Шлирен-фотография
Шлирен-фотография — это процесс фотографирования потока жидкости . Изобретенный немецким физиком Августом Теплером в 1864 году для изучения сверхзвукового движения, он широко используется в авиационной технике для фотографирования потоков воздуха вокруг объектов.
Этот процесс позволяет обычно ненаблюдаемые изменения показателя преломления жидкости. увидеть [ 1 ] и достигается путем просмотра отклонений, возникающих при преломлении света движущейся жидкостью. Поскольку изменения скорости потока напрямую влияют на показатель преломления жидкости, можно сфотографировать скорость потока жидкости (а также другие изменения плотности, температуры и давления), наблюдая за изменениями ее показателя преломления. [ 2 ]
Используя процесс шлирен-фотографии, можно также увидеть другие ненаблюдаемые изменения жидкости, такие как конвекционные потоки и стоячие волны, используемые в акустической левитации . [ 1 ]
Классическая оптическая система
[ редактировать ]Классическая реализация оптической шлирен- системы использует свет от одного коллимированного источника, освещающего целевой объект или сзади него. Изменения показателя преломления , вызванные градиентами плотности жидкости, искажают коллимированный световой луч. Это искажение создает пространственное изменение интенсивности света , которое можно визуализировать непосредственно с помощью системы теневых изображений .
Классические шлирен -системы визуализации существуют в двух конфигурациях: с одним или двумя зеркалами. В каждом случае прозрачный объект освещается коллимированным или почти коллимированным светом. Лучи, не отклоненные объектом, достигают точки фокуса, где блокируются острием ножа. Лучи, отклоненные объектом, имеют шанс пройти через лезвие ножа, не блокируясь. В результате можно разместить камеру за острием ножа так, что изображение объекта будет иметь изменения интенсивности из-за отклонения лучей. В результате получается набор более светлых и темных участков, соответствующих положительным и отрицательным градиентам плотности жидкости в направлении, нормальном к кромке ножа. Когда используется ножевая кромка, систему обычно называют шлирен-системой , которая измеряет первую производную плотности в направлении ножевой кромки. Если острие ножа не используется, систему обычно называют теневой диаграммы системой , которая измеряет вторую производную плотности.
В двухзеркальной шлирен-системе (иногда называемой Z-конфигурацией ) источник коллимируется первым зеркалом, коллимированный свет проходит через объект и затем фокусируется вторым зеркалом. Обычно это позволяет получать изображения с более высоким разрешением (видеть более мелкие детали объекта), чем это возможно при использовании конфигурации с одним зеркалом.
- Проекты шлирен-систем
-
Оптическая схема двухзеркальной шлирен-системы, показывающая только неотклоненные лучи. -
Оптическая схема двухзеркальной шлирен-системы, показывающая отклоненные лучи, отображаемые на детекторе камеры.
Если поток жидкости однороден, изображение будет устойчивым, но любая турбулентность вызовет мерцание — эффект мерцания , который можно увидеть на нагретых поверхностях в жаркий день. кратковременную вспышку Для визуализации мгновенных профилей плотности можно использовать (а не постоянное освещение).
Фокусирующая шлирен-оптическая система
[ редактировать ]В середине 20-го века Р. А. Бертон разработал альтернативную форму шлирен-фотографии, которую сейчас обычно называют фокусирующим шлиреном или шлирен-линзой и сеткой . [ 3 ] на основе предложения Юбера Шардена . [ 4 ] Фокусирующие шлирен-системы обычно сохраняют характерную ножевую кромку для создания контраста, но вместо использования коллимированного света и одной ножевой кромки они используют схему освещения с повторяющимися краями с помощью системы фокусировки изображения.
