научная статья по теме ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВОГО ДИАПАЗОНА Физика

Текст научной статьи на тему «ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВОГО ДИАПАЗОНА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 113-115

ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА

УДК 534.222

ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗВУКОВОГО ДИАПАЗОНА

© 2014 г. А. Е. Костив, А. С. Шубин, А. А. Тагильцев, В. И. Коренбаум

Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43 E-mail: kostiv@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 14.05.2013 г.

Описана установка для видеоизмерительной регистрации низкочастотных колебаний звукового диапазона в двух ортогональных направлениях с сохранением результата в файле звукового формата. Экспериментально исследованы возможности установки при регистрации тестовых механических колебаний на частоте 300 Гц. Разрешение установки составляет 3 мкм, динамический диапазон 23 дБ. Установка может использоваться для изучения колебаний технических и природных объектов.

БОТ: 10.7868/80032816214010170

ВВЕДЕНИЕ

Задача бесконтактного измерения и визуализации низкочастотных колебаний звукового диапазона возникает во многих технических приложениях. Для ее реализации применяются лазер-но-интерферометрические методы — довольно сложные и дорогостоящие [1].

Прогресс цифровой видеотехники обусловил возможность использования видеоизмерительной (videogrammetry) регистрации механических колебаний. Принцип видеоизмерительного метода регистрации механических колебаний звукового диапазона частот заключается в отнесении амплитуды смещения изображения между кадрами видеозаписи к амплитуде цифровой записи звукового сигнала. Частота дискретизации цифрового сигнала соответствует частоте кадров видеозаписи. Неконтактное видеоизмерение колебательного смещения поверхности позволяет оценить двумерную картину колебаний сложной формы без внесения искажений в колебательную систему.

Бытовые видеокамеры с частотой кадров 25— 30 Гц для регистрации звуковых колебаний требуют специальных приемов, таких как использование гетеродина или синхронизации с импульсным осветителем. Так, наблюдение за поверхностью пьезокерамического резонатора через микроскоп с 20-кратным увеличением (видеокамера с частотой кадров 30 Гц) позволяет оценить амплитуду и фазу колебаний образца синхронно по всем точкам поверхности [2]. В работе [3] описывается применение видеоустановки со стробоскопической подсветкой в акустических исследованиях косточек слухового аппарата человека.

Цель данной работы — разработка видеоизмерительной установки на основе использования скоростной видеозаписи с оценкой возможностей регистрации механических колебаний звуковой частоты на тестовой модели.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка (рис. 1) состоит из стереоскопического микроскопа МСП-1 на штативе с поворотным держателем (ОАО "Ломо", Россия), люминесцентного и галогенного осветителей, окулярного адаптера сопряжения поля изображения с матрицей видеокамеры АОТ-1С, цифровой видеокамеры Fastvideo-300 (НПО "Астек", Россия)

х

Рис. 1. Блок-схема оптической части видеоизмерительной установки. 1 — видеокамера, 2 — объектив микроскопа, 3 — исследуемый источник колебаний, 4 — осветитель.

8

113

4

114

КОСТИВ и др.

ч

иТ и

«

о

Э

(U

s

С

10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 10 5 0 -5 10 15 20 25

: (б)

Фоновый шум / Гармонический сигнал 300 Гц

- *v\ 1 ЛИШАЛА 1 1 i

100

200

300

400 Частота, Гц

Рис. 2. Спектральная плотность мощности смещений точки-метки по осям координат X (а) и У (б).

с платой видеозахвата EPIX EL1 и персонального компьютера.

Микроскоп, обеспечивающий увеличение от 10 до 40 раз с полем зрения от 20 до 5 мм соответственно, комплектуется кольцевым люминесцентным осветителем. Дополнительный осветитель, необходимый при работе камеры с частотой >100 кадров/с, представляет собой галогенную лампу мощностью 35 Вт с дихроичным отражателем и защитным стеклом. Цветовая температура излучаемого света ~3000 К. Дополнительный осветитель питается постоянным током.

Цифровая камера реализована на основе 10-битной монохромной к.м.о.п.-матрицы размером 1/2", разрешением 640 х 480 пикселей, частотой кадров 311 Гц. Камера позволяет повышать частоту кадров за счет снижения разрешения. Данные с камеры в непрерывном режиме передаются по кабелю Camera Link в оперативную память компьютера через плату видеозахвата. Оперативная память компьютера составляет 1536 Мбайт, из которых 1024 Мбайт зарезервировано под работу камеры. Для подключения платы видеозахвата в компьютере имеется шина PCI-Express x1.

