Во многих технических устройствах наблюдаются вибрации и колебания. Это характерно для станков, автомобилей, систем с горением. Такие возмущения крайне нежелательны, даже если не принимать во внимание генерируемый при этом шум. Системы с горением часто генерируют низкочастотные акустические пульсации большой амплитуды, которые не только неприятны, но порой становятся такими интенсивными, что могут вызвать повреждение камеры сгорания и (или) связанного с ней оборудования. Хотя резонансные явления, возникающие в многих типах систем с горением (топки, циклоны и т. п.), могут быть устранены различными методами, это может потребовать применения очень дорогостоящего метода проб и ошибок.
Пока невозможно в полной мере на основе теории и при начальной конструктивной проработке предотвратить возникновение резонансных колебаний. Причины неопределенности связаны с наличием различных комбинаций условий, приводящих к возникновению колебаний. Для многих типов возникающих колебаний точный механизм возбуждения все еще не известен. Математический поэлементный анализ системы труден и может дать только возможное объяснение механизма возбуждения. Поэтому обычно явления неустойчивости при горении в бойлерах, топках и камерах сгорания рассматриваются как отдельные вопросы.
Обычный метод исследования вибрации в объекте состоит в использовании датчиков давления или конденсаторных микрофонов вместе с частотным анализатором. К сожалению, эти традиционные методы имеют много недостатков, таких, как большая трудоемкость, дороговизна, ограниченное пространственное разрешение, и при их использовании могут измениться амплитудно-частотные характеристики пульсаций в объекте Хотя пространственное распределение вибрации на объекте может быть определено выборочной установкой датчиков на поверхности объекта, оно может измениться вследствие физического присутствия датчиков, особенно в высокотемпературной среде, где требуется водяное охлаждение датчиков. Если размеры исследуемого объекта велики, вышеупомянутый метод может быть очень трудоемким и дорогим. В то же время измерения плоской вибрации, смещений, вращений и деформации могут быть выполнены относительно легко спекл-методом рассеянного лазерного света. Этот метод может быть также использован в случае неплоской вибрации и колебаний. Главные преимущества этого метода — простота, дешевизна и относительная легкость представления и интерпретации результатов. В отличие от голографической интерферометрии требования спекл-метода к механической устойчивости не такие жесткие. Другое преимущество спекл-метода состоит в том, что его результаты можно наблюдать в реальном времени. При использовании этого метода можно непосредственно наблюдать, например, поведение вибрирующей панели, идентифицировать резонансные узловые точки и их расположение без записи и обработки большого объема данных.
Простота спекл-метода определяет его многочисленные применения, например при исследовании автомобилей, самолетов, камер сгорания, бойлеров и топок. Другой пример его применения — исследование деформаций в стыках элементов из сборного предварительно напряженного бетона. Эти элементы в виде больших панелей, перекрытий и несущих стен широко используются в строительстве. Сборка этих элементов с образованием стыков при создании конструкций играет важную роль в жесткости структуры. Измерение смещений обычными методами не позволяет получить достаточную информацию об общем поведении стыков. И лишь спекл-метод дает удовлетворительные результаты. При освещении рассеивающего объекта импульсным лазером можно получить пространственное распределение скорости в этом объекте.
Спекл-метод является методом, позволяющим выполнять тонкие измерения а) происходящих в плоскости смещений, вращений, вибрации и деформации и б) неплоского вращения. Для измерения в плоскости вибрации объекта выполняется фотографирование объекта с двойной экспозицией при освещении рассеянным лазерным светом до и после деформации. Малые смещения объекта образуют совокупность пятен (спеклов), и по относительному смещению пятен в двух экспозициях можно определить малые смешения объекта. В случае непрерывной вибрации объекта будет наблюдаться стационарная (или движущаяся) картина распределения пятен. Картина распределения пятен будет стационарной в том случае, когда частота вибрации объекта не будет меняться во времени. Для измерения неплоского вращения надо лишь незначительно изменить систему регистрации Вместо фотографирования пятнистой картины в плоскости изображения пленка смещается в заднюю фокальную плоскость объектива таким образом, чтобы пятна наблюдались в этой плоскости. Характерный размер картины случайного распределения пятен будет одинаковым при плоском и неплоском вращении (или вибрации) объекта. Пятно в плоскости пленки не связано со светом, рассеянным в окрестности соответствующей точки поверхности объекта. Вместо этого каждое пятно образуется всем светом, рассеянным в этом направлении. Если объект вращается в своей собственной плоскости, то картина распределения пятен будет оставаться стационарной; однако если объект повернется на малый угол, то картина распределения пятен в задней фокальной плоскости будет смешаться.
Для измерения вибрации поверхности объекта на голографической пленке записывается картина распределения пятен, которая затем может непосредственно изучаться под микроскопом. При регистрации спекл-структуры важно, чтобы камера фокусировалась не на вибрирующем объекте, а на некотором расстоянии перед ним. Причина этого в том, что интерференция рассеянного света происходит перед объектом. Измерение плоской вибрации может быть выполнено по осредненной по времени спекл-структуре. При продолжительной экспозиции запишется картина, состоящая из образованных пятнами полос (стреков) длиной 2ML, где М — увеличение системы. Большую часть периода вибрации пятна находятся вблизи двух концов стреков, поэтому полосы, наблюдаемые в задней фокальной плоскости, будут аналогичны наблюдаемым полосам при смещении объекта на 2L. Форма полос, модулирующих спекл- структуру в задней фокальной плоскости, может быть описана выражением
где J0 — функция Бесселя нулевого порядка, λ0 — длина волны лазерного света, f — фокусное расстояние передающей линзы, х — координата, параллельная направлению движения.
Спекл-структура может быть легко интерпретирована качественно, если провести контурные линии под прямыми углами к стрекам. Для извлечения информации об амплитуде вибрации и о векторе полос можно использовать различные методы, простейший из них состоит в освещении записанной спекл-структуры расширенным лучем лазерного излучения и в наблюдении структуры полос. Лазерный луч дифрагирует на спекл-структуре, и образуется расходящийся конус с углом а, определяемым выражением а ~ D/f, где f и D — параметры объектива, используемого для регистрации спекл-фотографии. Если малая освещенная область содержит пару идентичных пятен, смещенных на некоторое расстояние, то свет в получающейся паре дифракционных конусов будет интерферировать, в результате чего получится дифракционная картина, модулированная полосами Юнга. Этот метод позволяет за один раз просмотреть одну область спекл-фотографии. По расстоянию между полосами d можно получить величину вибрации L из выражения
где М — увеличение системы записи спекл-структуры, а расстояние d между полосами равно
где I — смещение пятен. При этом амплитуда вибрации равна L = 0,76(l/M).
Другой метод анализа спекл-фотографий состоит в анализе всего поля. В этой системе вся спекл-фотография освещается сходящимся сферическим лазерным лучом, и в задней фокальной плоскости первого объектива помещается маленькая круговая апертура. Простая оптическая схема для получения изображения и для пространственного фильтрования может быть создана на базе обычной 35-мм камеры. Расстояние от передающего объектива до камеры устанавливается таким, чтобы недифрагирующий лазерный луч фокусировался на апертуре камеры, а объектив камеры фокусировался па спекл-фотографии.
