Научная статья на тему 'Методический подход к определению спектра вибраций инженерных конструкций с помощью прямого фотодетектирования рассеянного когерентного излучения'

Методический подход к определению спектра вибраций инженерных конструкций с помощью прямого фотодетектирования рассеянного когерентного излучения Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
332
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СПЕКТР МЕХАНИЧЕСКИХ ВИБРАЦИЙ / КОГЕРЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ / ДИНАМИЧЕСКАЯ СПЕКЛ-КАРТИНА / ПРЯМОЕ ФОТОДЕТЕКТИРОВАНИЕ / КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ФУНКЦИЯ / СПЕКТР ФЛУКТУАЦИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ / A SPECTRUM OF MECHANICAL VIBRATIONS / COHERENT RADIATION / A DYNAMIC SPECKLE PATTERN / DIRECT PHOTODETECTING / CORRELATION FUNCTION / A SPECTRUM OF FLUCTUATIONS OF RADIATION

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Глущенко Александр Владимирович, Моргунов Константин Петрович

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

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 of fluctuations of the scattered radiation represents the set of discrete harmonics adequating to frequencies of mechanical vibration.

Текст научной работы на тему «Методический подход к определению спектра вибраций инженерных конструкций с помощью прямого фотодетектирования рассеянного когерентного излучения»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора 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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.