2.10. Методы измерения колебательных процессов в диафрагмах ГГ

Проблемам визуализации и измерения колебательных процессов на поверхности диафрагм уделяется серьезное внимание в технической литературе с момента появления ГГ в массовом производстве, т. е. с 30-х годов. Эта информация является чрезвычайно важной для процесса разработок ГГ, так как позволяет установить экспериментальные и теоретические зависимости между электроакустическими характеристиками ГГ и структурой колебательных процессов в них, а также количественно оценить влияние конструктивных и физико-механических параметров. Кроме того, анализ структуры колебаний на поверхности диффузоров дает возможность диагностировать отклонения в технологических режимах их изготовления. Для этих целей первоначально использовался метод анализа фигур Хладни, получаемых, при насыпании порошка на колеблющуюся поверхность диффузора [6]. Метод позволял установить расположение узловых линий в области сравнительно низких частот. Однако он был пригоден только для диффузоров плоской конфигурации и не позволял количественно оценить амплитуду смещения. В 50-е годы была разработана методика измерения амплитуд и фаз на поверхности диффузоров емкостным методом, которая на протяжении ряда лет использовалась в отечественной практике разработок громкоговорителей. Суть метода состоит в том, что к колеблющейся металлизированной поверхности диффузора подводится щуп, представляющий собой конденсатор с двумя соосными цилиндрическими обкладками. При колебаниях поверхности меняется емкость конденсатора за счет изменения полей рассеяния, что вызывает частотную модуляцию высокочастотного сигнала генератора, включенного в цепь щупа вместе с буферным каскадом. Затем модулированный сигнал усиливается, детектируется, и сигнал низкой частоты, пропорциональный амплитуде колебаний, фиксируется вольтметром. Установка снабжена блоком следящей системы, обеспечивающей постоянство расстояния между щупом и исследуемой поверхностью при перемещении от точки к точке. Этим же методом можно измерять разность фаз между смещением в заданной точке и опорной точке на поверхности. Метод позволяет измерять смещения с амплитудой до 100 мкм на частотах до 5000 Гц. Измерения, таким образом, требуют предварительной металлизации поверхности диффузора и представляют собой чрезвычайно трудоемкий процесс. Общий вид измерительного блока установки показан на рис. 2.26, а. Результаты измерений амплитуд и фаз на поверхности диффузора 160 мм, полученные этим методом, показаны на рис. 2.26, б.

Рис. 2.26. Установка для измерения колебаний емкостным методом (а), измерения амплитуды и фазы смещения вдоль образующей диффузора (б): 1 - станина; 2 - передвижной механизм; 3 - щуп

Начиная с 70-х годов в зарубежной и отечественной практике разработок ГГ для визуализации и измерения вибраций диффузоров стали применяться методы голографической интерферометрии [40, 41]. При голографической записи колеблющегося объекта на светочувствительном носителе, например фотопластинке, регистрируют интерференционную картину, образованную волной, рассеиваемой колеблющимся объектом и когерентной ей опорной волной (проявленная пластинка с зарегистрированной интерференционной картиной называется голограммой). Для восстановления исследуемого изображения на голограмму необходимо направить копию опорной волны. В качестве источника света используется лазер. Оптическая схема регистрации голограмм показана на рис. 2.27. В ряде работ по голографическому анализу вибрации ГГ использовался метод "усреднения во времени", в котором регистрация голограммы происходит со временем экспонирования много большим периода колебаний. Недостатком этого метода, ограничивающим возможности его применения, является снижение яркости интерференционных полос с увеличением амплитуды колебаний. В связи с этим он применялся в основном для анализа ГГ в области высоких частот, где диапазон регистрируемых амплитуд не превышал ±3 мкм. При соответствующем выборе интенсивности опорного пучка и пучка, освещаемого объект, времени экспозиции и характере фотографической обработки голограмм верхний предел измеряемых амплитуд может быть несколько расширен.

