технике фотографирования муаровых картин. С повышением тем­ пературы исследований до 1100 К и выше суммарная погрешность измерения перемещений возрастает до 5 %.

С увеличением порядка полосы и уменьшением шага решетки по­ грешность измерений уменьшается.

Используемые в традиционном варианте метода муара решетки являются регулярными в исходном состоянии объекта. Если решетку необходимо нанести на криволинейную поверхность, то технология нанесения существенно усложняется. В этом случае могут быть ис­ пользованы нерегулярные растры.

Один из вариантов метода муаровых полос — так называемый метод отраженной сетки позволяет весьма эффективно исследовать не только перемещения, возникающие в исследуемой плоскости, но также перемещения и деформации, которые направлены перпендику­ лярно к изучаемой поверхности. Эта задача особенно актуальна для пластин и оболочек. Суть метода отраженной сетки заключается в следующем. Перед матовой поверхностью объекта исследования ус­ танавливается на некотором расстоянии от нее эталонная решетка, которая освещается плоским пучком света, наклоненным под неболь­ шим углом к нормали поверхности. Свет, пройдя через эталонную решетку, образует на матовой поверхности объекта тень. Такая тень, представляющая при неизменном расстоянии от решетки до поверх­ ности почти не искаженную копию эталонной решетки, может ин­ терферировать с решеткой, образуя муаровые полосы, хорошо наблю­ даемые в направлении, перпендикулярном к эталонной решетке. В данном случае муаровые полосы являются геометрическим местом точек с постоянным расстоянием между эталонной решеткой и объек­ том исследования. Если эталонная решетка до деформации находи­ лась в контакте с поверхностью, то сохранившиеся после приложе­ ния нагрузки точки контакта будут иметь нулевые перемещения с порядками полос, равными нулю. Применительно к исследованию пластин метод отраженной сетки используется для определения уг­ лов наклона поверхности как совместный вариант метода муаровых полос и зеркально-оптического метода делительных сеток. Согласно этому методу на исследуемую зеркальную поверхность проектируется нанесенная на специальный экран эталонная решетка. Отраженное от поверхности объекта до и после нагружения изображение решетки фотографируется на одну и ту же пластинку. Возникает картина муаровых полос, расшифровка которой позволяет определить изме­ нение углов наклона поверхности на большой площади. С исполь­ зованием метода муаровых полос можно определять перемещения и деформации от 0,1 % до нескольких десятков процентов.

10. Метод голографической интерферометрии

Голография является основанным на использовании явления ин­ терференции волн методом получения объемного изображения, позво­ ляющим весьма эффективно исследовать напряженно-деформирован­ ное состояние элементов конструкций сложной геометрической

Рис. 74. Схема получопия голо­ грамм с иаклопиым опорным пуч­ ком при регистрации отражающих

(а) , прозрачпых (б) объектов и во встречных пучках (в) отражающих объектов

формы. Преимущество этого метода по сравнению с други­ ми методами исследования по­ лей деформаций и напряже­ ний заключается в том, что применение метода гологра­ фической интерферометрии не связано с необходимостью проведения специальной ме­ ханической обработки объек­ та исследования и с удовле­ творением жестких требова­ ний к оптическим характе­ ристикам отражающих по­ верхностей. Следовательно, процедура подготовки и про­ ведения эксперимента не тре­ бует изменения состояния по­ верхности детали, нанесения сеток, покрытий и выполне­ ния технологических опера­ ций, которые оказывают бо­ лее или менее существенное повреждающее действие на материал, и все измерения

производятся на исследуемом объекте в исходном рабочем состоянии независимо от степени его конструктивной сложности.

Простота реализации метода при наличии необходимой аппара­ туры объясняется тем, что в процессе эксперимента на одной фото­ пластинке последовательно регистрируются две интерференционные картины, полученные для двух последовательных мало отличаю­ щихся состояний объекта в процессе его деформирования. Такую фотографическую запись интерференционных картин называют голограммами. При просвечивании голограмм, полученных таким обра­ зом для нескольких состояний нагружаемой детали, образуются изоб­ ражения детали для соответствующего числа состояний. Благодаря интерференции на поверхности изображения наблюдаются полосы, по которым можно судить о деформации детали.

