Vergleich von drei voll

Dec 31, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 3261 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Digitale Bildkorrelation, Deflektometrie und digitale Holographie sind einige der optischen Vollfeldmesstechniken, die in den letzten Jahren ausgereift sind. Ihre Verwendung in vibroakustischen Anwendungen gewinnt an Aufmerksamkeit und es besteht die Notwendigkeit, ihre Leistung zu katalogisieren, um einer breiten Benutzergemeinschaft und potenziellen zukünftigen Benutzern quantitative und qualitative Bewertungen dieser drei Ansätze bereitzustellen. In diesem Artikel wird ein experimenteller Vergleich der drei optischen Methoden im Zusammenhang mit Vibrationsmessungen sowie klassische Referenzmessungen mit einem Beschleunigungsmesser und einem Laser-Doppler-Vibrometer vorgestellt. Die Studie wird an zwei mechanischen Strukturen durchgeführt, die bei einem Aufprall unterschiedliche Vibrationsreaktionen zeigen.

In vielen Bereichen wie dem Boden-, See- oder Lufttransport stehen Strukturschwingungen in engem Zusammenhang mit mechanischer Zuverlässigkeit und Lärmquellen. Schwingungen können durch verschiedene Anregungsarten erzeugt werden: mechanisch, akustisch, aerodynamisch, magnetisch usw. Das Verständnis von Schwingungsphänomenen erfolgt im Allgemeinen über die Analyse betrieblicher Schwingungsreaktionen, die dem aus den Anregungen resultierenden Schwingungsfeld im praktischen Kontext entsprechen . Die Betriebsschwingungsreaktionen sind nützlich, um Schwingungsübertragungspfade zu bestimmen, eine Modalanalyse der Struktur durchzuführen, Anregungsquellen zu identifizieren oder abgestrahlten Lärm vorherzusagen. Daher ist das Schwingungsfeld die grundlegende Eingangsgröße für solche Anwendungen. Bei Schwingungs- und Strukturakustikanwendungen liegen die interessierenden Schwingungswellenlängen im Allgemeinen im Zentimeter- bis Meterbereich. Eine Vollfeld-Vibrationsmessung einer Oberfläche erfordert typischerweise 6 bis 10 Punkte pro Wellenlänge, um eine angemessene räumliche Abtastung sicherzustellen, und kann daher eine sehr große Anzahl von Datenpunkten bei großen Strukturen erfordern. Aus experimenteller Sicht können mehrere mehr oder weniger ausgefeilte Ansätze Schwingungsfelder liefern.

Der Beschleunigungsmesser ist aufgrund seiner Robustheit, Empfindlichkeit, großen Bandbreite und seines hohen Dynamikbereichs sicherlich der am häufigsten verwendete Sensor für Vibrationsmessungen in der akademischen und industriellen Welt. Es liefert jedoch nur punktuelle Messungen des Schwingungsfeldes an der Stelle, an der es an der Struktur befestigt ist. Um eine Sammlung von Vibrationsdatenpunkten zu erhalten, ist es daher notwendig, die Messung durch Bewegen des Sensors zu wiederholen oder die Anzahl der Sensoren zu erhöhen und gleichzeitig die Gesamtkomplexität des Aufbaus zu erhöhen. Darüber hinaus kann das Verhalten der Struktur durch die zusätzliche Masse des Beschleunigungsmessers und die zusätzliche Dämpfung durch das angeschlossene Kabel lokal verändert werden. In den meisten Anwendungen wird die Masse des Beschleunigungsmessers so gewählt, dass die Struktur einer ausreichend kleinen Störung ausgesetzt ist. Dennoch sind Beschleunigungsmesser immer störend, insbesondere bei Leichtbaukonstruktionen.

Die erheblichen Fortschritte in der Lasertechnologie und -instrumentierung haben zur Entwicklung berührungsloser Messungen mit der Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) geführt. Das Grundprinzip ist die Dopplerfrequenzverschiebung der reflektierten Laserfrequenz aufgrund der Bewegung der gemessenen Oberfläche. Das Laser-Doppler-Vibrometer liefert daher Geschwindigkeitsmessungen entlang der Strahlrichtung1,2,3,4. Das Hauptinteresse des Laservibrometers besteht darin, das Schwingungsfeld berührungslos und ohne Eingriff in die Oberfläche der Struktur zu messen. Darüber hinaus bietet die Entwicklung des Rasterlaser-Doppler-Vibrometers die Möglichkeit, eine Sammlung von Datenpunkten auf der untersuchten Oberfläche zu erhalten5,6,7,8. In diesem Zusammenhang wurde in früheren Arbeiten über das Scannen von 256 Punkten entlang einer Linie mit bis zu 80 kHz5,6, die Verwendung holographischer optischer Elemente in Verbindung mit einem CMOS-Sensor (Vibration gemessen bis zu 100 kHz7) und die Verwendung von Frequenzmultiplexen (20 Punkte) berichtet mit \(5 \times 4\) Strahlen8) oder die Verwendung von drei akusto-optischen Geräten und einem einzelnen Hochgeschwindigkeits-Fotodetektor (\(5 \times 4\) Strahlen mit einer Rate von 500 Msamples/s9). Obwohl diese Ansätze eine Reihe unabhängiger Messungen an mehreren Punkten der Oberfläche liefern, bleibt die Anzahl gleichzeitiger Messungen begrenzt. Um die Schwingungsantwort an vielen Punkten zu erfassen, erfordert die Laser-Doppler-Vibrometrie eine Wiederholung der Messung und daher den Einsatz kontrollierter und wiederholbarer Anregungsquellen. In den letzten Jahren gab es verschiedene Entwicklungen, wie etwa die 3D-Erweiterung des Scanning-Laser-Doppler-Vibrometers zur Messung aller drei Komponenten des Schwingungsfeldes, mit möglicher Kopplung mit einem Roboterarm10. Solche Werkzeuge sind für die Schwingungsanalyse komplexer Strukturen sehr leistungsfähig, aber sie sind kostspielig.

Die gleichzeitige Erfassung einer großen Anzahl von Datenpunkten an der Oberfläche dynamischer Strukturen kann durch andere bestehende Ansätze basierend auf optischer Bildgebung erreicht werden. Aufgrund dieser Vollfeld-Datenaufzeichnung ist die Erfassungszeit unabhängig von der Anzahl der Messpunkte, sodass dichte räumliche Messungen in einem Bruchteil der Zeit durchgeführt werden können, die für ein klassisches Scanning-Vibrometer erforderlich ist.

Stereo-Digitalbildkorrelation11,12,13 ermöglicht Messungen über große Strukturen für Bewegungen oder Verformungen mit hoher Amplitude. Es ist nicht intrusiv, vollflächig und auf eine Vielzahl von Geometrien anwendbar. Im Rahmen von Schwingungsmessungen wurden 3D-Vision-Methoden mit Hochgeschwindigkeitskameras auf Basis der Konzepte der dynamischen Photogrammetrie zur Messung von Strukturschwingungen adaptiert14,15,16. Da Hochgeschwindigkeitskameras teuer sind und eine genaue Synchronisierung erfordern, wurde das unkonventionelle Einzelkamera-Pseudo-Stereosystem vorgeschlagen, bei dem der Kamerasensor in zwei Hälften geteilt wird und so zwei virtuelle Kameras entstehen. Die mit diesem Pseudo-Stereo-Aufbau und einer einzelnen Hochgeschwindigkeitskamera gekoppelte Methode der digitalen Bildkorrelation (DIC) wurde kürzlich verwendet, um die Vibrationen einer Platte im Vergleich zu einer Referenztechnik zu messen15. Da diese Methode auf Intensitätsänderungen in Bildern basiert, ist die Empfindlichkeit geringer als bei der Laser-Doppler-Vibrometrie. Andererseits können gezielt niederfrequente und hohe Amplitudenverschiebungen angesteuert werden. Bei Vibrationsmessungen hat die digitale Bildkorrelation in Verbindung mit einer einzelnen Hochgeschwindigkeitskamera und speziellen Triangulationsmethoden aufschlussreiche Ergebnisse für transiente Signale geliefert16.

In den späten 1900er Jahren kam es parallel zur Entwicklung der Deflektometrietechnik sowohl in der 3D-Formmesstechnik17 als auch in der Festkörpermechanik18. Letzteres führte zu Anwendungen der Deflektometrie bei der Materialidentifizierung19,20 und der Schadenserkennung21,22 anhand von Vollfeldmessungen. Die Deflektometrie ermöglicht eine direkte Messung von Oberflächenneigungen. Auslenkungen und Krümmungen, die für Berechnungen bei Biegewellenschwingungen häufig benötigt werden, können durch eine einzige räumliche Integration bzw. Differenzierung der gemessenen Steigungsfelder erhalten werden. Durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras können sowohl stationäre als auch transiente Anregungsfälle analysiert werden23,24,25. In26 wurden Vollfeld-Deflektometriemessungen an einer Metallplatte verwendet, um stationäre Punktlasten und Aufprallkräfte zu identifizieren. In ähnlicher Weise wurden akustische und aerodynamische Druckverteilungen auf flachen Platten aus Deflektometriedaten rekonstruiert27,28. Beachten Sie, dass die Verwendung der Deflektometrie eine flache und spiegelnd reflektierende Probenoberfläche erfordert, was einer spiegelähnlichen Oberfläche im sichtbaren Spektrum entspricht. Neuere Arbeiten29,30 zeigen, dass der Einsatz von Infrarotlichtquellen und Hochgeschwindigkeits-Infrarotkameras diese Einschränkung überwinden kann.