Рис. 2.27. Оптическая схема регистрации голограмм

Для исследования эволюции колебаний диффузора с изменением частоты и амплитуды возбуждающего сигнала может быть применен "метод реального времени" [41]. В этом случае голографируется неколеблющийся объект, голограмма обрабатывается и устанавливается в исходное положение. Если теперь голограмма будет освещаться опорной волной и световой волной, рассеянной колеблющимся объектом, то наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, может наблюдать процесс установления колебаний в реальном времени. Этот метод позволяет визуализировать только узловые линии и используется для предварительного выбора резонансных частот диффузора с последующей регистрацией колебаний другим методом.

Дальнейшим развитием явился "стробоголографический метод", позволяющий исследовать распределение амплитуд колебаний по поверхности диффузора при амплитуде до 15 мкм. Суть метода в том, что для записи голограммы используется последовательность коротких лазерных импульсов, синхронизированных с амплитудным положением вибрирующего объекта. При этом производится освещение голограммы импульсами в моменты максимальных смещений. Для изучения фаз колебаний импульсы синхронизируются с двумя любыми моментами в течение периода колебаний.

В [41] предложено использовать стробоголографический метод для выделения отдельных мод при многомодовом характере колебаний, что типично для колебаний диффузоров. Для этого последовательность импульсов должна быть синхронизирована с частотой выделяемой моды. Для расширения диапазона измеряемых амплитуд использовались также методы "модуляции опорного пучка по фазе", "метод двух экспозиций", "метод преобразования частоты" и методы сканирующей голографии [41]. Общим недостатком всех методов голографической интерферометрии является медленный и трудоемкий процесс фотообработки голограмм и восстановленных изображений. С целью значительного убыстрения этого процесса был разработан метод ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferom [42]). Интерференционная картина образуется опорной и отраженной объектом волнами, регистрируется телевизионной камерой, затем обрабатывается с помощью цифровых фильтров, как и в видеотехнике. Восстановленное изображение воспроизводится на экране дисплея. С помощью этого метода можно вести обработку в реальном времени и на экране наблюдать процесс установления колебаний. При этом также применяется метод усреднения во времени, метод стробирования, метод фазовой модуляции. Динамический диапазон измеряемых амплитуд 0,01...10 мкм с площади до 1 м². Дальнейшее совершенствование метода связано с автоматической обработкой и расшифровкой данных на ЭВМ.

Восстановленное с голограммы изображение колеблющегося объекта, называемое интерферограммой, покрыто чередующимися темными и светлыми полосами, соединяющими участки поверхности с равными амплитудами смещения. Расчет амплитуд смещения по интерферограммам, снятым, например, методом усреднения во времени при синусоидальном возбуждении, производится по распределению интенсивности

где I(r) - интенсивность колеблющегося объекта; I₀(r) - интенсивность неподвижного объекта; А(r) - амплитуда смещения точки объекта; r - текущая координата точки объекта; J₀ - функции Бесселя нулевого порядка от аргумента r; θ₁ θ₂ - углы освещения и наблюдения точки объекта; λ - длина волны источника света. На рис. 2.28, а приведены функции Бесселя и значения амплитуд смещения, соответствующие определенным порядкам светлых и темных полос (относительно самой светлой полосы, соответствующей неподвижным участкам поверхности). Таким образом, расчет амплитуды смещения сводится к подсчету порядка интереференционной полосы, проходящей через данную точку, и пересчету в значения амплитуд по рис. 2.28, а. В случае анализа сложных форм колебаний используются численные методы расшифровки голограмм с помощью ЭВМ [41]. В практике разработок отечественных громкоговорителей [40] голографические измерения производились методом усреднения во времени и стробоголографирования (рис. 2.28, б). Измерения проводились на серийно выпускаемой установке УИГ-2М, включающей в себя массивную антивибрационную плиту, Не-Ne-лазер, различные приспособления. В настоящее время для этих же целей выпускаются установки СИН. Учитывая перспективность применения методов голографической интерферометрии для проектирования и контроля ГГ, чрезвычайно актуальной задачей становится разработка и совершенствование методик измерения с целью расширения динамического диапазона измеряемых амплитуд, повышения виброзащищенности, автоматизации обработки результатов и т. д.

Рис. 2.28. Распределения функций Бесселя (а) и рассчитанные значения амплитуд смещения (б)