Основная идея заключается в том, что рисунок освещения отображается на геометрически конгруэнтном рисунке среза (по сути, множестве ножевых кромок) с помощью фокусирующей оптики, в то время как градиенты плотности, лежащие между рисунком освещения и рисунком среза, отображаются, как правило, с помощью системы камеры. Как и в классических шлиренах, искажения создают области осветления или затемнения, соответствующие положению и направлению искажения, поскольку они перенаправляют лучи либо от непрозрачной части структуры обрезки, либо на нее. Если в классическом шлирене искажения на всем пути луча визуализируются одинаково, то в фокусирующем шлирене четко визуализируются только искажения в объектном поле камеры. Искажения вдали от поля объекта становятся размытыми, поэтому этот метод позволяет в некоторой степени выбрать глубину. Преимущество этого метода также заключается в том, что можно использовать самые разнообразные освещенные фоны, поскольку коллимация не требуется. Это позволяет создавать фокусирующие шлирен-системы на основе проекций, которые гораздо 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. Фокусирующие шлирен-системы могут использовать компактную оптику с большой диаграммой фоновой подсветки, которую особенно легко получить с помощью проекционной системы. Для систем с большим уменьшением диаграмма направленности должна быть примерно в два раза больше поля зрения, чтобы обеспечить расфокусировку фонового рисунка. [ 5 ] [ 6 ]
Фоноориентированные методы
[ редактировать ]
Фоно-ориентированный шлирен-метод ( BOS [ 7 ] ) основан на измерении или визуализации изменений 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 его исходного положения. Из-за этого требования к фокусировке их, как правило, используют в крупномасштабных приложениях, где и шлирен-объект, и фон находятся на большом расстоянии (обычно за пределами гиперфокального расстояния оптической системы). Поскольку эти системы не требуют никакой дополнительной оптики, кроме камеры, их часто проще всего сконструировать, но они обычно 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 крапинок или резкую линию, но также можно использовать естественные особенности, такие как пейзажи или яркие источники света, такие как солнце и луна. [ 8 ] Фоново-ориентированный шлирен чаще всего выполняется с использованием программных методов, таких как корреляция цифровых изображений и анализ оптического потока , для выполнения синтетического шлирена , но можно добиться того же эффекта при построении штриховых изображений с помощью аналоговой оптической системы.
Вариации и приложения
[ редактировать ]Вариации метода оптического шлирена включают замену острия ножа цветной мишенью, в результате чего получаются радужные шлирены , которые могут помочь в визуализации потока. Различные конфигурации кромок, такие как концентрические кольца, также могут обеспечивать чувствительность к переменным направлениям градиента, а также была продемонстрирована программируемая цифровая генерация кромок с использованием цифровых дисплеев и модуляторов. Пирамидальный с адаптивной оптикой датчик волнового фронта представляет собой модифицированную форму шлирена (имеющего две перпендикулярные ножевые кромки, образованные вершинами преломляющей квадратной пирамиды).
Полные шлирен-оптические системы можно собрать из компонентов или купить в виде коммерчески доступных инструментов. Подробности теории и работы приведены в книге Сеттлса 2001 года. [ 9 ] СССР когда-то создал ряд сложных шлирен-систем, основанных на принципе телескопа Максутова , многие из которых до сих пор сохранились в бывшем Советском Союзе и Китае. [ нужна ссылка ]
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. Типичным применением в газовой динамике является исследование ударных волн в баллистике, а также сверхзвуковых или гиперзвуковых транспортных средствах. Потоки, вызванные нагревом, физическим поглощением [ 10 ] или химические реакции могут быть визуализированы. Таким образом, шлирен-фотография может использоваться во многих инженерных задачах, таких как теплообмен, обнаружение утечек, исследование отделения пограничного слоя и определение характеристик оптики.
-
Цветное шлирен-изображение теплового шлейфа горящей свечи, нарушенного ветерком справа. -
Шлирен-изображение, показывающее шлейф тепловой конвекции, поднимающийся от обычной свечи в неподвижном воздухе. На этой фотографии хорошо виден переход от ламинарного течения к турбулентному .
См. также
[ редактировать ]- Лазерная дефлектометрия стрий
- Интерферометр Маха – Цендера
- Муаровая дефлектометрия
- Полосы
- Визуализация стрий
- Теньграф
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Демонстрации лекций по естественным наукам в Гарварде .