Mit kohärenter Bildgebung kann auch eine Vollfeldbewertung der Oberflächenverformung, -form und -vibration erzielt werden. Es erfordert expandierte kohärente Laserstrahlen, um durch Mischung mit einem kontrollierten Laserstrahl (dem sogenannten Referenzstrahl) Interferenzen zu erzeugen. Der kohärente Bildgebungsansatz liefert eine hohe Dichte an Datenpunkten und umfasst eine Vielzahl von Techniken wie Shearographie, Speckle-Interferometrie und digitale Holographie31,32. Quantitative Methoden zur Schwingungserkennung wurden mit stroboskopischer Beleuchtung33,34,35,36,37 und dem Laserpulsregime38,39,40,41,42,43 entwickelt. Als Beispiele wurden diese Ansätze auf die Vibration von Mikromembranen37, die Modalanalyse40,41, die Bestimmung der Strukturintensität41, die Beobachtung akustischer Wellen40,41,42, die hohen Amplituden der Eigenschwingungen eines Klarinettenrohrs35 und auch auf Stöße43 angewendet. Obwohl quantitative Daten bereitgestellt werden können, erfordert der Aufzeichnungsprozess komplexe Vorgänge wie Phasenverschiebung und Laserimpulsauslösung. In jüngerer Zeit ermöglichte der Einsatz von Hochgeschwindigkeitssensoren die Erfassung holographischer Daten der zeitlichen Entwicklung der untersuchten Phänomene42,44,45,46,47,48,49,50. Der Vorteil besteht darin, dass der optische Aufbau erheblich vereinfacht wird, da kein gepulster Laser, Doppelpulslaser oder die Erzeugung von Strobe-Lichtimpulsen erforderlich ist.

Diese drei optischen Vollfeld-Messtechniken, DIC, Deflektometrie und digitale Holographie, erfreuen sich in der akademischen Forschung immer größerer Beliebtheit und werden in naher Zukunft wahrscheinlich einen starken Einfluss auf die Branche haben, auch wenn LDV vorerst das wichtigste Werkzeug für kontaktlose Messungen bleibt Vibrationsmessungen. Da die drei Methoden jedoch immer ausgereifter werden, besteht ein wachsender Bedarf, sie im Hinblick auf Leistung und einfache Einrichtung zu katalogisieren. Daher zielt dieser Artikel darauf ab, einer breiten Benutzergemeinschaft und potenziellen zukünftigen Benutzern qualitative und quantitative Bewertungen der drei Methoden im Vergleich zum klassischen Beschleunigungsmesser und Laser-Doppler-Vibrometer bereitzustellen.

Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) ist eine weit verbreitete Technik, die die berührungslose Messung von Schwingungen ermöglicht1,2,3,4,5,6,7,8 und hat ihren Ursprung in Messungen der Flüssigkeitsgeschwindigkeit, die bereits in den 1960er Jahren durchgeführt wurden51 . Die meisten im Handel erhältlichen Systeme verwenden einen einzelnen Strahl einer Laserquelle mit geringer Leistung. Die Technik basiert auf der kohärenten Erkennung der Doppler-Frequenzverschiebung, die auftritt, wenn das Laserlicht an einer vibrierenden Oberfläche gestreut wird. Abbildung 1a zeigt ein Bild des Laservibrometer-Messaufbaus auf einem optischen Tisch, mit dem Laservibrometer und der untersuchten Struktur im Vordergrund. Das übliche Prinzip der Laservibrometrie ist in Abb. 1b dargestellt. Die Oberflächenvibrationsgeschwindigkeit an jedem Messpunkt wird direkt ermittelt und kann weiter als Funktion der Frequenz integriert oder differenziert werden, um die Verschiebung bzw. Beschleunigung zu berechnen. Mithilfe mehrerer räumlich verteilter Messpunkte können Schwingungskarten erstellt werden. Die Doppler-Frequenzverschiebung ist direkt proportional zur Oberflächengeschwindigkeit und ermöglicht eine berührungslose Messung der Schwinggeschwindigkeit. Zwei Übersichtsartikel zu dieser Technik finden sich in51,52.

(a) Foto des für die Messungen verwendeten Laservibrometrie-Aufbaus, (b) Diagramm des typischen Laservibrometrie-Prinzips und der Verarbeitungskette.

Abgesehen von sehr spezifischen Problemen im Zusammenhang mit der Empfindlichkeit gegenüber externen Vibrationen oder Umgebungsvibrationen53, die bei verschiedenen Messtechniken auftreten, hat sich diese Methode als zuverlässig erwiesen und bietet eine hohe Empfindlichkeit mit einem großen Dynamikbereich. Der klassische Punktscanvorgang eignet sich zur Untersuchung stationärer oder phasenbezogener Anregungen, doch viele reale Fälle und Verfahren wie Schlagprüfungen beinhalten instationäre Schwingungsfelder. LDV hat sich daher seit seiner Erfindung erheblich weiterentwickelt, um diese spezifischen Probleme anzugehen54, von Mehrpunktansätzen55 bis hin zu kontinuierlich scannenden LDV56. Die in den 1990er Jahren eingeführte kontinuierliche Scantechnik modifizierte das traditionelle LDV-Paradigma, bei dem die Anzahl der Messpunkte die räumliche Auflösung der Messkarte definiert. Ein Schritt-Scan-Ansatz wird jetzt durch einen kontinuierlichen Scan-Ansatz ersetzt (ein Satz von Festpunktmessungen wird durch eine kontinuierlich ablaufende Flugbahn ersetzt, die denselben Oberflächenbereich abdeckt). Abgesehen von 3D-LDV, das normalerweise auf der Kombination von drei LDV-Köpfen beruht, hat sich schließlich die Verwendung eines Roboterarms mit einem einzelnen LDV kürzlich als effizienter Ansatz für die Durchführung von 3D-Vollfeldmessungen erwiesen57. In dieser Arbeit dient LDV zusammen mit einem Beschleunigungsmesser als Referenzmethode, mit der die drei vollfeldoptischen Messmethoden verglichen werden.

Die digitale Holographie ist eine allgemeine Methode für Bildgebung und Messtechnik32,58,59,60 und wird für viele Anwendungen wie Mikroskopie, 3D-Tomographie, Oberflächentopographie und -rauheit oder Messung von Oberflächenverformungen verwendet. Durch die Verwendung eines Hochgeschwindigkeitskamerasensors für dynamische Messungen kann die digitale Holographie Informationen über die momentane Vibrationsverschiebung jeder Struktur liefern36,37,38,39,49. Jüngste Anwendungen50,61 haben gezeigt, dass holographische Vibrationsmessungen hohe räumliche und zeitliche Auflösungen erreichen können.

(a) Foto der holographischen Anordnung, (b) Grundschema für die digitale Fresnel-Holographie; Die vom Objekt gebeugte Welle breitet sich im freien Raum zum Sensorbereich aus und die Referenzwelle trifft direkt auf die Pixelmatrix, (c) Diagramm der holographischen Bildverarbeitung.

Abbildung 2a zeigt ein Foto des holographischen Messaufbaus auf seinem optischen Tisch, mit der Hochgeschwindigkeitskamera, den optischen Komponenten und der interessierenden Struktur im Hintergrund. Die digitale Holographie basiert auf der kohärenten Mischung zweier Wellen. Die erste Welle ist ein Referenzlaserstrahl und die zweite Welle stammt von der Beugung des Laserstrahls an der Zielstruktur, siehe Abb. 2b. Abbildung 2c zeigt ein Diagramm der holographischen Bildverarbeitung. Die globale Beleuchtung auf der Sensorebene wird ausgedrückt als:

In Gl. (1) ist \(\mathscr {H}\) das aufgezeichnete Hologramm, das aus der Interferenz der Referenzwelle \(\mathscr {R}\) und der Objektwelle \(\mathscr {O}\) resultiert. Das rekonstruierte Bild \(\mathscr {I}\) wird mit der in Gl. definierten diskreten Fresnel-Transformation62 berechnet. (2) (FFT bedeutet schnelle Fourier-Transformation).

mit \(h_F\) der Fresnel-Kernel, definiert in der Objektebene (x, y), gegeben durch Gl. (3).

In Gl. (3), \(\lambda _0\) ist die Wellenlänge des Lasers, \(d_r\) ist der Rekonstruktionsabstand in der Fresnel-Transformation und \(d_0\) ist der Abstand zwischen der gemessenen Struktur und dem Bildsensor. Als allgemeine Regel gilt, dass das Bild des Objekts für \(d_r=-d_0\) erhalten wird.

Die auf die Verschiebungsdifferenz bezogene Dopplerphase \(\Delta \psi _{n}(x,y)\) wird dann durch Subtrahieren der Phasen der komplexen Bilder \(\mathscr {I}\) extrahiert. Bei Vibrationsmessungen tritt dieser Phasenunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bei hoher Bildrate auf. Kurz gesagt ist die Phasendifferenz proportional zur Verschiebung des Objekts zwischen den beiden Zeitpunkten. Die extrahierte Phasendifferenz kann jedoch vorteilhaft in die Momentangeschwindigkeit \(V_h^n(x,y)\ umgewandelt werden, wenn man die Bildrate der Kamera \(f_e\) kennt, wie in Gleichung ausgedrückt. (4).

In Gl. (4) ist \(\theta\) der Beleuchtungswinkel wie in Abb. 2b. Bei kleinen Verschiebungen (nm bis \(\mu\)m-Bereich) kann die Subtraktion mit einer festen Referenzphase durchgeführt werden und man erhält die absolute Schwingungsverschiebung. In dieser Studie wird für zusätzliche Robustheit gegenüber größeren Verschiebungen die Momentangeschwindigkeit berücksichtigt (siehe Gleichung (4)).

Da die holographische Bildgebung die Rekonstruktion des Objektbereichs ermöglicht, müssen mehrere Nachbearbeitungsschritte auf die extrahierten Daten angewendet werden, wie in Abb. 2c dargestellt. Zunächst wird der nutzbare Teil im rekonstruierten Bereich beschnitten. Zweitens muss eine Rauschunterdrückung durchgeführt werden, um das Speckle-Dekorrelationsrauschen zu entfernen. Der zweidimensionale Fenster-Fourier-Transformationsalgorithmus (WFT2F)63,64, der darin besteht, einen Schwellenwert im Fourier-Bereich anzuwenden (gilt als einer der effizientesten Filter für die Streifenmusteranalyse65), wird verwendet, um zu jedem Zeitpunkt die entrauschte verpackte Phasenkarte zu extrahieren . Schließlich wird Phasenentfaltung angewendet, wenn die Verschiebung der Struktur zwischen den beiden Zeitpunkten größer als fast die halbe Wellenlänge der Laserquelle ist. Der in diesem Artikel verwendete Unwrapping-Algorithmus basiert auf der Minimierung der kleinsten Quadrate66,67.

In den letzten Jahrzehnten haben Methoden, die Digital Image Correlation (DIC)-Tools nutzen, zusammen mit der Entwicklung industrieller Digitalkameras rasant zugenommen68. Ursprünglich wurde DIC hauptsächlich zur Messung von Verformungen in der Ebene verwendet. Allerdings wurde DIC in den letzten Jahren auch zur Messung von durch Vibrationen verursachten Verschiebungen außerhalb der Ebene eingesetzt11,13.

Bei der Messung von Positionen und Verschiebungen im 3D-Raum basiert die Berechnung auf dem Triangulationsprinzip: Sobald die relative Position und Ausrichtung der Kamera mit Kalibrierungsverfahren bestimmt werden, wird aus 2D-Positionen in jedem Bildkoordinatensystem ein 3D-Standort ermittelt (Abb. 3b). Die 2D-Positionen (u, v) in Bildern werden mit Bildverarbeitung, nämlich DIC-Tools69, ermittelt. Für eine Bildsequenz werden die Anfangswerte (u, v) in einem Referenzbild \(I_0\) ausgewählt und lokale Verschiebungen in Bildern (\(\delta u, \delta v)\) für jedes deformierte Bild \(I_d) berechnet \) (siehe Abb. 3c). Dazu muss ein zufälliges Muster auf die Zieloberfläche projiziert oder gemalt werden. Die Verschiebungen werden an der Oberfläche mithilfe polynomialer Interpolationsfunktionen gemessen. Die räumliche Auflösung ist somit mit dem Zufallsmuster, der Größe der Oberfläche in den Bildern und den Interpolationsfunktionen verknüpft.

(a) Bild des U-DIC-Aufbaus, (b) Skizze des Triangulationsprinzips, (c) Diagramm der U-DIC-Verarbeitungskette.

Die Technik erfordert zwei Gesichtspunkte. Stehen zwei Hochgeschwindigkeitskameras zur Verfügung, werden 3D-Schwingungsmessungen durchgeführt. Wenn eine einzelne Hochgeschwindigkeitskamera verwendet wird, stehen mehrere Messmethoden zur Verfügung, um das Bild in zwei Ansichten aufzuteilen: beispielsweise mithilfe von 2- oder 4-Spiegel-Adaptern15,70,71 oder Biprismen. Durch die Aufteilung des Bildes in zwei Ansichten verringert sich jedoch die Anzahl der pro Ansichtspunkt verfügbaren Pixel und damit die Genauigkeit der Messung.

Bei der Biegewellenschwingungsmessung treten die Schwingungen hauptsächlich entlang einer einzigen Achse auf: der lokalen Normalen zur Oberfläche. Daher kann eine einzige Hochgeschwindigkeitskamera verwendet werden. Für jeden Messpunkt ist die erste Triangulationslinie der perspektivische Strahl, der über die 2D-Position im Bild erhalten wurde, und die zweite ist die lokale Normale, die aus einer anfänglichen Formmessung geschätzt wurde (siehe Abb. 3b)16. Die erhaltene Messgröße ist somit die Verschiebung normal zur Oberfläche, \(\delta n\). Diese Methode, hier Uni-axial DIC (U-DIC) genannt, wird in dieser Studie verwendet. Die Hochgeschwindigkeitskamera (Kamera 2 in Abb. 3a) wird sowohl zur Form- als auch zur Vibrationsmessung verwendet, während eine zweite Kamera mit niedriger Bildrate nur zur Formmessung verwendet wird (Kamera 1 in Abb. 3a).

Beachten Sie, dass die Empfindlichkeit für eine Verschiebung außerhalb der Ebene mit dem Winkel zwischen der Verschiebungsachse und der optischen Achse der Kamera69,72, der Anzahl der verfügbaren Pixel und der Qualität des Speckle-Musters, aber auch mit der Größe zusammenhängt der gemessenen Oberfläche.

Die Deflektometrie ist eine Technik zur Messung der Neigung im gesamten Feld, die auf der Aufzeichnung der Spiegelreflexion eines Referenzgitters auf der Oberfläche eines ebenen Prüflings basiert. Es wurde auf verschiedene spiegelähnliche Oberflächen aufgetragen, die unterschiedliche Vorbereitungsstufen erforderten. Einige Materialien wie Acryl19,23 und Glas25,28 können ohne Vorbereitung direkt bebildert werden. In24,26,27 wurde eine polierte Metallplatte verwendet. Neuere Arbeiten demonstrierten auch das Prinzip der Infrarot-Deflektometrie zur direkten Untersuchung unpolierter Metallplatten29,30. Für andere Materialien kommen Beschichtungen wie Epoxidharz73 und reflektierende Klebefolien74 in Betracht.

Der in dieser Studie verwendete Versuchsaufbau ist in Abb. 4a dargestellt. Das Gitter wird mit einem bekannten Linienabstand p gedruckt und im Abstand L von einer spiegelnd reflektierenden Zielstruktur platziert.

(a) Foto des Deflektometrie-Aufbaus, (b) Darstellung des Deflektometrie-Prinzips, (c) Diagramm der Deflektometrie-Verarbeitung.

Eventuelle Biegeschwingungen der Oberfläche verzerren das von der Kamera aufgezeichnete reflektierte Gitterbild (siehe Abb. 4b). Die entsprechenden räumlichen Verzerrungen können mithilfe geometrischer Überlegungen direkt mit den lokalen Steigungen \(\alpha _{x,y}\) der Probe in Zusammenhang gebracht werden (d. h. \(\alpha _x(x,y) = \frac{\partial w). }{\partial x}(x,y)\), wobei w(x, y) die Verschiebung außerhalb der Ebene ist, und ähnliches gilt für \(\alpha _y\)). In der Kleinwinkelnäherung für \(\alpha\) und \(\theta\) (der Blickwinkel relativ zur Strukturnormalen) wird die optische Intensitätsschwankung zwischen dem Referenz- und dem deformierten Zustand, die an einem bestimmten Pixel aufgezeichnet wurde, einem lokalen Wert zugeordnet Verschiebung der beobachteten Position auf dem Gitter über eine Distanz \(\delta = 2L\alpha\) (siehe Abb. 4b). Dieser Abstand hängt weiter mit der lokalen räumlichen Phasenvariation \(\phi\) zusammen, die am entsprechenden Pixel in den Gitterbildern als \(\delta = \frac{p}{2\pi }\phi\) identifiziert wird. Die Phasenvariationen werden durch die Verwendung eines räumlichen Phasenverschiebungsansatzes erhalten. Eine gefensterte diskrete Fourier-Transformation wird über eine 2D-Faltung26,27,29,75 durchgeführt. Der Faltungskern ist in den zitierten Arbeiten detailliert beschrieben und hat eine Größe von \((2N-1)\) Pixeln, wobei N die Anzahl der Pixel pro Rasterperiode im aufgenommenen Bild ist. Eine Abstimmungsanforderung dieses Phasenextraktionsansatzes besteht darin, dass N annähernd eine ganze Zahl sein muss, was durch physikalische Anpassung des Versuchsaufbaus erreicht wird.

Durch die Kombination der beiden Formeln für \(\delta\) stehen die resultierenden Phasenkarten \(\phi _{x,y}\) in direktem Zusammenhang mit den Steigungsfeldern auf der Oberfläche der Struktur \(\alpha _{x, y}\) unter Verwendung der folgenden geometrischen Beziehung:

Die Deflektometrie-Bildverarbeitungskette ist in Abb. 4c dargestellt. Die Berechnung von Out-of-Plane-Verschiebungskarten erfordert eine zusätzliche räumliche Integrationsoperation der gemessenen Neigungsfelder, die hier mithilfe einer spärlichen Näherung durchgeführt wird. Der für die Definition der Integrationskonstante berücksichtigte Punkt wird unter den Messpunkten ausgewählt, die eine angenommene Nullverschiebung aufweisen (eingespannte oder einfach unterstützte Grenze). Alternativ kann die Verschiebung an einem beliebigen Punkt im beobachteten Bereich mit einem sekundären Instrument wie einem Einzelpunkt-Laser-Doppler-Vibrometer gemessen werden.

In Tabelle 1 sind die mit den fünf in der Studie berücksichtigten Techniken gemessenen Mengen aufgeführt. Jedem von ihnen ist ein Farbcode zugeordnet, der in diesem Dokument verwendet wird. Die grauen Kästchen definieren die grundlegenden Messgrößen (Messgrößen) und die Indizes beziehen sich auf die Methoden, die mit a, v, h, u bzw. d bezeichnet werden, für den Beschleunigungsmesser (a) mit der gemessenen Beschleunigung \(A_a\), das Vibrometer ( v) mit gemessener Geschwindigkeit \(V_v\), Holographie (h) mit gemessener Geschwindigkeit \(V_h\), einachsiger DIC (u) mit gemessener Verschiebung \(X_u\) und Deflektometrie (d) mit gemessenen Steigungen \( Sx_d\) und \(Sy_d\) entsprechend der x- und y-Richtung. Für jede Methode erfolgt der Übergang von einer physikalischen Größe zur anderen mithilfe der angegebenen Beziehungen, die im Folgenden verwendet werden, um einen Vergleich der gemessenen Verschiebung außerhalb der Ebene zu ermöglichen.

Diese Studie konzentriert sich auf die Messung von Schwingungen außerhalb der Ebene von Auslegerträgern. Zum Vergleich der Messtechniken werden zwei Strukturen herangezogen. Die erste in Abb. 5a ist die einheitliche Abschlusskonfiguration und besteht aus einem Aluminiumträger mit einheitlichem Querschnitt (Abmessungen in Tabelle 2 angegeben). Die zweite (Abb. 5a) ist die Abschlusskonfiguration des Acoustic Black Hole (ABH) und besteht aus einem Aluminiumträger variabler Dicke, dessen Profil durch Gl. (6).

Diese Dickenschwankungen bilden ein akustisches Schwarzes Loch, von dem bekannt ist, dass es ein durchdringbarer, resonanter und absorbierender Streuer ist76. Das dünne Ende des Strahls erzeugt große und lokale Schwingungsamplituden sowie kurze Biegewellenlängen, was die Grenzen der Messtechnik auf die Probe stellt.

Die beiden Balken sind an der Basis festgeklemmt und am anderen Ende frei. Dieser mechanische Aufbau bleibt unverändert und ist daher für die fünf durchgeführten Messungen identisch. Tabelle 2 gibt die geometrischen Eigenschaften der beiden Balken an. Der Vorteil der Verwendung zweier solcher mechanischer Strahlen besteht darin, die Vorteile und Grenzen jeder Technik sowohl an einem akademischen Fall (gleichmäßiger Strahl) als auch an einer stark kontrastierenden Struktur (ungleichmäßiger Strahl) zu demonstrieren. Letzterer Fall stellt eine messtechnische Herausforderung hinsichtlich Dynamikbereich, Bandbreite und räumlicher Auflösung dar.

