Шлиренская фотография - Schlieren photography

Шлирна фотография , показывающее сжатие в передней части крыла при нестреловидном Махе 1.2
Шлиренское изображение дробового снаряда, вылетающего из ствола

Шлирен-фотография - это визуальный процесс, который используется для фотографирования потока жидкостей различной плотности . Изобретенный немецким физиком Августом Топлером в 1864 году для изучения сверхзвукового движения, он широко используется в авиационной технике для фотографирования воздушного потока вокруг объектов.

Классическая оптическая система

Классическая реализация оптической шлирен- системы использует свет от единственного коллимированного источника, падающего на целевой объект или сзади него. Изменения показателя преломления, вызванные градиентами плотности в жидкости, искажают коллимированный световой луч. Это искажение создает пространственное изменение интенсивности света, которое можно визуализировать непосредственно с помощью системы теневого изображения .

В классической шлирен-фотографии коллимированный свет фокусируется с помощью собирающего оптического элемента (обычно линзы или изогнутого зеркала), а острие лезвия помещается в точку фокусировки, чтобы блокировать примерно половину света. В потоке с равномерной плотностью это просто сделает фотографию вдвое ярче. Однако в потоке с вариациями плотности искаженный луч фокусируется неидеально, и части, которые были сфокусированы в области, закрытой острием ножа, блокируются. В результате получается набор более светлых и темных участков, соответствующих положительным и отрицательным градиентам плотности жидкости в направлении, перпендикулярном кромке ножа. Когда используется острие, систему обычно называют шлиреновой системой , которая измеряет первую производную плотности в направлении острия. Если край ножа не используется, система , как правило , называют Shadowgraph системой , которая измеряет вторую производную от плотности.

Схема классической шлирен-визуализации с использованием параболического вогнутого зеркала

Если поток жидкости является равномерным, изображение будет устойчивым, но любая турбулентность будет вызывать мерцания , то мерцающий эффект , который можно увидеть более нагретые поверхности в жаркий день. Для визуализации мгновенных профилей плотности можно использовать кратковременную вспышку (а не постоянное освещение).

Фокусирующая шлирен-оптическая система

В середине 20-го века Р. А. Бертон разработал альтернативную форму шлирен-фотографии, которую теперь обычно называют фокусирующей шлиреновой или линзово -сеточной шлиреной , основываясь на предложении Хьюберта Шардена . Фокусирующие шлирен-системы обычно сохраняют характерный острие лезвия для создания контраста, но вместо использования коллимированного света и одного острия лезвия они используют схему освещения повторяющихся краев с фокусирующей системой формирования изображения.

Принципиальная схема фокусирующей шлирен-системы

Основная идея заключается в том, что образец освещения отображается на геометрически конгруэнтном шаблоне отсечения (по сути, множестве режущих кромок) с фокусирующей оптикой, в то время как градиенты плотности, лежащие между рисунком освещения и шаблоном отсечения, отображаются, как правило, с помощью системы камеры. Как и в классическом шлирене, искажения создают области осветления или затемнения, соответствующие положению и направлению искажения, поскольку они перенаправляют лучи либо от, либо на непрозрачную часть паттерна отсечения. В то время как в классической шлирене искажения по всей траектории луча визуализируются одинаково, при фокусировке шлирена четко отображаются только искажения в поле объекта камеры. Искажения вдали от поля объекта становятся размытыми, поэтому этот метод позволяет выбрать некоторую глубину. Это также имеет то преимущество, что можно использовать широкий спектр освещенных фонов, поскольку коллимация не требуется. Это позволяет создавать проекционные шлирен-системы с фокусировкой, которые намного проще построить и настроить, чем классические шлирен-системы. Требование коллимированного света в классических шлиренах часто является существенным практическим препятствием для построения больших систем из-за необходимости того, чтобы коллимирующая оптика была того же размера, что и поле зрения. В фокусирующих шлирен-системах можно использовать компактную оптику с большим рисунком фоновой засветки, который особенно легко получить с помощью проекционной системы. Для систем с большим уменьшением диаграмма освещения должна быть примерно в два раза больше, чем поле зрения, чтобы можно было расфокусировать фоновую диаграмму.

Фоновые методы

Ударные волны, создаваемые Т-38 Talon во время полета с использованием аналоговой фоновой шлирены

Фоново-ориентированная шлирен-техника основана на измерении или визуализации сдвигов в сфокусированных изображениях. В этих методах фон и шлирен-объект (искажение, которое необходимо визуализировать) находятся в фокусе, и искажение обнаруживается, поскольку оно перемещает часть фонового изображения относительно своего исходного положения. Из-за этого требования к фокусировке они, как правило, используются для крупномасштабных приложений, где и шлирен-объект, и фон находятся на большом расстоянии (обычно за пределами гиперфокального расстояния оптической системы). Поскольку эти системы не требуют дополнительной оптики, кроме камеры, их зачастую проще всего сконструировать, но они, как правило, не так чувствительны, как другие типы шлирен-систем, при этом чувствительность ограничивается разрешением камеры. Техника также требует подходящего фонового изображения. В некоторых случаях экспериментатор может предоставить фон, например, случайный узор из спеклов или резкую линию, но также можно использовать естественные особенности, такие как пейзажи или яркие источники света, такие как солнце и луна. Фоново-ориентированные шлирены чаще всего выполняются с использованием программных методов, таких как корреляция цифровых изображений и анализ оптического потока для выполнения синтетических шлирен , но можно достичь того же эффекта при построении штриховых изображений с помощью аналоговой оптической системы.

Варианты и приложения

Варианты метода оптического шлирена включают замену острия лезвия цветной мишенью, в результате чего получается радужный шлирен, который может помочь в визуализации потока. Различные конфигурации кромок, такие как концентрические кольца, также могут обеспечивать чувствительность к переменным направлениям градиента, а также было продемонстрировано программируемое цифровое создание кромок с использованием цифровых дисплеев и модуляторов. Адаптивная оптика пирамиды волнового фронта датчика является модифицированной формой шлиров (имеющих два перпендикулярных ножевых кромок , образованных вершинами преломляющей квадратной пирамиды).

Полные шлирен-оптические системы могут быть построены из компонентов или приобретены как коммерчески доступные инструменты. Подробности теории и работы даны в книге Settles 2001 года. В СССР когда-то был создан ряд сложных шлирен-систем, основанных на принципе телескопа Максутова , многие из которых до сих пор сохранились в бывшем Советском Союзе и Китае.

Цветное шлирен-изображение теплового шлейфа от горящей свечи, нарушенного ветром справа

Шлирен-фотография используется для визуализации потоков сред, которые сами по себе прозрачны (следовательно, их движение нельзя увидеть напрямую), но образуют градиенты показателя преломления, которые становятся видимыми на шлирен-изображениях либо в виде оттенков серого, либо даже в цвете. Градиенты показателя преломления могут быть вызваны либо изменениями температуры / давления одной и той же жидкости, либо изменениями концентрации компонентов в смесях и растворах. Типичное применение в газовой динамике - исследование ударных волн в баллистике, а также в сверхзвуковых или гиперзвуковых транспортных средствах. Можно визуализировать потоки, вызванные нагревом, физическим поглощением или химическими реакциями. Таким образом, шлирен-фотография может использоваться во многих инженерных задачах, таких как теплопередача, обнаружение утечек, исследование отрыва пограничного слоя и определение характеристик оптики.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки