CC BY
62
II университета
'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации
С целью дальнейшего совершенствования конструкции автошвартовного устройства и внедрения его на судоходных шлюзах необходимо выполнить дополнительные проектно-конструкторские проработки (в частности, захват выполнить из двух вакуумных полостей, при этом верхняя часть будет использоваться
для мелкосидящих судов, обе части—для крупнотоннажного флота; увеличить длину рычага, увеличивая тем самым рабочий ход вакуумного захвата) и провести всесторонние натурные испытания при счалке судов двумя бортами, причем не менее чем четырьмя автошвартовными устройствами с каждого борта судна.
Список литературы
1. Баланин В. В., Варламов Н. Н., Семанов Н. А. Судоходные каналы, шлюзы и судоподъемники. — М.: Транспорт, 1970. — 350 с.
2. А. С. 1402639 опубликовано в Б. И. № 22, 1988 г. Шведов В. Л., Баланин В. В., Бутин В. П., Николаев Н. П.
УДК 62+66 А. В. Глушенко,
СПГУВК;
К. П. Моргунов,
канд. техн. наук, доцент, СПГУВК
МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СПЕКТРА ВИБРАЦИЙ ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ПРЯМОГО ФОТОДЕТЕКТИРОВАНИЯ РАССЕЯННОГО КОГЕРЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHODICAL APPROACH TO DEFINITION OF VIBRATION SPECTRUM OF ENGINEERING DESIGNS BY MEANS OF DIRECT PHOTODETECTING THE COHERENT RADIATION SCATTERED ON SURFACE
В работе получен алгоритм определения спектра механических вибраций инженерных конструкций при помощи регистрации динамической спекл-картины, позволяющий реализовать дистанционный метод вибромониторинга. В частном случае спектр флуктуаций рассеянного излучения представляет собой набор дискретных гармоник, отвечающий частотам механических колебаний.
Algorithm of definition of a spectrum of mechanical vibrations of engineering designs by means of registration of the dynamic speckle pattern where obtained. It allows to realize a remote method of vibration diagnostics. In some specific case the spectrum offluctuations of the scattered radiation represents the set of discrete harmonics adequating to frequencies of mechanical vibration.
Ключевые слова: спектр механических вибраций, когерентное излучение, динамическая спекл-карти-на, прямое фотодетектирование, корреляционная функция, спектр флуктуаций излучения.
Key words: a spectrum of mechanical vibrations, coherent radiation, a dynamic speckle pattern, direct photodetecting, correlation function, a spectrum of fluctuations of radiation.
ПРОЦЕССЕ эксплуатации зданий, сооружений, машин и механизмов возникает необходимость оценки их технического состояния и устойчивости к разрушающему воздействию вибраций. Объективная оценка технического состояния и своевременное выявление возможных разрушений в элементах инженерных сооружений, а также элементах конструкций машин и механизмов необходимы для обеспечения их безаварийной эксплуатации и предотвращения техногенных катастроф. В процессе вибромониторинга основной задачей является измерение эксплуатационных уровней вибраций и оценка их соответствия допустимым нормам. Особенно актуально в связи с этим развитие дистанционных способов вибромониторинга, разработка физических принципов и методического обеспечения, а также алгоритмов обработки и анализа данных, обеспечивающих получение необходимой измерительной информации неконтактным способом. В литературе [1-4] имеется рад сообщений о разработках в области лазерной виброметрии, являющейся инновационной технологией. В отличие от датчиков пьезоэлектрического типа, виброметры, использующие лазерную технологию для измерения виброскоростей и виброперемещений, — это неконтактные приборы, они не воздействуют механически на исследуемую поверхность, не подвержены влиянию таких факторов окружающей среды, как температура и давление. Эти приборы позволяют проводить оперативные измерения в трудно-
доступных участках сооружений, машин и механизмов, невзирая на сложности конструкций, температуру объекта, его радиационное или химическое загрязнение. Такие приборы применимы также для обследования легких и миниатюрных конструкций. В упомянутой литературе рассматриваются виброметры, построенные на использовании доплеровского эффекта и являющиеся, по сути, лазерными интерферометрами. Эти приборы достаточно сложны в настройке, требуют высокой когерентности источников, имеют высокую стоимость и сравнительно небольшую дальность (~ 3 м), что ограничивает условия их приме не -ния в основном лабораторными условиями.
Однако известен и другой принцип действия лазерного виброметра. В работах [5; 6] сообщается о способе, позволяющем оценивать параметры механических вибраций, основанном на регистрации рассеянного на исследуемой поверхности когерентного излучения в режиме прямого фотодетектирования. В этом случае требования к когерентности источника излучения снижаются. Становится возможным использование в качестве источника излучения компактных лазерных диодов, что позволяет значительно уменьшить габариты оптической головки.
Преимущества метода спекл-интерфе-рометрии (рис. 1) по сравнению с доплеров-скими методами следующие: более широкий диапазон измеряемых вибраций (от долей герца до килогерцового диапазона); компактная оптическая схема; низкая себестоимость.
ОПТИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА
о X 3
Рис. 1. Схема регистрации динамической спекл-картины
<ч ж
В работах [5; 6] теоретически и экспериментально показана возможность определения амплитуды и частоты колебания исследуемой поверхности при помощи регистрации динамической спекл-картины. В настоящей работе сообщается о специально разработанном алгоритме цифровой обработки сигнала, позволяющем определять спектр механических колебаний в случае, когда исследуемая поверхность совершает сложные колебания.