Die Anregung erfolgt durch einen Schlaghammer in der Nähe des eingespannten Endes. Der Griff des Hammers ist flexibel, um Doppelschläge zu vermeiden (siehe Abb. 5b). Der Hammer wird außermittig platziert, um sowohl Biege- als auch Torsionsmodi des Balkens anzuregen. Um ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis für die verschiedenen Messtechniken zu gewährleisten, werden Stöße unterschiedlicher Amplitude genutzt.

Die Seiten der beiden Balken sind jeweils poliert (Seite 1) und unpoliert (Seite 2), um entweder die Deflektometrie auf Seite 1 oder eine der anderen Methoden auf Seite 2 mit verschiedenen Oberflächenvorbereitungen durchzuführen. Für die Holografie ist eine nicht depolarisierende Silberfarbe erforderlich, während bei der DIC ein zufälliges Farbmuster verwendet wird. Die Vibrometrie ist vielseitiger, das heißt, sie kann direkt auf das blanke Metall oder auf die vorbereitete Oberfläche angewendet werden. Ein Foto der verschiedenen Oberflächenzustände ist in Abb. 5c dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass die Farben vernachlässigbare Auswirkungen auf die Dynamik der Balken haben.

(a) Darstellung des gleichmäßigen und ungleichmäßigen mechanischen Balkens, der als Teststrukturen verwendet wird, (b) Nahaufnahme des Beschleunigungsmessers und des Schlaghammers, (c) Foto des Endes des ungleichmäßigen Balkens für die betrachteten drei Oberflächen Bedingungen; Die Werte der Parameter in Abb. 5a für beide Balken sind in Tabelle 2 angegeben.

Die Schlagkraft des Hammers wurde an die verschiedenen Techniken angepasst. Bei einachsigen DIC- (u) und Deflektometriemessungen (d) wurde durch manuelles Zurückziehen und Loslassen des Hammers eine Spitzenkraft von \(\sim 35\) N erreicht. Andererseits wurde für Vibrometrie- (v) und Holographie- (h) Messungen ein automatischer Schlaghammer (Maul-Theet vImpact) verwendet, der eine Spitzenkraft von \(\sim 5\) N erzeugt. Der automatische Schlaghammer ist für die vibrometrischen Messungen unerlässlich, um an jedem Punkt des Messnetzes wiederholbare Schläge zu erzielen. Dieses niedrigere Kraftniveau war auch für holographische Messungen geeignet, um die Streifendichte in der rekonstruierten Phase zwischen zwei Zeitpunkten zu begrenzen. Die Schlaghämmer waren mit einem Kraftsensor (PCB 086E80, Empfindlichkeit 22,5 mV/N) ausgestattet, der die auf die Struktur ausgeübte Kraft ermittelt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Aufprallstelle wurde ein Miniaturbeschleunigungsmesser (PCB 352C23, Empfindlichkeit 5 mV/g, Masse 0,2 g) montiert. Kraft- und Beschleunigungssignale wurden mit einem Analog-Digital-Wandler USB-4431 von National Instruments bei 102,4 kHz abgetastet.

Abbildung 6a,b zeigen die Zeitsignale bzw. Frequenzspektren der Einschläge. Der Frequenzgang der Aufprallkraft ist bis 1 kHz flach und die Grenzfrequenz liegt etwas höher als 1 kHz. Diese Grenzfrequenz hängt mit der Dauer des Aufpralls zusammen, die von der Flexibilität des Arms und der Härte der Kontaktflächen während des Aufpralls abhängt. Beachten Sie, dass eine kleine Plastikspitze das Ende des Schlaghammers bedeckt. Diese Konfiguration ermöglicht einen vernünftigen Kompromiss zwischen dem nutzbaren Frequenzband und dem Ansprechpegel. Abbildung 6c und d zeigen die Beschleunigungs-/Kraft-Frequenzantwortfunktion (FRF), die vom Beschleunigungsmesser für den gleichmäßigen bzw. ungleichmäßigen Strahl abgeleitet wurde. Beide Balken weisen schwach gedämpfte Schwingungsmoden bis 20 kHz auf; Die Beendigung des ungleichförmigen Strahls durch ein Schwarzes Loch induziert eine höhere modale Dichte und eine größere Beschleunigung im Hochfrequenzbereich77. Dies zeigt, dass die uneinheitliche Konfiguration relevant ist, um die messtechnische Leistung der verschiedenen Techniken zu testen.

(a) Anregungssignale; (b) Leistungsspektrumdichten der Anregungssignale; (c) Beschleunigung/Kraft FRF des gleichmäßigen Strahls aus der Beschleunigungsmessermessung; (d) Beschleunigung/Kraft FRF des ungleichförmigen Strahls aus der Beschleunigungsmessermessung.

Alle optischen Vollfeldmethoden verwendeten die gleiche Hochgeschwindigkeitskamera (Photron SA-X2 Typ 1080K, maximale Auflösung (1024\,\times \,1024\) Pixel bis zu 12.500 fps, maximale Bildrate 1.080.000 fps im niedrigsten Fall Auflösung von \(128\,\times \,8\) Pixel). Abhängig von den Anforderungen der Methoden wurde die Kamera an verschiedenen Orten platziert: mit Blick auf die gemessene Oberfläche für die digitale Holographie, mit einem Winkel nahe 45\(^{\circ }\) für einachsige DIC und mit einem Winkel von einige Grad für die Deflektometrie (auf der gegenüberliegenden Seite des Strahls, die auf Hochglanz poliert wurde). Eine Skizze der Positionierung jeder Technik um den getesteten Strahl herum ist in Abb. 7 dargestellt. Eine solche Konfiguration wird gewählt, um eine Bewegung der getesteten Struktur zwischen den Messungen zu vermeiden. Die Messungen wurden über einen Zeitraum von 2 Tagen für jeden Balken in einem temperierten Raum (18 °C) durchgeführt.

Experimentelle Konfiguration der Messtechniken.

Für die Messungen mit der Hochgeschwindigkeitskamera wurde dieselbe Software (Photron FASTCAM Viewer) verwendet, um die Kamera zu steuern und Parameter wie Bildrate, Auflösung, Verschlusszeit usw. zu steuern. Diese Parameter wurden für jede Technik unabhängig angepasst seine Anforderungen. Die Kühlventilatoren der Kamera wurden während der Aufnahme ausgeschaltet, um Rauschen zu vermeiden, und die Messungen wurden mithilfe eines Transistor-Transistor-Logik-Systems (TTL) synchronisiert, das durch das Kraftsignal ausgelöst wurde.

Alle Signale wurden für eine Dauer von 0,25 s für den gleichmäßigen Strahl und 0,5 s für den ungleichmäßigen Strahl aufgezeichnet. Die Fourier-Analyse wird unter Verwendung eines exponentiellen Fensters durchgeführt, \(w(t) = \exp \left( -D t \right)\), wobei D eine Abklingkonstante ist, die willkürlich auf 15 für den gleichmäßigen Strahl und auf 5 für den Nichtstrahl festgelegt ist -gleichmäßiger Strahl. Auf das Kraftsignal wird ein Kraft-/Gate-Fenster (kurzes rechteckiges Fenster, das die Kraftspitze isoliert) angewendet, um Artefakte der Hammerdynamik vor und nach dem Aufprall zu entfernen.

Für den gleichmäßigen Strahl wurde ein Netz aus \(185\,\times \,7\) Messpunkten und für den ungleichförmigen Strahl \(179\,\times \,21\) Punkte verwendet. Die Messungen wurden mit einem Polytec PSV 500 Xtra Laser-Doppler-Vibrometer mit einem einzigen Schlag pro Messpunkt vom automatischen Hammer durchgeführt (keine Mittelwertbildung). Es wurde eine leichte Abweichung in der Leistung des Schlaghammers beobachtet; Die Streuung der Auswirkungen bleibt jedoch akzeptabel. Aufgrund der Abtastfrequenz (100 kHz) und des Messzeitfensters beträgt die Bandbreite knapp 50 kHz bei einer Frequenzauflösung von 0,25 Hz.

Die Auflösung der Kamera wurde auf 512 \(\times\) 512 Pixel eingestellt und die Belichtungszeit betrug 1 μs. Die Laserleistung wurde auf 3,50 W eingestellt. Die Bildrate betrug sowohl für den Uniform- als auch für den ABH-Strahl 40.000 fps. Gemäß Abb. 2b betrug der Abstand zwischen den Strahlen und der Sensorebene \(d_0 =2,435\) m und ein divergenter Zoom mit einer Brennweite von \(-100\) mm wurde 265 mm vom Sensor entfernt platziert. Diese Parameter führen zu einem Rekonstruktionsabstand \(d_0' = 337\) mm. Die Rekonstruktion der Strahlschwingung wurde für ein virtuelles Bild mit den Abmessungen \(L_{x}' = L_{y}' \ca. 9,1\) mm durchgeführt. Die tatsächliche Größe der vibrierenden Oberfläche wird dann durch die Verwendung einer optischen Vergrößerung von \(g_{opt} \sim 0,031\) wiederhergestellt. Der Beleuchtungsstrahl trifft unter einem Winkel \(\theta = 15\)° auf die Objektoberfläche und die Beobachtung erfolgte im Normaleinfall. Die Anzahl der Datenpunkte in der rekonstruierten Schwingungskarte hängt von der Anzahl der Punkte ab, die für die Berechnung der Fresnel-Transformation verwendet werden. Im Falle des einheitlichen Strahls wurde die native Auflösung des Hologramms für die Bildrekonstruktion verwendet. Im Fall des ungleichmäßigen Strahls wurde die Bildrekonstruktion durch Verdoppelung der Anzahl der Datenpunkte in der Fresnel-Transformation mittels Nullauffüllung durchgeführt, was nützlich ist, wenn die Schwingungsamplitude hoch ist und viele Phasensprünge erzeugt78.

