Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Шлирна фотография , показывающее сжатие в передней части крыла при нестреловидном Махе 1.2
Шлиренское изображение выстрела выстрела из ствола.

Шлиренская фотография (от немецкого; единственное число: Schliere , что означает «полоса») - 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 потока воздуха вокруг объектов.

Классическая оптическая система [ править ]

В классической реализации оптической шлирен-системы используется свет от одного 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 пятен, соответствующих положительным и отрицательным градиентам плотности жидкости в направлении, перпендикулярном кромке ножа. Когда используется острие, систему обычно называют шлирен-системой., который 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 [ править ]

В середине 20 - го века, Р. А. Burton разработал альтернативную форму теневых фотографий, которая в настоящее время обычно называют фокусированием шлиров или линзу и сетку-шлиры , [1] на основе предложений по Шардин . [2] Фокусирующие шлирен-системы обычно сохраняют характерную острую кромку для создания контраста, но вместо использования коллимированного света и единственной острой кромки 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 объектном поле 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 обеспечить расфокусировку фоновой картины.[3] [4]

Фоновые методы [ править ]

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 далеко (обычно за пределами гиперфокального расстоянияоптической 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. [5] Фоновые шлирены чаще всего выполняются с использованием программных методов, таких как корреляция цифровых изображений и анализ оптического потока для выполнения синтетических шлиренов., но можно добиться того же эффекта при построении изображения полос с помощью аналоговой оптической системы.

Варианты и приложения [ править ]

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. [6] 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 в 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 и сверхзвуковых или гиперзвуковых транспортных средствах. Потоки, вызванные нагревом, физическим поглощением [7]или могут быть визуализированы химические реакции. Таким образом, шлирен-фотография может быть использована во многих инженерных задачах, таких как теплопередача, обнаружение утечек, изучение отрыва пограничного слоя и определение характеристик оптики.

См. Также [ править ]

  • Лазерная шлирен-дефлектометрия
  • Интерферометр Маха – Цендера
  • Дефлектометрия муара
  • Шлирен
  • Shadowgraph
  • Шлирен визуализация

Ссылки [ править ]

  1. ^ Бертон, Ральф А. (1949-11-01). "Модифицированный аппарат Шлирена для больших площадей поля". Журнал Оптического общества Америки . Оптическое общество. 39 (11): 907. DOI : 10,1364 / josa.39.000907 . ISSN  0030-3941 . PMID  15393811 .
  2. ^ Schardin, Hubert (1942). "Die Schlierenverfahren und ihre Anwendungen". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften . 20 . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. С. 303–439. DOI : 10.1007 / bfb0111981 . ISBN 978-3-540-77206-4.
  3. Перейти ↑ Goulding, JS (2006). Исследование крупномасштабных фокусирующих шлирен-систем (магистерская диссертация). Университет Витватерсранда.
  4. Перейти ↑ Weinstein, LM (2010). "Обзор и обновление шлир-линз и сеток и шлир-камер". Специальные темы Европейского физического журнала . ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 182 (1): 65–95. DOI : 10.1140 / epjst / e2010-01226-у . ISSN 1951-6355 . 
  5. ^ Kamlet, Мэтт (2016-04-13). «Исследования в области фотографических ударных волн достигают новых высот с рейсами BOSCO» . Веб-сайт НАСА . Проверено 5 мая 2016 .
  6. ^ Оседает, GS (2001). Шлирен и методы теневого графа: визуализация явлений в прозрачных средах . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. DOI : 10.1007 / 978-3-642-56640-0 . ISBN 978-3-642-63034-7.
  7. ↑ Охоцимский, Андрей; Ходзава, Мицунори (1998). «Шлиренская визуализация естественной конвекции в бинарных системах газ – жидкость». Химическая инженерия . Elsevier BV. 53 (14): 2547–2573. DOI : 10.1016 / s0009-2509 (98) 00092-X . ISSN 0009-2509 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Грейди, Дениз (2008-10-28). «Загадочный кашель, снятый на пленку» . Нью-Йорк Таймс . п. D3 . Проверено 28 октября 2008 .
  • "Шлиренская фотография - как это работает?" . ian.org . 2010-01-22 . Проверено 4 апреля 2020 .
  • «Высокоскоростная баллистическая визуализация: гостевой блог Натана Бура из Aimed Research» . mousegunaddict.blogspot.com . 2013-06-10 . Проверено 4 апреля 2020 .
  • Бакнер, Бенджамин Д .; L'Esperance, Дрю (2013). «Цифровая синхронно-баллистическая шлирен-камера для скоростной фотосъемки пуль и ракетных саней». Оптическая инженерия . 52 (8): 083105. DOI : 10,1117 / 1.OE.52.8.083105 . ISSN  0091-3286 .
  • "Оптическая система Шлирена и аэродинамические испытания 1958 г. Учебный фильм Shell Oil Co. XD13174" . PeriscopeFilm. 2020-04-03 - через YouTube.