При рассеянии когерентного (лазерного) излучения на движущейся диффузной поверхности возникает случайная дифракционная картина — случайное пространственно-временное поле интенсивности 1(х, ¿). Статистическое описание этого поля в рамках корреляционной теории может быть выполнено при помощи пространственно-временной функции корреляции С:(г, т). Существует возможность получения информации о движении рассеивающего объекта по спектральным характеристикам рассеянного излучения.
Частотный спектр флуктуаций интенсивности G((д) может быть найден с помощью Фурье-преобразования временной функции корреляции С(т) = С(0, т).
Для временной функции корреляции интенсивности рассеянного излучения при поперечных колебаниях рассеивателя справедливо следующее соотношение [4]:
С, (Ь, *2)= ехр [- (Р1+ р2) - а У)2] . (1)
Здесь а(0 — закон, по которому колеблется плоская поверхность, в1 и в2 — параметры, зависящие от схемы наблюдения. В случае, когда фотоприемник установлен в плоскости изображения однолинзовой изображающей системы:
\2
Р1=4
9
1+—
Р2 =
^ 1щ ^
т
(2)
где объектив с радиусом q0 аппроксимируется «мягкой» гауссовой диафрагмой с радиусом
1 д0 , по уровню е пропускания q = —¡=, /, — расстояние от рассеивателя до плоскости входно-
„ , 2я
го зрачка оптической системы, — вол-
X
новое число, р — радиус кривизны волнового фронта.
При освещении когерентным пучком рассеивателя, совершающего механические колебания, формируется нестационарная во времени спекл-картина, несущая информацию о параметрах колебаний. Извлечение этой информации сопряжено с определенными трудностями, связанными с нестационарным во времени характером флуктуаций. Именно поэтому функция корреляции интенсивности в (1) зависит от моментов времени и I а не от их разности т = - ¿2.
Спектр мощности флуктуаций интенсивности рассеянного излучения можно получить, используя обобщенную теорему Вине-ра-Хинчина для нестационарного случайного процесса [7]:
. (3)
(2я)
Положим, что механическое движение тела осуществляется на некоторых частотах Ц, Ц, ..., О , так что
1 2' ' и
(4)
п
где Нп — амплитуда п-го колебания, фп — фаза п-го колебания.
Рассмотрим случай, когда амплитуды к до-
I |2 П
статочно малы, так что \i\hJ «1, где в = в1 + в2.
Раскладывая (1) в ряд и сохраняя только
I I2
линейные по члены, можно полу-
чить для корреляционной функции:
. (5)
п
Для амплитуды к-й гармоники спектра мощности флуктуаций интенсивности излучения можно записать
К-
( 2 Г/2 Г/2
,
г/2 -та
2 я
где , к = 0, 1, 2.
Т
После выполнения интегрирования получаем
ъ =4-41 ßÄ2
sin ^sin я Q
4я £2 /ю
nl 0
/
b =2Ъ№
к n
sinn
ß
^-k
сÙ
V о у
\ / sin 7t
Q
\
+ -
Q
Ü)
V о у
^--ÄT
CD
Q
— + к
со
(6)
В частном случае, когда механическое колебание происходит на частотах, кратных Ц, то есть О.« = «Ц, амплитуды (6) можно за-
писать следующим образом: Ь0=4-2Ъ№2п, Ьк=1$к2к. (7)
Соотношение (7) показывает, что спектр флуктуаций рассеянного излучения представляет собой набор дискретных гармоник, отвечающий частотам механических колебаний. Если апертура приемника достаточно мала, так что не происходит усреднение спекл-картины по апертуре, то спектр электрического сигнала в цепи фотоприемника повторяет спектр флуктуаций рассеянного излучения.
Список литературы
1. Застрогин Ю. Ф. Контроль параметров движения с использованием лазеров. — М.: Машиностроение, 1981. — 176 с.
2. Гречихин В. А., РинкевичюсБ. С. Цифровые методы обработки сигналов в лазерной анемометрии и виброметрии // Автометрия / РАН, Сибирское отд-ние. — 1999. — Т. 36, № 1.— С. 59.
3. Гончаренко А. М., Васильев В. А., Жмудь В. А. Метод повышения чувствительности лазерных виброметров // Автометрия / РАН, Сибирское отд-ние. — Т. 39, № 2. — С. 43.
4. Детектирование приращения текущей фазы в лазерном измерителе малых вибраций на больших базовых расстояния / В. А. Васильев [и др.] // Электроника и радиотехника. — 2002. — № 4. — С. 97.
5. Веселов Л. М., Попов И. А. Определение амплитуды и частоты колебаний тела путем измерения спектра рассеянного когерентного излучения // Оптика и спектроскопия. — 1991. — Т. 70, вып. 5. — С. 1136.
6. Veselov L.M., Popov I.A. Use of a speckle method for vibration analysis // Proc SPIE. — 1994. — Vol. 2342. — Р. 273.
7. Перина Я. Когерентность света. — М.: Мир, 1974. — 358 с.
УДК 624.04 В. М. Кириллов,
д-р техн. наук, СПГУВК
ТЕОРИЯ ПРОЧНОСТИ ГРУНТА: АНАЛИЗ И РАЗВИТИЕ
00 у
о
THE THEORY OF SOIL STRENGTHS: ANALYSIS AND DEVELOPMENT 3
Показана идентичность условия прочности Кулона-Мора для плоских и пространственных задач. Identify of Coulomb-Mohr strength condition is shown for plane and spatial problems.
Ключевые слова: прочность грунта, условие Кулона-Мора, параметр Лоде. Key words: soil strength, condition of Coulomb-Mohr, parameter of Lode.