Für die uniaxiale DIC-Methode wurden zwei Kameras verwendet. Die erste Kamera ist eine statische Kamera und wurde in einem Abstand von 70 cm und bei senkrechtem Einfall vor dem Strahl platziert. Gemäß dem in 16 beschriebenen DIC-Verfahren wurde diese Kamera für den optischen Kalibrierungsprozess (Kompensation der Linsenverzerrung) und die Schätzung der ursprünglichen Form des Messobjekts (Stereovisionsansatz) verwendet. Die aufgenommenen Bilder hatten eine Größe von \(1200 \times 1600\) Pixel und der Strahl wurde auf ungefähr \(90 \times 1100\) Pixel betrachtet. Die Haupthochgeschwindigkeitskamera von Photron war mit einem einstellbaren Zoomobjektiv (Sigma 17–50 mm f/2.8 EX DC OS HSM) ausgestattet und etwa 40 cm vom Strahl entfernt mit einem Einfallswinkel von \(45^\circ\) platziert. (siehe Abb. 3a). Bildsequenzen mit \(104 \times 1024\) Pixeln wurden mit einer Bildrate von 40 kHz für den gleichmäßigen Strahl und 20 kHz für den ungleichmäßigen Strahl aufgenommen. Beachten Sie, dass die Wahl der niedrigeren Bildrate bei der letztgenannten Messung darauf zurückzuführen ist, dass der Antwortpegel unter dem Grundrauschen der Messung über 10 kHz liegt. Um eine Bildkorrelation durchzuführen, wurden zufällige Muster auf die beiden getesteten Balken über einer weißen Farbschicht aufgetragen. Um die Genauigkeit der Messung zu optimieren, muss jeder Patch des Musters auf einer Fläche von 3 bis 8 Pixeln Breite abgebildet werden69. Um eine ausreichende Helligkeit zu erreichen (ca. 90 % der Sättigungsintensität des Kamerasensors für die hellsten Pixel), wurden zwei LED-Strahler eingesetzt. Der Bildsatz wurde von der Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und anschließend zur Berechnung der Normalverschiebung der Strahlen mittels Triangulation verwendet.

Das bei den Deflektometriemessungen verwendete Gittermuster wurde auf weiße Schildertafel mit einem Abstand (Linienabstand) von \(p=4\) mm gedruckt. Das Gitter wurde neben der Kamera nahe der Mitte des Kameraobjektivs (Sigma 105 mm f/2,8 EX DG Macro HSM) platziert und mit den beiden LED-Scheinwerfern beleuchtet. Für die Messung am gleichmäßigen Strahl wurde der Abstand der Kamera und des Gitters vom Strahl auf \(L=1,45\) m eingestellt, um \(N=7\) Pixel pro Gitterperiode im Bild zu erhalten. Die Bilder wurden mit einer Auflösung von \(88 \times 1024\) Pixeln und einer Bildrate von 40 kHz aufgenommen.

Bei dem ungleichmäßigen Strahl verzerrte die Verformung des Metalls am dünnen ABH-Abschluss (sichtbar im Spiegelbild von Abb. 5) das ursprüngliche Gitterbild. Die Verformung tritt auf, nachdem das ABH-Profil in den Träger eingearbeitet wurde, und wird durch gespeicherte Spannungen im Metall beim Schmieden verursacht. Um den Effekt dieser Verzerrungen zu reduzieren, wurden Kamera und Gitter in einem geringeren Abstand von \(L=0,38\) m vom Strahl platziert und ein Objektiv mit kürzerer Brennweite (Sigma 17–50 mm f/2,8 EX DC OS) verwendet HSM) verwendet wurde. Da das Objektiv eine variable Brennweite hatte, wurde die Kalibrierung zum Erreichen eines ganzzahligen Werts von \(N=9\) Pixeln pro Rasterperiode durch Anpassen des Zooms durchgeführt, ohne dass die Kamera verschoben werden musste. Ähnlich wie bei der einachsigen DIC-Messung wurde für den ungleichmäßigen Strahl eine niedrigere Bildrate von 20 kHz verwendet, da die Antwortpegel (unterhalb des Messrauschens) über 10 kHz unzureichend waren.

Die Phasenextraktion aus den Bildern wurde über eine räumliche 2D-Faltung unter Verwendung eines Kernels der Größe \((2N-1)\) Pixel durchgeführt, wobei N die Anzahl der Pixel pro Gitterperiode ist. Die Kernelgröße betrug daher 13 Pixel für die gleichmäßige Strahlmessung und 17 Pixel für die ungleichmäßige Strahlmessung. Die aus der Deflektometrietechnik erhaltenen Neigungsfelder werden integriert, um die Verschiebung außerhalb der Ebene zum Vergleich mit den anderen Techniken zu erhalten. Sowohl die Faltungs- als auch die räumliche Integrationsoperation glätten die Daten auf natürliche Weise räumlich. Es wurde jedoch keine explizite Glättung der Daten durchgeführt.

Dieser Abschnitt ist den Ergebnissen gewidmet, die für die beiden mechanischen Strukturen erzielt wurden. Wie in Tabelle 1 detailliert beschrieben, ist die gewählte Messgröße die Querverschiebung des Balkens. Dies erfordert für mehrere Messtechniken die Umrechnung von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Biegeneigungen in Verschiebungen. Für beide Fälle, gleichmäßiger Strahl und ungleichmäßiger Strahl, sind die Ergebnisse wie folgt organisiert. Das Verschiebungsspektrum und die Verschiebungs-/Kraft-FRF der beiden Systeme werden für jede der Messmethoden verglichen, um die maximal erreichbare Frequenz im Spektrum zu analysieren. Betriebsablenkungsformen werden bei Resonanzfrequenzen extrahiert, um die Rekonstruktion modaler Formen zu bewerten. Außerdem werden Frequenzspektren und Histogramme des Messrauschens ohne externe Anregung der Struktur angegeben, um das mit jeder Messtechnik verbundene Restrauschen zu charakterisieren. Abschließend werden zeitliche Vergleiche der transienten Verschiebungsfelder und Vibrationssignale nach dem Aufprall gezeigt, um die Rekonstruktion des Zeitverhaltens der Techniken zu vergleichen.

Die Messungen mit dem einheitlichen Strahl werden mit angepassten Anregungsniveaus für jede Methode durchgeführt. Die maximale Schlagkraft beträgt 35 N für DIC und Deflektometrie mit dem manuellen Schlaghammer. Bei Holographie und LDV beträgt die Spitzenkraft mit dem automatischen Schlaghammer 5 N.

Die Frequenzspektren der gemessenen Verschiebungen sind in Abb. 8a dargestellt und die Verschiebung/Kraft FRF in Abb. 8b. Die Verschiebungen werden am Anregungspunkt verglichen, der bei allen Messmethoden dem Messpunkt entspricht, der dem Beschleunigungsmesser am nächsten liegt. Die bei Holographie- und Vibrometriemessungen erhaltenen geringeren Verschiebungswerte sind auf die in diesen beiden Fällen geringere Aufprallkraft zurückzuführen (siehe Abb. 6). Die vier berührungslosen Messtechniken sind in der Lage, die modale Reaktion des Strahls bis zu etwa 4 kHz zu ermitteln. Bei höheren Frequenzen dominiert Rauschen die Messungen, insbesondere bei DIC-Daten und in geringerem Maße bei Deflektometrie- und Holographiedaten.

Frequenzbereichsantwort des gleichmäßigen Strahls in der Nähe des Anregungspunkts: (a) Verschiebungsspektrum, wobei die in Abb. 10 dargestellten 8 Moden durch rote Pfeile gekennzeichnet sind; (b) Verschiebungs-/Kraft-FRF, Vergleich jeder Technik mit dem Beschleunigungsmesser.

Die mit dem Beschleunigungsmesser berechneten Verschiebungen kommen denen der anderen Methoden sehr nahe, außer im Niederfrequenzbereich zwischen 10 und 100 Hz. Tatsächlich wird das Verschiebungsspektrum, wie in Tabelle 1 angegeben, durch Division des Beschleunigungsspektrums durch \(-\omega ^2\) erhalten, was bei sehr niedrigen Frequenzen zu Schwierigkeiten führt. DIC-Messungen weisen im Allgemeinen ein höheres Messrauschen auf und beinhalten eine leichte Verschiebung der Frequenzen der Antiresonanzen. Die größte mit dieser Methode beobachtete Resonanzfrequenz liegt bei etwa 3234 Hz. Die Messungen mittels Deflektometrie und Holographie sind sehr ähnlich, mit einer Identifizierung von Resonanzen und Antiresonanzen in Übereinstimmung mit dem Beschleunigungsmesser bis 5500 Hz. Resonanzspitzen sind bis ca. 10 kHz erkennbar. Die Messungen des Scanning-Vibrometers stimmen bis zu 10 kHz zwar mit den Ergebnissen des Beschleunigungsmessers überein, weisen oberhalb dieser Frequenz jedoch erhebliches Rauschen auf.

Der Rauschpegel in den Daten ist einer der Faktoren, die die mit jeder Messtechnik maximal messbare Frequenz begrenzen. In diesem Abschnitt werden das Frequenzspektrum des Messrauschens und seine Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen für jede Messmethode an einem bestimmten Punkt der Strukturoberfläche untersucht. Beachten Sie, dass räumliches Rauschen, also die Verteilung des Messrauschens über Gitterpunkte zu einem bestimmten Zeitpunkt, in diesem Abschnitt nicht untersucht wird. Das Messrauschen von Querverschiebungen wurde durch die Aufzeichnung von Daten ohne äußere Krafteinwirkung auf die Struktur über einen Zeitraum von 1 s ermittelt. Das Messrauschen kombiniert somit mögliche Restvibrationen oder Drifts des mechanischen Strahls, Photonenrauschen, elektronisches Rauschen des Bildsensors (das für alle Techniken identisch ist) und die Fehler im Zusammenhang mit den Nachbearbeitungsvorgängen jeder Technik. Das Frequenzspektrum der Messgeräusche am gleichen Ort wie in Abb. 8 ist in Abb. 9a dargestellt. Die Spektren werden für die aus den Rohdaten extrahierte Verschiebung für jede Methode bereitgestellt. Die Datenverarbeitung zur Rekonstruktion der Querverschiebungen folgt den Angaben in Tabelle 1. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen des Restgeräuschs werden aus den ursprünglichen Messgrößen geschätzt, bevor sie in Verschiebungen umgewandelt werden. Abbildung 9b–f zeigt die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen und zeigt, dass sie in allen Fällen durch Gaußsche Statistik angenähert werden können.

