DE2228502B2 - Anordnung zur Analyse des Schwingungszustandes schwingender Objekte - Google Patents

Description

Die [Erfindung bclriffi eine Anordnung zur Analyse des Schwingungs/ustandes schwin; 'nder. mittels eines Lasers beleuchteter Objekte, wnnei die durch die Schwingung verursachte Veränderung des durch die Streuung und kohärentem Licht an der diffus streuenden Oberfläche des schwingenden Objektes entstehenden Fleckenmusters mittels einer Aufzeichnungseinrichtung erfaßbar ist

Methoden zur Analyse des Schwingungszustandes schwingender Objekte, die auf der Beobachtung der Veränderung des bei der Beleuchtung des schwingenden Objekts mit. kohärentem Licht entstehenden Fleckenmuster (»speckle pattern«) beruhen, haben gegenüber den an sich genaueren holographischen Interferometrie-Verfahren den Vorteil, daß sie in der Regel Echtzeit-Untersuchungen ermöglichen, insbesondere aber in bezug auf den apparativen Aufwand erheblich anspruchsloser sind. Gegenüber dem Chladni-Sandverfahren haben sie den Vorteil, daß sie berührungsfreie Untersuchungen ermöglichen und keine Anforderungen an die Ausbildung Geometrie und Aufstellung des Meßobjekts stellen. Unterschiedliche Methoden zur Erstellung von Speckle-Schwingungsbildern wurden Eliasson-Mottier (JOSA 61 No. 5 (1971) 559-565), Archbold et al. (Nature 222 (April 1969) 263-265), Massey (NASA CR-985 (1968)) und Fernelius-Tome (JOSA 61 No. 5 (1971) 566 - 572) angegeben.

Die bekannten optischen Speckle-Verfahren haben gemeinsam, daß das Bild des schwingenden Objekts in Abhängigkeit davon, ob sich an einem Ort ein Schwingungsbauch, -knoten oder Sattelpunkt befindet, von einem Fleckenmuster hohen oder aber verwaschenen Kontrastes überzogen erscheint.

Das Erkennen des jeweiligen Zustandes des Fleckenmusters — ob scharf und kontrastreich oder verwaschen und konstrastarm — bereitet jedoch oftmals Schwierigkeiten, und insbesondere ungeübte Beobachter können Mühe haben, richtige Ergebnisse zu finden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, diesem Mangel abzuhelfen und zu ermöglichen, daß mittels optischer Speckle-Verfahren gewonnene Bilder auch ohne besondere Erfahrung richtig ausgewertet werden können.

Diese Aufgabe wird mit einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß aufgrund der Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.

Auf diese Weise erscheinen voll entwickelte Fleckenmuster, d. h. Bereiche, in denen das Fleckenmuster scharf und kontrastreich ist. im optischen Chladni Verfahren nach Eliasson-Mottier also die Bereiche der Schwingungsknoten, vorwiegend z. B. dunkel mit schmalen hellen Bündern. Verwaschene bzw. kontrastarme Fleckenmuster, im Eliasson-Mottier-Verfahren also Bereiche von Schwingungsbäuchen, werden hingegen vorwiegend z. B. hell wiedergegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Figuren erläutert. Dabei zeigen

F i g. I eine Anordnung, bei welcher das Chladni-Flekkenmuster nach dem Eliasson-Mottier-Verfahren erzeugt wird,

Fig. 2 die Intensitäts-Wahrscheinlichkeitsverteilung bei Chladni-Fleckenmuifern nach Eliasson-Moiiier für Hereiche hohen und niedrigen Kontrastes,

("ig. 3 ein Diagramm zur Wirkung des nichtlinearen Gliedes, und

1 i g. 4 eine für das Speckle-Verfahren nach Archbold zu verwendende Anordnung.

In Fig. 1 ist ein Laser 6 dargestellt, dessen Lichtstrahl zwecks Ausleiichtiing eines Diffusor* 8 (Mattscheibe. Opalglas) mittels einer Diverenzlinse 7 aufgeweitet

wird. Das schwingende Objekt 9 wird von dem vom Diffusor 8 kommenden Licht beleuchtet und erzeugt in dem Fernseh-Bildaufnahme-Gerät 1 Ober dessen Objektiv 14 ein Fleckenmuster, wie es z. B. in JOSA 61 No. 5 (1971)Seite564 Fig. 10(a)dargestellt ist. s