- ^ RolfeFollow 2015 .
- ^ Бертон, Ральф А. (1 ноября 1949 г.). «Модифицированный шлирен-аппарат для больших площадей поля». Журнал Оптического общества Америки . 39 (11). Оптическое общество: 907. Бибкод : 1949JOSA...39..907B . дои : 10.1364/josa.39.000907 . ISSN 0030-3941 . ПМИД 15393811 .
- ^ Шарден, Юбер (1942). «Шлирен-процесс и его приложения». Результаты точного естествознания . Том 20. Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. стр. 303–439. дои : 10.1007/bfb0111981 . ISBN 978-3-540-77206-4 .
- ^ Гулдинг, Дж. С. (2006). Исследование крупномасштабных фокусирующих шлирен-систем (магистерская диссертация). Университет Витватерсранда.
- ^ Вайнштейн, LM (2010). «Обзор и обновление шлиров линз, сеток и шлиров движущихся камер». Специальные темы Европейского физического журнала . 182 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 65–95. Бибкод : 2010EPJST.182...65W . doi : 10.1140/epjst/e2010-01226-y . ISSN 1951-6355 . S2CID 120530340 .
- ^ Ли, Ху; Ма, Чжуанчжуан; Чжу, Хайдун (2023). «Метод оценки смещения фоно-ориентированного шлирен-изображения на основе глобального оптического потока». Измерение расхода и контрольно-измерительные приборы . 93 . Бибкод : 2023FloMI..9302420L . doi : 10.1016/j.flowmeasinst.2023.102420 .
- ^ Камлет, Мэтт (13 апреля 2016 г.). «Фотографические исследования ударных волн достигают новых высот благодаря полетам BOSCO» . Сайт НАСА . Проверено 5 мая 2016 г.
- ^ Сетлс, GS (2001). Методы шлирена и теневой фотографии: визуализация явлений в прозрачных средах . Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg. дои : 10.1007/978-3-642-56640-0 . ISBN 978-3-642-63034-7 . S2CID 135790075 .
- ^ Оцимский, Андрей; Хозава, Мицунори (1998). «Шлирен-визуализация естественной конвекции в бинарных системах газ-жидкость». Химико-техническая наука . 53 (14). Эльзевир Б.В.: 2547–2573. Бибкод : 1998ЧЭнС..53.2547О . дои : 10.1016/s0009-2509(98)00092-x . ISSN 0009-2509 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Грейди, Дениз (28 октября 2008 г.). «Таинственный кашель, снятый на пленку» . Нью-Йорк Таймс . п. Д3 . Проверено 28 октября 2008 г.
- «Шлирен-фотография – как это работает?» . ian.org . 22 января 2010 г. Проверено 4 апреля 2020 г.
- «Высокоскоростная баллистическая визуализация: гостевой блог Натана Бура из Aimed Research» . mousegunaddict.blogspot.com . 10 июня 2013 г. Проверено 4 апреля 2020 г.
- Бакнер, Бенджамин Д.; Л'Эсперанс, Дрю (2013). «Цифровая синхронно-баллистическая шлирен-камера для высокоскоростной фотосъёмки пуль и ракетных саней». Оптическая инженерия . 52 (8): 083105. Бибкод : 2013OptEn..52h3105B . дои : 10.1117/1.OE.52.8.083105 . ISSN 0091-3286 .
- Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : «Шлирен-оптическая система и аэродинамические испытания, 1958 г., Учебный фильм Shell Oil Co. XD13174» . ПерископФильм. 03.04.2020 – через YouTube.
- «Шлирен Оптика» . Демонстрации лекций по естественным наукам в Гарварде . Проверено 3 февраля 2024 г.
- РольфеФоллоу, Брайан (25 ноября 2015 г.). «Шлирен-визуализация: как увидеть поток воздуха!» . Инструктажи . Проверено 3 февраля 2024 г.
Фотография |
|---|
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