Видеозапись велась программным обеспечением камеры Fastvideo Lab с частотой кадров 1007 Гц, разрешением 468 х 199 пикселей. В качестве объекта наблюдения выбрана черная точка-метка диаметром 0.4 мм на белом фоне. Регистрировалось изменение положения геометрического центра точки-метки от кадра к кадру с использованием алгоритма [4]. Наблюдение за колебаниями осуществлялось по осям координат X и Y в плос-

кости, перпендикулярной оптическои оси микроскопа (см. рис. 1).

Динамический диапазон установки определялся разрешением матрицы видеокамеры и составил 26 х 23 дБ для горизонтальной и вертикальной осей матрицы 468 х 199. Разрешение установки определялось количеством пикселей на изображении эталона длины — 1 мм деления шкалы штангенциркуля — и при максимальном увеличении микроскопа составило 3 мкм. Максимальная регистрируемая частота, согласно теореме Котельникова—Шеннона, равна 503 Гц. Возможно улучшение разрешения за счет снижения максимальной регистрируемой частоты и, наоборот, повышение частоты за счет разрешения. Колебания смещений точки-метки преобразовывались в стандартный стереофайл wav-формата разрядностью 16 бит и частотой дискретизации 1007 Гц.

ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ

В качестве тестового источника колебаний использован мини-вибростенд модели 4810 (Брюль и Къер, Дания). Максимальный размах перемещений вибростенда составляет ±3 мм, входное сопротивление — 3.5 Ом. Возбуждение гармонических колебаний на вибростенде проводилось с помощью генератора сигналов специальной формы GFG-3015 (GW 1тз1ек, Тайвань) со среднеквадратичным значением напряжения 10 В и частотой 300 Гц.

Результат работы установки с тестовым источником сигнала представлен на рис. 2. Графики представляют собой спектр мощности колебательного

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 1 2014

ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

115

смещения точки-метки на плоскости, перпендикулярной оптической оси микроскопа. Кривые на рис. 2а сняты при горизонтальном смещении и представляют собой спектральную плотность в момент нахождения точки-метки в поле зрения установки при отключенном мини-вибростенде (фоновый шум) и спектральную плотность смещений точки-метки в момент подачи на мини-вибростенд гармонического сигнала частотой 300 Гц (гармонический сигнал). На рис. 2б представлены аналогичные кривые при вертикальном смещении.

В спектрах фоновых колебаний (рис. 2) можно видеть составляющую с центральной частотой 11 Гц и превышением амплитуды над широкополосной частью до 15 дБ. Предположительно источником этих фоновых колебаний является вибрация здания, где проводились измерения, находящегося в 500 м от железной дороги. При включенном тестовом источнике отчетливо видна составляющая смещения вдоль оси X со средней частотой 300 Гц и превышением амплитуды над широкополосной частью фона на 23 дБ (рис. 2а). Интересно отметить, что это превышение всего на 3 дБ меньше потенциально достижимого динамического диапазона по соответствующей оси.

Оптический способ определения смещения контрастного объекта с сохранением результата в файле звукового формата позволяет применять для анализа последовательности видеокадров весь арсенал инструментов обработки звуковых сигналов: спектральный анализ, фильтрацию, корреляционную обработку.

К недостаткам видеоизмерительных систем измерения звуковых колебаний на сегодняшний

день можно отнести более низкий динамический диапазон по сравнению с распространенными контактными датчиками. Размеры исследуемого колеблющегося объекта (точки-метки) должны укладываться в поле зрения микроскопа. С повышением частоты кадров требуется дополнительный осветитель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная установка предоставляет возможность изучать колебательные смещения низкочастотного звукового диапазона в двух ортогональных направлениях. При регистрации механических колебаний на частоте 300 Гц разрешение установки составляет 3 мкм, динамический диапазон — 23 дБ. Установка может использоваться для изучения колебаний технических и природных объектов.

Исследования частично поддержаны грантом РФФИ 13-08-00010-а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Royston T.J., Dai Z., Mazzucco M. // Proc. of the ASME. International Mechanical Engineering Congress and Exposition. 2009. V. 2. P. 641.

2. Telschow K.L., Deason, V.A., Cottle D.L. // IEEE International Ultrasonics Symposium. Munich. Germany, October 8-11. 2002. P. 601.

3. Gyo K., Aritomo H., Goode R.L. // Acta Otolaryngol (Stockh). 1987. V. 103. P. 87.

4. Coker T., Fricker P. // Analyzing High-Speed Video Images to Quantify the Performance of Innovative Drug Delivery Technology. http://www.mathworks. com/tagteam/55468_91715v00_alkermes.pdf

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 1 2014 8*

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»