(a) Verschiebungsgeräuschspektren; (b–f) Wahrscheinlichkeitsdichten in der Messgröße jeder Technik (siehe Abb. 7 für den Farbcode).

In Übereinstimmung mit den Ergebnissen in Abb. 8, 9a zeigt, dass DIC-Messungen über den gesamten Frequenzbereich ein höheres Hintergrundrauschen aufweisen. Darüber hinaus weisen Deflektometriemessungen ein höheres Rauschen auf als Holographie und Vibrometrie, während die beiden letztgenannten einen ähnlichen Rauschpegel aufweisen. Diese Geräuschpegel sind im Allgemeinen höher als der Hintergrundgeräuschpegel des Beschleunigungsmessers. Quantitativ gesehen nimmt das Rauschen im vom Beschleunigungsmesser berechneten Verschiebungssignal mit der Frequenz ab, entsprechend einer Steigung in der Größenordnung von −20 dB/Dekade. Diese Beobachtung steht im Einklang mit der Tatsache, dass der Rauschpegel des Beschleunigungssignals unabhängig von der Frequenz ist. Für das Rauschen in Verschiebungssignalen, die aus holographischen und vibrometrischen Messungen erhalten wurden, liegt der beobachtete Abfall in der Größenordnung von −10 dB/Dekade. Das aus Deflektometrie- und DIC-Messungen gewonnene Spektrum des Verschiebungsrauschens ist bei hohen Frequenzen annähernd flach, was mit den jeweiligen Messgrößen übereinstimmt. Diese Grundrauschen legen die Mindestwerte fest, die gemessen werden können. Beispielsweise zeigt Abb. 9a bei 1000 Hz, dass die Größenordnung des Grundrauschens 100 nm für DIC, 10 nm für Deflektometrie und 1 nm für Holographie und Vibrometrie beträgt. Aus den Daten in Abb. 9b–f werden die Standardabweichungen geschätzt und wir erhalten \(\sigma _u \ca. 5 \times 10^{-7}\) m für DIC, \(\sigma _d \ca. 1,7 \times 10 ^{-6}\) m/m für Deflektometrie, \(\sigma _h \ca. 3,3 \times 10^{-5}\) m/s für Holographie, \(\sigma _v \ca. 5 \times 10^{ -5}\) m/s für die Vibrometrie und \(\sigma _a \ungefähr 0,13\) m/s\(^2\) für den Beschleunigungsmesser.

Abbildung 10 zeigt eine Reihe von Betriebsverschiebungsformen, die den Resonanzspitzen entsprechen, die durch die roten Pfeile in Abbildung 8b angezeigt werden. Darüber hinaus wurden die Modenformen numerisch mithilfe eines Finite-Elemente-Modells in COMSOL berechnet und stimmen gut mit der Referenzvibrometriemessung überein. Unterschiede in den Resonanzfrequenzen zwischen den numerischen und experimentellen Ergebnissen sind auf Ungenauigkeiten bei den gewählten Materialparametern und Unvollkommenheiten im Einspannzustand des Balkens zurückzuführen. Beachten Sie, dass die Resonanzfrequenzen auch zwischen den Messungen leicht variieren und diese Verschiebungsformen den Resonanzspitzen entsprechen, die für jede Messtechnik identifiziert wurden. Unten in Abb. 10 ist außerdem ein Profil entlang der Strahlachse dargestellt, das durch eine vertikale rote Linie angezeigt wird. Die Verschiebungskarten sind jeweils um den Absolutwert der größten Auslenkung normiert. Infolgedessen variiert die Amplitude jedes Profils zwischen \(-1\) und \(+1\) und nimmt am eingespannten Ende des mechanischen Balkens einen Quasi-Null-Wert an.

Betriebsablenkungsformen bei Resonanz (realer Teil), gemessen am gleichmäßigen Strahl für die ersten 8 Resonanzfrequenzen, die in Abb. 8b durch Pfeile angezeigt sind. Die normalisierten Amplituden entlang eines vertikalen Querschnitts, der durch eine rote Linie angezeigt wird, werden für jede Modenform verglichen. Zum Vergleich sind über ein numerisches Modell (\(X_n\)) erhaltene Durchbiegungsformen enthalten.

Es werden die betrieblichen Auslenkungsformen beobachtet, die den Schwingungsmoden der eingespannten Struktur entsprechen. Aufgrund des außermittigen Aufpralls sind die ersten beiden Torsionsmoden bei etwa 1300 Hz und 3900 Hz sichtbar. Die anderen Moden sind Biegemoden des mechanischen Balkens. Die Resonanzfrequenzen sind bei allen Verfahren ungefähr gleich, mit Ausnahme der DIC-Messungen, die insbesondere bei den Frequenzen 3324 Hz, 3900 Hz und 4788 Hz einige Abweichungen aufweisen. Dies kann durch eine ungewollte geringfügige Änderung des mechanischen Aufbaus erklärt werden. Eine weitere Erklärung ist die Tatsache, dass der Bereich um den Auftreffpunkt räumlich interpoliert werden musste, da die Anwesenheit des Hammers die Bildkorrelationsoperation störte. Die Peaks werden somit mit der FRF ausgewählt, die aus umgebenden Punkten interpoliert wird.

Die Ablenkformen stimmen recht gut überein, insbesondere bei niedrigeren Frequenzen (\(< 3000\) Hz), wo die Amplitude höher ist. Bei höheren Frequenzen, beispielsweise bei DIC, sind Abweichungen aufgrund eines geringen Signal-Rausch-Verhältnisses zu beobachten. Dies stimmt mit Abb. 8 überein. Die durch Deflektometrie und Holographie bereitgestellten Betriebsablenkungsformen liegen bemerkenswert nahe beieinander.

Die Auflösung jeder Technik ist als Anzahl der Datenpunkte pro Längeneinheit definiert und sollte in den (x, y)-Richtungen gleich sein. Bei DIC-Messungen werden quasi-kreisförmige Pixel mit einer Flächengröße von \(7,9\times 6\) mm\(^2\) (aufgrund des Winkels der Kamera) auf der Oberfläche mit einem 2D-Polynom der Ordnung 2\(^{nd}\) verwendet um die Schwingung zu interpolieren. Messungen werden hier mit einer Auflösung von \(255\,\times \,12\) Messpunkten rekonstruiert. Diese Auflösung führt zu einer Dichte von 9,9 DPCM (Dots Per Centimeter) oder 90 DPI (Dots Per Inch). Die Deflektometrieanalyse ergab einen Messpunkt für jedes Bildpixel, was zu einem Netz von \(925\,\times \,71\) oder 35,3 DPCM (\(\sim\)90 DPI) führte. Aufgrund der Glättung durch die räumliche Faltungsoperation ist die tatsächliche räumliche Auflösung jedoch wahrscheinlich geringer. Holographische Messungen enthalten \(450\,\times \,31\) Messpunkte, was zu 16,2 DPCM (\(\sim\)41 DPI) führt. Für die Vibrometermessungen wurde der Strahl unterschiedlich in x- und y-Richtung mit \(185\,\times \,7\) Messpunkten abgetastet, was eine durchschnittliche Dichte von 5,3 DPCM (13,1 DPI) ergab.

Um die Fähigkeit der Vollfeldtechniken zu würdigen, kurze dynamische Ereignisse sowohl zeitlich als auch räumlich genau zu erfassen, ist in Abb. 11 die Übergangsreaktion des Strahls unmittelbar nach dem Aufprall dargestellt. Die Signale stammen aus einer einmaligen Datenerfassung und es wird keine Mittelung durchgeführt. Die an der Beschleunigungssensorposition erfassten kraftnormierten Verschiebungsprofile sind für die Messmethoden in Abb. 11a dargestellt. Das Zeitverhalten der Messmethoden ist ähnlich. DIC hat die Amplitude leicht unterschätzt, was mit Abb. 8b übereinstimmt, und kann aufgrund des Vorhandenseins des Hammers mit dem räumlich interpolierten Signal am Anregungspunkt zusammenhängen. Verschiebungskarten des Strahls sind in Abb. 11b über die aufeinanderfolgenden Zeitpunkte dargestellt, die durch die roten Linien in Abb. 11a gekennzeichnet sind. Diese Karten werden zu jedem Zeitpunkt für jede Messmethode normalisiert, um sie besser vergleichen zu können.

(a) Profile der zeitlichen transienten Verschiebungsreaktionen, gemessen mit dem gleichmäßigen Strahl in der Nähe des Anregungspunkts, (b) Betriebsablenkungsformen zu 10 ausgewählten Zeitpunkten, angezeigt durch rote Linien in (a).

Ähnlich wie bei den in Abb. 10 dargestellten Ergebnissen sind die gemessenen Verschiebungskarten zwischen den Messmethoden recht ähnlich. Alle Methoden erfassen den anfänglichen Aufprall und die daraus resultierende Biege- und Torsionswellenausbreitung korrekt. Bemerkenswert ist die gute Übereinstimmung zwischen Deflektometrie und Holographie im frühen Einschwingverhalten. Beachten Sie, dass auf den ersten vier Karten Interpolationsartefakte/-fehler für DIC im Bereich des Beschleunigungsmessers sichtbar sind.

Die im vorherigen Abschnitt beschriebenen Experimente wurden für einen ähnlichen freigeklemmten Träger wiederholt, in den ein Acoustic Black Hole (ABH)-Abschluss eingearbeitet wurde (Abb. 5a). Dieser ungleichmäßige mechanische Strahl zeichnet sich durch einen großen Kontrast in der Schwingungsamplitude und -wellenlänge zwischen dem gleichmäßigen Bereich und dem ABH-Abschluss aus. Diese Bedingungen sollen eine Herausforderung für die Messmethoden darstellen.

Die Verschiebung/Kraft FRF ist in Abb. 12 an zwei Positionen auf dem Balken dargestellt. Der erste Punkt befindet sich am Beschleunigungsmesser/Anregungspunkt nahe der Basis des Strahls (Abb. 12a), während sich der zweite Punkt am Ende des ABH-Abschlusses befindet (Abb. 12b). Die Parameter für den Messaufbau sind die gleichen wie für den Gleichstrahl.

