры затухания колебаний конструкции, характеризующие силы трения или сопротивления колебательным движениям, по формулам (2-4) (Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. М.: Наука, 1964, с.26-27, 70-71; а также Иориш Ю.И. Измерение колебаний. М.: Машгиз, 1956, с.85).

С использованием предлагаемого способа проведен ряд экспериментов по определению частотных характеристик (резонансных частот, форм колебаний и параметров затухания колебаний) металлических натурных малогабаритных элементов специальных летательных аппаратов и образца в виде консольного стержня из полимерного материала.

Формула изобретения

Способ измерения частотных характеристик механических конструкций, при котором исследуемую конструкцию закрепляют в интерферометре, формируют опорную и предметную оптические волны, используя голографическую интерферометрию в реальном времени, получают голограмму неподвижной конструкции, проявляют голограмму на месте или точно возвращают в исходное положение, освещают конструкцию и голограмму, возбуждают колебания конструкции, постепенно изменяя частоту внешней силы, производят поиск и регистрацию частот резонансных колебаний исследуемой конструкции, при этом через голограмму ведут наблюдение одновременно распространяющихся за голограммой световой волны от вибрирующей конструкции и восстановленной голограммой световой волны от неподвижной конструкции, результат интерференции этих волн усредняют при регистрации, далее, используя голографическую интерферометрию с усреднением по времени, регистрируют на голографических фотопластинках интерферограммы форм колебаний испытываемой конструкции при вибрации на резонансных частотах, голографические фотопластинки после регистрации подвергают типовой фотообработке, затем восстанавливают интерференционные картины форм колебаний испытываемой конструкции, производят считывание числа и положения интерференционных линий, для каждой интерференционной картины производят расчет полей амплитуд колебаний исследуемой конструкции с использованием таблиц функции Бесселя нулевого порядка, отличающийся тем, что возбуждают исследуемую конструкцию и регистрируют интерферограммы форм колебаний дополнительно на нескольких, достаточных для построения резонансной кривой, околорезонансных частотах, а для конкретной формы колебаний испытываемой конструкции на основе количественного анализа интерференционных картин определяют зависимость амплитуды или деформации от частоты возбуждающей силы, по которой по методу резонансной кривой определяют логарифмический декремент колебаний испытываемой конструкции с использованием формулы

где ϑ - логарифмический декремент колебаний на частоте f_p;

π - число “пи”;

f₁, f₂ - частоты на уровне соответственно на левой и правой “ветвях” резонансной кривой;

f_p - резонансная частота;

X₀ - амплитуда колебаний или деформация конструкции на частоте f_p,

а по логарифмическому декременту колебаний определяют другие параметры затухания колебаний конструкции по формулам

коэффициент затухания колебаний

,

добротность колебательной системы

показатель затухания колебаний

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2