Das Fleckenmuster weist in Bereichen, die den Knotenlinien des schwingenden Objekts 9 entsprechen. Recken hohen Kontrastes auf, und in Bereichen, die Schwingungsbäuchen des schwingenden Objekts 9 entsprechen, Flecken niederen Kontrastes. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Licht-Intensität p(l) in dem Fleckenmuster ist über /in F i g. 2 dargestellt Dabei ist / der örtliche Intensitätsvrcrt der Helligkeit und / der Intensitätswert der mittleren Helligkeit des Heckenmusters. Kurve a gibt p(I) für einen Bereich hohen. Kurve b für einen Bereich niederen Kontrastes im Fleckenmuster wieder. Wie ersichtlich, ist die Wahrscheinlichkeit, daß Intensitäten auftreten, die erheblich größer oder kleiner sind als /, in Gebieten hohen Kontrastes (Schwingungsknoten) bedeutend größer als in Gebieten niederen Kontrastes (Schwingungsbäuche* In den letzteren Gebieten hat vielmehr der obenerwähnte mittlere Helligkeitswert /die größte Wahrscheinlichkeit des Auftretens.

Die Bildsignale Ub, die von dem Bildaufnahmegerät 1 bei der Abtastung des Fleckenmusters erzeugt werden, werden nun über das nichtlineare Glied 5, einen Fensterdiskriminator, geführt Dessen Fenstermitte ist auf einen Pegel eingestellt, der gleich dem dem mittleren Helligkeitswert / des Fleckenmusters entsprechenden Bildsignalmittelwert ist (vgl. Fig.3). Die Fensterbreite Alist variabel, die Grenzpegel entsprechen Helligkeits-Intensitätswerten h und I₂ des Bildes des Objekts 9 (Fig.3). Ein Bildverarbeitungsgerät mit eingebauten Fensterdiskriminator ist bekannt. Hinter dem nichtlinearen Glied 5 ist das Wiedergabegerät 4 vorgesehen, das zwecks Erzeugung eines Fernsehbildes des Fleckenmusters von dem Bildsignal U_B über die Leitung 2, und von dem Aurfast- und Synchronsignal über die Leitung 3 beaufschlagt wird.

Der Fensterdiskriminator 5 bewirkt, das Bildsignale Ub welche Werten der Lichtintensität unterhalb /, oder oberhalb /, entsprechen, die Ausgangsspannung B (Schwarzpegel) ergeben, und solche, welche Werten zwischen I, und h entsprechen, die Ausgangsspannung A (Weißpegel). Auf diese Weise erscheint ein Bereich hohen Kontrasts im Fleckenmuster (Knoten) vorwiegend dunkel mit schmalen hellen Bändern. Bereiche verwaschenen Kontrast?, (Bauch) hingegen werden vorwiegend hell wiedergegeben. Die erwähnten schmalen hellen Bänder im Dui.kelbereich werden erzeugt durch die Helligkeitswerte im Hochkontrast-Bereich, die zwischen /1 und I₂ liegen. Es ist natürlich ebenfalls möglich den Pegtl A dunkel und den Pegel B hell wiederzugeben. Dadurch werden Knoten vorwiegend dunkel und Bäuche hell wiedergegeben.

Durch die Veränderung der Fensierbreite ΔI zwischen /1 und I₂ des Fensterdiskriminators kann die optimale Empfindlichkeit gegenüber Speckel-Kontrast Veränderungen gefunden werden. Die Grenzen A und I₂ werden ater auf 1/2 und 3//2 eingestellt, wobei der / entsprechende Spannungswerte durch Mittelung des Bildsignals Ub im später noch zu erwähnenden Tiefpaßfilter 10 vor Eintritt in das nichtlineare Glied 5 gewonnen werden kann.

Die strichlierte Gerade in Fig.3 deutet ein lineares Übertragungssystem an, also ein Übertragungssystem ohne das nichtlineare Glied 5. Das die Zeilenhelligkeit des Fernsehbildes des Wiedergabegerätes 4 steuernde Signal wäre dann in üblicher Weise proportional zu der bei der Abtastung jeweils auftretenden Lichtintensität / im Bild des Fleckenmusters.

Um allfällige Variationen der Beleuchtungsstärke auf dem Objekt 9 auszugleichen, kann ein Regelkreis vorgesehen sein, der im wesentlichen aus den in dem Übertragungsweg 2 des Bildsignals angeordneten, in seinem Verstärkungsgrad steuerbaren Verstärker 11 und dem Tiefpaßfilter 10 besteht. Schwankungen der Beleuchtungsstärke, die natürlich gegenüber dem Bildsignal Ub niederfrequenz sind, werden dann über das Tiefpaßfilter 10 dem Steuereingang des Verstärkers 11 zugeführt, der bei steigender mittlerer Beleuchtungsstärke auf dem Objekt 9 eine Schwächung des Bildsignals iiebewirkt.