Verschiebung/Kraft FRF an zwei Positionen auf dem ungleichförmigen Strahl: (a) in der Nähe des Anregungspunkts, Vergleich jeder Technik mit dem Beschleunigungsmesser, wobei die 10 in Abb. 13 angezeigten Modi durch rote Pfeile angezeigt werden; (b) am Ende der ABH-Beendigung Vergleich jeder Technik mit dem Vibrometer.

Der Vergleich zwischen Abb. 8b und 12a zeigen, dass der ungleichförmige Strahl eine größere Modaldichte und ein größeres Verhältnis von Verschiebung zu Kraft (oder Nachgiebigkeit) an der Aufprallposition aufweist als der gleichmäßige Strahl. Die drei Vollfeldmethoden sind in der Lage, Resonanzspitzen über einen größeren Frequenzbereich (bis etwa 6000 Hz) zu erfassen. Im Vergleich zu Abb. 8b sind die von DIC bereitgestellten Ergebnisse zwischen den Resonanzen in Abb. 12a verrauschter. Während für die Erstellung der zufälligen DIC-Muster auf dem gleichmäßigen Strahl ein individueller Tintenstempel verwendet wurde, wurde das Muster auf dem ungleichmäßigen Strahl mit Sprühfarbe und einer Schablone erstellt. Die Schablone haftete nicht gleichmäßig und erzeugte einen geringeren Kontrast und damit geringere Intensitätsgradienten im Beschleunigungsmesserbereich. Auch hier musste das Signal aufgrund des Hammers räumlich interpoliert werden. Diese Parameter führen zu einer verrauschteren gemessenen Reaktion an der Stelle des Beschleunigungsmessers auf dem ungleichmäßigen Strahl.

Die Ergebnisse in Abb. 12b am Balkenende sind recht unterschiedlich. Als allgemeine Regel gilt, dass die Nachgiebigkeit mit abnehmender Balkendicke zunimmt, was sich in viel größeren Querverschiebungen am Ende des ungleichmäßigen Balkens niederschlägt. Darüber hinaus variiert das Verschiebungsfeld im Raum schnell. Während die Genauigkeit der DIC-Messungen im Wesentlichen der von Abb. 12a ähnelt, sind Deflektometrie- und Holographiemessungen schlechter. Bei diesen beiden Methoden ist es schwierig, die Verformungen am Ende des Trägers genau zu erfassen. Bei der Deflektometrie verzerrt die Verformung des Strahls an der dünnen Endstelle das von der Kamera beobachtete Gitterbild. Diese Verzerrungen verändern die Anzahl der Pixel pro Rasterperiode (ein Abstimmungsfaktor für die Phasenextraktion; vermutlich über das gesamte Bild konstant), was zu Phasenfehlern führt. Die lokale Krümmung des dünnen Endes erzeugt außerdem einen gekrümmten Spiegel, der die Fokusentfernung des optischen Aufbaus verändert, was zu einem lokalen Unschärfeeffekt führt, der die Präzision verringert. Diese Phänomene werden durch die hohen Schwingungsamplituden verstärkt. Bei holographischen Messungen ist es der große Unterschied in den Biegesteigungen zwischen zwei Zeitpunkten, der eine große Anzahl von Phasensprüngen in der berechneten umhüllten Phase erzeugt, was die Verarbeitung und das Auspacken der Phase sehr schwierig macht. Um dieses Problem zu lösen, besteht die Lösung darin, die Bildrate der Kamera auf 100–120 kHz zu erhöhen, um die Phasensprünge bei hohen Schwingungsamplituden besser abzutasten. Dies würde jedoch die zu verarbeitende Datenmenge und damit die Gesamtrechenzeit drastisch erhöhen.

Betriebsablenkungsformen bei Resonanz (realer Teil), gemessen am ungleichmäßigen Strahl bei 10 ausgewählten Frequenzen, angezeigt durch Pfeile in Abb. 12a. Die normalisierten Amplituden entlang eines vertikalen Querschnitts, der durch eine rote Linie angezeigt wird, werden für jede Modenform verglichen. Zum Vergleich sind über ein numerisches Modell (\(X_n\)) erhaltene Durchbiegungsformen enthalten.

Abbildung 13 zeigt die Betriebsverschiebungskarten der Struktur, die bei den Resonanzfrequenzen extrahiert wurden, die durch die roten Pfeile in Abbildung 12a angezeigt werden. Auch hier wurden die Modenformen numerisch mithilfe eines Finite-Elemente-Modells in COMSOL berechnet. Es ist zu beachten, dass es keine analytische Lösung für die Biegedynamik des ungleichmäßigen Balkens gibt. Unterschiede in den Resonanzfrequenzen zwischen den numerischen und experimentellen Ergebnissen werden aufgrund von Ungenauigkeiten bei den gewählten Materialparametern, Unsicherheiten im geometrischen Profil des ungleichmäßigen Balkens und Unvollkommenheiten im Klemmzustand beobachtet. Dennoch zeigen die numerischen Modenformen eine gute Übereinstimmung mit der Referenzvibrometriemessung. Profile entlang der roten Linie sind auch unten in Abb. 13 dargestellt. Bei DIC-Messungen werden quasi-kreisförmige Pixel mit einer Größe von \(7\times 6\) mm\(^2\) auf der Oberfläche mit einem 2D-Polynom 2. Ordnung zur Interpolation verwendet das Schwingungsfeld mit einer Auflösung von \(238\,\times \,19\) Messpunkten. Diese Auflösung führt zu einer Dichte von etwa 9,3 DPCM oder 23,6 DPI. Deflektometriemessungen werden mit \(925\,\times \,71\) Messpunkten oder 35,3 DPCM (89,7 DPI) erhalten, holographische Messungen haben \(913\,\times \,61\) Messpunkte oder 32,5 DPCM (82,6 DPI). ) und Vibrometermessungen enthalten \(179\,\times \,21\) Messpunkte oder eine durchschnittliche Dichte von 8,6 DPCM (21,5 DPI).

Die kürzeren Wellenlängen sind im dünnen Teil des Strahls sichtbar. Die gemessenen Verschiebungskarten sind für alle Messmethoden im gleichmäßigen Teil des Strahls ähnlich, die größeren Abweichungen sind jedoch im ungleichmäßigen Teil zu beobachten. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass der ABH-Strahl sehr empfindlich auf Umgebungsbedingungen reagiert. Daher waren die Versuchsbedingungen während der vier Experimente nicht genau gleich. DIC liefert zuverlässige Ergebnisse über die gesamte Länge des Strahls, während Deflektometrie und Holographie aus den oben genannten Gründen Schwierigkeiten bei der Rekonstruktion haben. Beachten Sie die insgesamt gute Übereinstimmung zwischen DIC und Vibrometrie für die meisten Resonanzen.

(a) Profile der zeitlichen transienten Verschiebungsreaktionen, gemessen am ungleichmäßigen Strahl in der Nähe des Anregungspunkts; (b) Betriebsablenkungsformen zu 10 ausgewählten Zeitpunkten, angezeigt durch rote Linien in (a).

Die Messungen der transienten Verschiebungsreaktion des ungleichförmigen Strahls nach dem Aufprall sind in Abb. 14 dargestellt. Die kraftnormalisierten Zeitprofile, die an der Position des Beschleunigungsmessers erfasst wurden, sind in Abb. 14a dargestellt. Ähnlich wie in Abb. 11 unterschätzen die DIC-Messungen die Amplitude leicht, was wahrscheinlich auf die zuvor erläuterte räumliche Interpolation des Signals zurückzuführen ist. Die normalisierten Verschiebungskarten sind in Abb. 14b zu den Zeitpunkten dargestellt, die in Abb. 14a durch rote Linien markiert sind. Diese Zeitpunkte werden ausgewählt, um das Schwingungsverhalten in den verschiedenen Teilen (gleichmäßig und ungleichmäßig) zu beobachten und die Herausforderungen für die Methoden hervorzuheben.

Die Messungen zu den ersten Zeitpunkten (0,15 ms bis 0,35 ms) zeigen bei allen Messmethoden ähnliche Ergebnisse. Tatsächlich ist der untere Teil des Balkens gleichmäßig und stellt für die Methoden keine besonderen Schwierigkeiten dar. Wenn die Wellenfront bei 0,45 ms das ungleichmäßige Ende erreicht, liefert die holographische Messung keine korrekte Schätzung der Verschiebung und liefert aufgrund ihrer hohen Amplitude eine ungenaue Schätzung der Verschiebung, was zu nicht ortsaufgelösten Phasensprüngen führt. Die große Anzahl an Phasensprüngen macht ein Entrauschen und Entwickeln der Doppler-Phase unmöglich. Die Deflektometrie weist auch Schwierigkeiten auf, wenn die Wellenfront das obere Ende des Strahls erreicht (bei 0,55 ms) und aufgrund der großen Verformungen, die das reflektierte Gitterbild verzerren, falsche Schätzungen des Profils in der Nähe des Strahlendes liefert. Andererseits lässt sich für die meisten Karten insgesamt eine gute Übereinstimmung zwischen DIC und Vibrometrie beobachten. Diese Ergebnisse zeigen, dass DIC und Laservibrometrie robust sind, wenn sie mit hohen Schwingungsamplituden umgehen, wie sie beispielsweise am Ende des dünnen Strahls auftreten.

Tabelle 3 zeigt einen qualitativen Vergleich der unterschiedlichen intrinsischen und bewerteten Eigenschaften der drei optischen Messtechniken. Der Zweck dieser Tabelle besteht darin, eine umfassende und intuitive Zusammenfassung der Messfähigkeiten jeder Methode bereitzustellen. Bei Fragen zur Wahl der angepassten Messmethode können die Leser auf die Tabelle zurückgreifen, um die Methode zu verwenden, die für ihr Problem am besten geeignet ist.

Tabelle 3 fasst zunächst die unterschiedlichen Merkmale der Messungen zusammen, nämlich die Messgröße, die zeitliche Auflösung, die maximale Erfassungszeit und die minimal messbare Größe. Es werden Interpretationen des Grundrauschens und der Messdynamik gegeben, die erhalten werden können. Es werden Kommentare zur räumlichen Auflösung sowie zu den realistischen Abmessungen einer Probe bereitgestellt, die mit jedem Ansatz untersucht werden kann. Der für die Messungen erforderliche Oberflächenzustand wird zusätzlich zu den Installations- und Erfassungszeiten hervorgehoben. Der letzte Punkt befasst sich mit der Verarbeitungszeit, um aus den aufgenommenen Bildern die Messgröße zu erhalten.