Для записи и восстановления объемного изображения исследуе­ мого объекта в процессе его деформирования используется интер­ ференция двух когерентных пучков света — предметного и опорного, первый из которых освещает объект и рассеивается им, а второй со­ здает когерентный фон. Так как предметная п опорная световые вол­

ны обладают когерентностью, то разность фаз между ними остается постоянной и создается интерференционная картина, которая запи­ сывается на фотопластинку — голограмму. Для восстановления изоб­ ражения объекта голограмма освещается опорным пучком.

Голографический метод записи и восстановления волнового фрон­ та может быть реализован в широком диапазоне электромагнитных, акустических, рентгеновских и других типов волн. Наибольшее при­ менение голография находит в оптическом диапазоне электромагнит­ ного спектра, для которого ее возможности особенно значительно расширились с появлением лазеров.

Известны различные схемы записи голограмм при помощи ла­ зерных источников света. На рис. 74 показана схема получения го­ лограмм с опорным пучком, расположенным под углом к пучку, распространяющемуся от объекта [19]. Эта схема применяется для получения объемных изображений диффузно отражающих объектов (рис. 74, а) и при голографировании прозрачных объектов (рис. 74, б). В первом случае луч света от лазера 1 поступает на светоделитель 2, где он разделяется на опорный и предметный пучки, которые после прохождения через систему отражающих зеркал 3 преобразуются с помощью линз 4 в широкие пучки света со сферическими или пло­ скими фронтами. Предметный пучок при этом освещает объект 5 го­ лографирования, а опорный пучок направляется таким образом, чтобы он пересекался под некоторым углом со световыми лучами, отраженными от объекта. Так как оба пучка когерентны, между ними происходит интерференция в том объеме, в котором они пересекаются. Интерференционная картина регистрируется на фотопластинке 6, рас­ положенной в области пересечения предметного и опорного пучков.

При получении объемного изображения прозрачных объектов ис­ пользуется схема (рис. 74, б), отличие которой заключается только в том, что предметный пучок света после светоразделителя и системы линз направляется через диффузор 7 непосредственно на прозрачный объект 5. После прохождения через объект предметный пучок пере­ секается с опорным и образуется интерференционная картина, кото­ рая также регистрируется на фотопластинку.

В случае голографирования объектов во встречных пучках (рис. 74, в) предметный и опорный пучки направлены на фотопластин­ ку с противоположных сторон под углом, близким к 180°. Для регист­ рации голограмм по этой схеме применяется эмульсия значитель­ ной толщины, которая должна быть больше расстояния между со­ седними поверхностями интерференционных максимумов. Такие голограммы называют объемными или трехмерными; они позволяют получать цветные объемные изображения предметов, восстанавливае­ мые в белом цвете.

При воспроизведении изображения голограмма освещается соот­ ветствующим исходному опорному пучку волновым фронтом, кото­ рый при попадании на фотопластинку обеспечивает восстановление предметного волнового фронта также в исходном состоянии. Восста­ новленные волны позволяют раздельно наблюдать действительное и мнимое изображения объекта.

Голограммы отличаются от объемных фотографий тем, что в них регистрируется информация об амплитуде и о фазе предметной вол­ ны, а в фотографии — только информация о распределении освещен­ ности. Поэтому при освещении опорной волной голограмма восста­ навливает объемное изображение предмета. Важное значение для получения качественных голограмм имеют достаточная жесткость и неподвижность механических и оптических элементов голографиче­ ской установки. При экспонировании должна обеспечиваться непо­ движность интерференционной картины относительно фотопластинки; поэтому при съемках объект исследования, оптические элементы, источник света и фотопластинка должны фиксироваться на едином массивном основании — плите, которое размещается на амортизацион­ ной системе для защиты оптических устройств от воздействия внеш­ них вибраций, способных исказить регистрируемую интерференцион­ ную картину. Использование импульсных лазеров существенно снижает влияние температурной нестабильности и механических воз­ действий на процесс голографирования. Кроме того, лазерные пучки обладают высокой когерентностью и большой интенсивностью, до­ статочной для того, чтобы светочувствительный материал, исполь­ зуемый для получения голограмм, зарегистрировал интерференцион­ ную картину. В связи с этим лазеры являются неотъемлемыми эле­ ментами голографических установок, используемых для изучения закономерностей деформирования и разрушения твердых тел.