In F i g. 4 ist noch eine Anordnung zur Erzeugung des Fleckenmusters nach Archbold et al. (Nature οάΟ) und dessen Auswertung dargestellt. Demgemäß wird aus dem Strahl des Lasers 6 mittels zweier Sirahlteiler 12 und 15 ein Referenzstrahl 13 abgespalten, welcher mit dem von dem Objekt 9 gestreuten Licht in der Bildebene des Objektivs 14 des Bildaufnahmegerätes 1 auf der Bildröhre 14 zur Interferenz gebracht wird. Da die nach Archbold erzeugten Fleckenmuster eine ähnliche Verteilung der Intensität p(l) haben wie die nach Eliasson Monier (vgl. J.N. Burch in »Optical Instruments and Techniques 1969«, Oriel Press, New castle 1970, Seite 224), ergibt auch hier das Fernsehbild des (nicht gezeichneten) Wiedergabegerätes ein dunkle Wiedergabe der Stellen hohen Kontrastes (Knoten) und eine helle Wiedergabe der Stellen verwaschenen Kontrastes (Bereiche großer Schwingungsamplitude), wenn (in nicht nochmals gezeichneter Weise) ein Übertragungssystem wie in F i g. 1 an daj Aufnahmegerät 1 angeschlossen wird.

Im Bereich mittlerer Schwingungsamplituden bis ca. 5A(A = Wellenlänge des beleuchtendes Lichts) beobachtet man zu beiden Seiten der Knotenlinie weiter Streifen höheren und niedrigeren Kontrastes, wobei erstere Isoamplitudenlinieri ganzzahligen Vielfachen von A/2 entsprechen. Diese werden ebenfalls durch das Übertragungssystem dunkel hervorgehoben.

Die Erfindung kann nicht nur bei Schwingungsuntersuchungen an großen Maschinen (Turbinen, Motoren, Transformatoren, Fahrzeugen. Flugzeugen etc.) angewendet werden, sondern auch bei kleinen Maschinenteilen und Komponenten, wie sie z. B. in Uhren vorkommen, etwa ^echwingquarzen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Analyse des Schwingungszustandes schwingender, mittels eines Lasers beleuchteter Objekte, wobei die durch die Schwingung verursachte Veränderung des durch die Streuung von kohärentem Licht an der diffus streuenden Oberfläche des schwingenden Objekts entstehenden Fleckenmusters mittels einer Aufzeichnungseinrichtung erfaßbar ist.dadurchgekennzeichnet, daß die Aufzeichnungseinrichtung durch ein Fernseh-Aufnahme-, -Obertragungs- und -Wiedergabe-System (1, 2, 3, 4) gebildet ist, mit welchem das Bildsignal (U_B)über ein nichtlineares Glied (5) derart umformbar ist, daß es für Helligkeitswerte (!) des Fleckenmusters innerhalb eines bestimmten Bereiches (ΔI) beiderseits des mittleren Helligkeitswertes (!) einen ersten (A) und für Helligkeitswerte (!) außerhalb des genannten Bereiches (Ai) einen zweiten Wert (£1} annimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß getrennte Übertragungswege (2,3) für das Bildsignal (Ub) einerseits und das Austast- und Synchronsignal andererseits vorgesehen sind, und in dem Übertragungsweg (2) für <ias Bildsignal (Ub) als nichtlineares Glied (5) ein Fensterdiskriminator vorgesehen ist, dessen Fens'ermitte auf den dem mittleren Helligkeitswert (!) des Fleckenmusters entsprechenden Bildsignalmittelwert eingestellt und dessen Fensterbreite (Δ//veränderbar ist.

3. Anordnung nach Anspruc'i 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzen des Fensterdiskriminators (5) auf Pegel eingestellt sind, di Helligkeitswerten /ι = 112 und /2 = 3//2 entsprechen, wobei / der *5 mittlere Helligkeitswert des Fleckenmusters ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Übertragungsweg (2) für das Bildsignal (Ub) ein in seinem Verstärkungsgrad regelbarer Verstärker (11) vorgesehen ist, ■»<> welcher in seinem Verstärkungsgrad in Abhängigkeit vom Bildsignalmittclwert geregelt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang des Verstärkers (11) und seinem Eingang für die Regelung des Verstärkungsgrades ein Tiefpaßfilter (10) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Laser (6) und dem schwingenden Objekt (9) ein Diffusor (8) angeordnet ist.

7. Anordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende Objekt (9) unmittelbar mit dem Licht des Lasers (6) beleuchtet ist und daß von der Laserstrahlung vor der Sireuung an dem ^ Objekt (9) ein Referenzstrahl (13) abgespalten (12) ist, welcher mit dem von dem Objekt (9) gestreuten Licht in der Bildebene des Objektivs (14) des zum Fernseh-Aufnahme, -Überlragungs- und Wiedergabe-System (f, 2,3,4} gehörenden Bildatifnahmegerä- ^w tcs (I) zur Interferenz komml.