Die drei vollfeldoptischen Verfahren besitzen einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem scannenden LDV: Die Daten an allen Raumpunkten werden gleichzeitig erfasst, was die Erfassungszeit drastisch verkürzt, so die mechanische Drift/Variationen aufgrund langer Erfassungszeiten unterdrückt und die Möglichkeit der Messung ermöglicht nicht wiederholbare Phänomene. Während es sich beim Laser-Doppler-Vibrometer um eine seit langem bewährte Methode mit über Jahrzehnte optimierter Hardware und Software handelt, sind die drei optischen Vollfeldmethoden für Schwingungsmessanwendungen relativ neu. Daraus folgt, dass sie in naher Zukunft verbessert werden müssen, insbesondere in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Software und Rechenzeit.

Ein zentrales Element ist zunächst die Vorbereitung der Oberfläche. Die digitale Holographie erfordert eine diffuse Reflexion, die aufgrund der kohärenten Laserquelle nicht depolarisierend ist. Mit bestimmten weißen oder metallischen Sprühlacken lässt sich das schnell erreichen. Bis vor Kurzem benötigte das Scannen von LDV auch eine diffus reflektierende Oberfläche. Seit dem Aufkommen von Infrarotlasern können jedoch viele Oberflächen ohne besondere Vorbereitung vermessen werden. DIC erfordert ein Speckle-/Zufallsmuster, das auf die Oberfläche gemalt oder projiziert wird79 und auf komplexere 3D-Geometrien anwendbar ist. Die Deflektometrie misst spiegelähnliche Oberflächen, aber mit angepassten Infrarotkameras können einige metallische Oberflächen fast ohne Vorbereitung inspiziert werden.

Zweitens stehen in Anbetracht der Hardware und des Setups Komplettpakete für das Scannen von LDV zur Verfügung (Lasersystem, Erfassungsplatine, Erfassungs- und Verarbeitungssoftware). Es gibt auch kommerzielle Systeme für DIC-Messungen, die in der Regel für 2D-Messungen mit einer einzelnen Kamera oder 3D-Messungen (einschließlich Out-of-Plane) mit zwei Kameras gedacht sind. Mittlerweile ermöglichte der in dieser Studie angewandte einachsige DIC-Ansatz die Erfassung von Verschiebungen außerhalb der Ebene mit einer einzigen Hochgeschwindigkeitskamera. Dies zeigt, dass weiterhin Interesse an der Entwicklung eigener Software für bestimmte Anwendungen wie die Schwingungsanalyse besteht. Für die beiden anderen Methoden muss ein angepasstes Setup und eine angepasste Software entworfen werden. Während der Aufbau der Deflektometrie relativ einfach ist, erfordert die digitale Holographie einen optischen Tisch, eine Laserquelle und optische Elemente, die genau angeordnet sein müssen. In naher Zukunft könnte die holographische Bildgebung in einen kompakten optischen Kopf integriert werden, was die praktische Umsetzung vereinfachen und optimieren würde.

Um schließlich optische Vollfeldmessungen durchzuführen, muss man sich in der Regel mit der Kamera-Controller-Software auseinandersetzen, die nicht immer vollständig an die experimentelle Methode angepasst ist. Eine genaue Synchronisierung der optischen Messungen mit anderen Signalen kann schwierig sein. Einige Kamerahardware kann die Zeitverzögerung zwischen dem Triggersignal und dem ersten erfassten Bild messen. Andernfalls muss die Zeitverschiebung durch unabhängige Aufzeichnung des Kamerabelichtungssignals geschätzt werden. Darüber hinaus können die Bildübertragungsraten je nach Kamera, Software oder Speichergerät zeitaufwändig sein.

Beachten Sie, dass die in diesem Artikel betrachteten Vollfeldmethoden möglicherweise zwei Arten von Kameras verwenden. Einerseits ermöglichen Hochgeschwindigkeitskameras die Messung transienter und nicht wiederholbarer Phänomene, sie verfügen jedoch möglicherweise über Kühlventilatoren, die während der Erfassung nicht ausgeschaltet werden können und daher unerwünschte Vibrationen des optischen Systems erzeugen. Bei den meisten Hochgeschwindigkeitskameras gibt es typischerweise auch einen Kompromiss zwischen Bildrate und Bildgröße, wodurch die räumliche Auflösung (oder Anzahl der Messpunkte) bei höheren Abtastraten abnimmt. Andererseits können industrielle Kameras mit niedriger Bildrate für Lock-In-Messungen mit mehreren stationären Anregungssignalen verwendet werden, auch wenn sie nicht für transiente Phänomene verwendet werden können. Solche Kameras verfügen über hohe räumliche Auflösungen und rauscharme Sensoren, wodurch die Gesamtgenauigkeit der Messung verbessert wird. In der Regel stehen Kamerasteuerungsbibliotheken zur Verfügung, die es Benutzern ermöglichen, benutzerdefinierte Software zu erstellen, um Experimente zu erleichtern.

Dieser Artikel bietet eine quantitative und qualitative Bewertung von drei optischen Vollfeldmesstechniken (digitale Holographie, einachsige digitale Bildkorrelation (DIC) und Deflektometrie) im Kontext der Schwingungsanalyse. Die in dieser Arbeit vorgestellten Vergleiche verdeutlichten die Stärken und Schwächen jeder Messmethode anhand von zwei Fallstudien mit einem gleichmäßigen Ausleger (Basismessfall) und einem inhomogenen Ausleger, der eine große Dynamik der Schwingungsamplitude und -wellenlänge erzeugt. Die getesteten Strukturen wurden durch einen außermittigen Hammerschlag in der Nähe des eingespannten Endes des Balkens angeregt. Außerdem wurden zwei klassische Referenzmessungen implementiert, nämlich ein Scanning-Laser-Doppler-Vibrometer und ein Beschleunigungsmesser.

Ergebnisse mit dem gleichmäßigen Strahl zeigen, dass die drei Methoden in der Lage sind, die Ausbreitung von Biegewellen zu messen, die durch einen Hammerschlag auf die Struktur entstehen. Die zeitlichen Daten können zur Durchführung einer Modalanalyse verwendet werden, indem Frequenzspektren der gesamten Struktur und der Betriebsmodusformen des Strahls extrahiert werden. Die drei Vollfeldansätze liefern hochauflösende räumliche Messungen an allen Punkten aus einer einzigen Aufprallanregung mit einer Erfassungszeit in der Größenordnung von 1 Sekunde. Im Vergleich dazu muss das Laservibrometer einen wiederholbaren Aufprall für jeden Messpunkt messen, was zu langwierigen Erfassungen (mehrere Stunden) bei gleicher Zeit- und räumlicher Auflösung führt. Deflektometrische und holographische Messungen zeigen auch bei solchen transienten Messungen eine hohe Genauigkeit und einen geringen Rauschpegel.

Ergebnisse mit dem ungleichförmigen Strahl zeigen, dass die drei Techniken in der Lage sind, genaue Messungen am gleichmäßigen Teil des Strahls durchzuführen. Allerdings ist nur die uniaxiale DIC in der Lage, den dünnen Abschluss zu untersuchen. Die Deflektometrie wird durch die Nichtplanarität der Struktur gestört (die gemessene Oberfläche sollte möglichst flach sein). Die Holographie wird durch die sehr große Amplitude der Vibrationsreaktion gestört, was zu einer großen Anzahl von Phasensprüngen und einem hohen Rauschpegel führt, was die Durchführung von Rauschunterdrückungs- und Entpackungsvorgängen unmöglich macht. Eine mögliche Lösung wäre, die Bildrate der Kamera auf 100–120 kHz zu erhöhen, allerdings auf Kosten der riesigen zu verarbeitenden Datenmenge. Die uniaxiale DIC nutzt hohe Vibrationspegel, um genaue Messungen zu ermöglichen, da die Methode von Natur aus robuster gegenüber hohen Vibrationspegeln ist.

Die in diesem Dokument hervorgehobenen Vor- und Nachteile werden in einer Vergleichstabelle aufgeführt, die dem Leser eine intuitive Zusammenfassung der Leistungsfähigkeit jeder Messung bietet. Der Text enthält auch Empfehlungen für die praktische Umsetzung der Techniken, sodass Experimentatoren die für ihre Anwendung am besten geeignete Methode auswählen können.

Die Datensätze der während der aktuellen Studie durchgeführten Messungen sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken dem NSERC Canada Research Chair für Vibroakustik im Verkehrssektor, dem CNRS International Research Project Centre Acoustique Jacques-Cartier und dem Institut d'Acoustique – Graduate School of Le Mans Université für die Finanzierung und Stipendien zur Unterstützung des Forschungsprogramms .

Zentrum für akustische Signal-Mensch-Forschung, Universität Sherbrooke, 2500 Boulevard de l'Université, Sherbrooke, QC, Kanada

Patrick O'Donoughue, Olivier Robin und Alain Berry

Akustiklabor der Universität Le Mans (LAUM), UMR 6613, Institut für Akustik-Graduiertenschule (IA-GS), CNRS, Universität Le Mans, Avenue Olivier Messiaen, 72085, Le Mans, Frankreich

Patrick O'Donoughue, François Gautier, Erwan Meteyer, Thomas Durand-Text, Mathieu Secail-Geraud, Félix Foucart, Manuel Melon, Charles Pézerat, Adrien Pelat und Pascal Picart

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FG und AB leiteten das Projekt. PO, EM, TD-T. und MS-G. führte die optischen Messungen und die Nachbearbeitung durch. FF und MM halfen bei der Instrumentierung und Messung. PO hat die Daten zusammengestellt und die Zahlen mit Hilfe von EM, TD-T erstellt. und ODER Alle Autoren haben zu den Diskussionen und zur Vorbereitung des Papiers beigetragen.

Korrespondenz mit Patrick O'Donoughue oder François Gautier.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

O'Donoughue, P., Gautier, F., Meteyer, E. et al. Vergleich von drei optischen Vollfeldmesstechniken zur Schwingungsanalyse. Sci Rep 13, 3261 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30053-9

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Eingegangen: 12. Juni 2022

Angenommen: 15. Februar 2023

Veröffentlicht: 24. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30053-9

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