Для получения голографических интерферограмм используются такие основные методы: реального времени, двух экспозиций, усред­ нения во времени и стробоскопический [19]. Первые два метода при­ меняются в макроэксперименте для исследования неподвижных объ­ ектов при статическом, динамическом и циклическом нагружениях. Методы усреднения во времени и стробоскопический, принципиально не отличающийся от них, находят использование при исследовании вибрирующих объектов.

Метод реального времени позволяет сопоставлять интерферен­ ционную картину, получающуюся при наложении двух когерентных волн — непосредственно идущей от объекта во время наблюдения, и волны, восстановленной голограммой и соответствующей исход­ ному состоянию объекта. Этот метод позволяет по регистрируемой картине интерференционных полос исследовать кинетику изменения состояния объекта во времени и фиксировать эти изменения в виде интерферограмм. При его реализации встречаются трудности, ко­ торые связаны, во-первых, с необходимостью установки с высокой точностью обработанных голограмм в исходное при съемке положе­ ние (эта процедура упрощается в результате обработки фотопласти­ нок на месте), во-вторых, с искажением картины интерференционных полос при усадке эмульсии в процессе мокрой обработки фотомате­ риала и, в-третьих, с необходимостью уравнивания интенсивности восстановленной и исходной предметных волн без внесения дополни­ тельного фазового сдвига как обязательного условия получения конт­ растной интерференционной картины.

Несмотря на отмеченные недостатки, этот метод при современной

технике эксперимента позволяет получать высококонтрастиые ин­ терференционные полосы и дает хорошие результаты при исследова­ нии процессов, протекающих в условиях статического нагружения.

Метод двух экспозиций заключается в том, что на фотопластинке до ее обработки регистрируется две интерференционные картины — первая для исходного состояния объекта и вторая для деформирован­ ного. При освещении полученной голограммы опорным пучком одно­ временно восстанавливаются две предметные волны, которые интер­ ферируют между собой, образуя картину интерференционных полос, характеризующую изменение состояния объекта между первой и вто­ рой экспозициями. Этот метод свободен от тех недостатков, которые характерны для метода реального времени. При обеспечении оди­ наковых условий голографирования объекта в двух состояниях ин­ тенсивность обеих восстановленных предметных волн одинакова и поэтому интерференционные полосы имеют высокий контраст. Ме­ тод двух экспозиций с высокой эффективностью можно применять при исследовании процессов деформирования и разрушения в усло­ виях циклического и динамического нагружения. Так, с использо­ ванием импульсных лазеров, имеющих очень низкий период излу­ чения, получены картины интерференции от ударных воли..

При расшифровке голограмм необходимо уметь по картине ин­ терференционных полос определять компоненты векторов переме­ щений точек поверхности. Практическое применение метода голографической интерферометрии в основном зависит от степени разра­ ботанности способов расшифровки интерферограмм, и следует от­ метить, что этим вопросам уделяется большое внимание.

Метод голографической интерферометрии позволяет определять поля перемещений с очень высокой точностью. Так, при определении перемещений методом трех голограмм абсолютная погрешность из­ мерений составляет доли микрометра [19]. Несмотря на то что голографические методы исследования напряженно-деформированного со­ стояния в МДТТ еще находятся в процессе своего становления, уже очевидны их преимущества по сравнению с другими однотипными методами. В обычной интерферометрии объект исследования должен иметь простую форму и полированную оптическую поверхность; го­ лографическая интерферометрия благодаря своим специфическим особенностям позволяет исследовать предметы любой формы с диф­ фузно отражающими поверхностями. На голографической интерфе­ ренционной картине практически не сказываются шероховатости поверхности, поскольку обе когерентные волны искажаются нми в одинаковой степени (нельзя допускать при переходе объекта из одного состояния в другое изменения структуры поверхности, вызы­ вающего изменение ее отражающей способности, так как в этом слу­ чае произойдет искажение интерференционной картины).

В голографической интерферометрии допускается использование оптики не очень высокого качества. Метод голографии может исполь­ зоваться для исследования крупногабаритных деталей н элементов конструкций.