Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сұйық ағынын фотоға түсіру процесі
Process to photograph fluid flow
Шлиерен фотосуреті – сұйық ағынын фотоға түсіруге арналған процесс. Оны 1864 жылы неміс физигі Август Топлер дыбыс жылдамдығынан асып түсетін қозғалысты зерттеу үшін ойлап тапқан. Бұл процесс әдетте көрінбейтін сұйықтың сыну көрсеткішінің өзгеруін байқауға мүмкіндік береді және қозғалмалы сұйықтан жарық сынуы кезінде туындайтын бұрылыстарды қарау арқылы жүзеге асырылады. Ағын жылдамдығының өзгеруі сұйықтың сыну көрсеткішіне тікелей әсер ететіндіктен, оның сыну көрсеткішінің өзгеруін бақылап, сұйықтың ағын жылдамдығын (сондай-ақ тығыздық, температура және қысымның басқа да өзгерістерін) фотоға түсіруге болады. Шлиерен фотосуреті процесін пайдалану арқылы конвекциялық ағындар және акустикалық левитацияда қолданылатын тұрақтанған толқындар сияқты басқа да көрінбейтін сұйық өзгерістерін де көруге болады.
Schlieren photography is a process for photographing fluid flow. Invented by the German physicist August Toepler in 1864 to study supersonic motion, it is widely used in aeronautical engineering to photograph the flow of air around objects. The process works by allowing normally unobservable changes in a fluid's refractive index to be seen, and is accomplished by viewing the deflections that occur when light is refracted by a moving fluid. Because changes to flow rate directly impact the refractive index of a fluid, one can therefore photograph a fluid's flow rate (as well as other changes to density, temperature, and pressure) by viewing changes to its refractive index. Using the Schlieren photography process, other unobservable fluid changes can also be seen, such as convection currents, and the standing waves used in acoustic levitation.
Классикалық оптикалық жүйе
Классикалық оптикалық шлирен жүйесінің іске асырылуы мақсатты нысанға немесе оның артына сәуле шашатын бір ғана коллимцияланған көзден жарық пайдаланады. Сұйықтық тығыздық градиенттерінен туындаған сындыру индексінің өзгеруі коллимцияланған жарық сәулесін бұрмалайды. Бұл бұрмалау жарық интенсивтілігінің кеңістіктегі өзгеруін тудырады, оны тікелей көлеңкелік суреттеу жүйесімен көруге болады. Классикалық шлирен суреттеу жүйелері бір немесе екі айнаны пайдалана отырып, екі конфигурацияда кездеседі. Әр жағдайда, мөлдір нысан коллимциялық немесе дерлік коллимциялық жарықпен жарықтандырылады. Нысаннан бұрылмаған сәулелер өз ошақ нүктесіне жетеді, онда олар пышақ жиегімен тоқтатылады. Нысанның бұрмалауынан бұрылған сәулелер пышақ жиегінен кедергісіз өту мүмкіндігіне ие. Нәтижесінде, камераны пышақ жиегінен кейін орналастыруға болады, сонда нысанның суреті сәулелердің бұрылуына байланысты интенсивтілік өзгерулерін көрсетеді. Соның нәтижесінде, пышақ жиегіне перпендикуляр бағыттағы сұйықтықтың оң және теріс тығыздық градиенттеріне сәйкес келетін ашық және қараңғы дақтардың жиынтығы пайда болады. Пышақ жиегі қолданылғанда, жүйе әдетте шлирен жүйесі деп аталады, ол пышақ жиегі бағытындағы тығыздықтың бірінші туындысын өлшейді. Егер пышақ жиегі қолданылмаса, жүйе әдетте көлеңкелік суреттеу жүйесі деп аталады, ол тығыздықтың екінші туындысын өлшейді. Екі айналы шлирен жүйесінде (кейде Z конфигурациясы деп аталады), көз бірінші айнамен коллимцияланады, коллимцияланған жарық нысан арқылы өтеді, содан кейін екінші айнамен шоғырланады. Бұл, әдетте, бір айналы конфигурацияны пайдалануға қарағанда жоғары ажыратымдылықта суреттеуге (нысанның ұсақ бөлшектерін жақсы көруге) мүмкіндік береді. Егер сұйықтық ағыны біркелкі болса, сурет тұрақты болады, бірақ кез келген турбуленттік сцинтилляцияны тудырады – ыстық күндері қыздырылған беттерде көрінетін жылтылдау әсерін. Жедел тығыздық профильдерін визуалды түрде көрсету үшін қысқа мерзімді импульстік жарық (тұрақты жарықтандырудың орнына) қолданылуы мүмкін.
The classical implementation of an optical schlieren system uses light from a single collimated source shining on, or from behind, a target object. Variations in refractive index caused by density gradients in the fluid distort the collimated light beam. This distortion creates a spatial variation in the intensity of the light, which can be visualised directly with a shadowgraph system. Classical schlieren imaging systems appear in two configurations, using either one or two mirrors. In each case, a transparent object is illuminated with collimated or nearly collimated light. Rays that are not deflected by the object proceed to their focal point, where they are blocked by a knife edge. Rays that are deflected by the object, have a chance of passing the knife edge without being blocked. As a result, one can place a camera after the knife edge such that the image of the object will exhibit intensity variations due to the deflections of the rays. The result is a set of lighter and darker patches corresponding to positive and negative fluid density gradients in the direction normal to the knife edge. When a knife edge is used, the system is generally referred to as a schlieren system, which measures the first derivative of density in the direction of the knife edge. If a knife edge is not used, the system is generally referred to as a shadowgraph system, which measures the second derivative of density. In the two mirror schlieren system (sometimes called the Z configuration), the source is collimated by the first mirror, the collimated light traverses the object and then is focused by the second mirror. This generally allows higher resolution imaging (seeing finer details in the object) than is possible using the single mirror configuration. If the fluid flow is uniform, the image will be steady, but any turbulence will cause scintillation, the shimmering effect that can be seen over heated surfaces on a hot day. To visualise instantaneous density profiles, a short duration flash (rather than continuous illumination) may be used.
Фокустаушы склеерендік оптикалық жүйе
XX ғасырдың ортасында Р. А. Бертон Хуберт Шардиннің ұсынысына негізделген, қазіргі уақытта көбінесе фокустаушы шлиерен немесе линзалық тор шлиерен деп аталатын шлиерен фотосуреттерінің баламалы түрін жасады. Фокустаушы шлиерен жүйелері әдетте контраст жасау үшін сипаттамалық пышақ жиегін сақтайды, бірақ коллимацияланған жарық пен бір пышақ жиегін пайдаланудың орнына, фокустаушы бейнелеу жүйесімен қайталанатын жиектердің жарықтандыру үлгісін қолданады. Негізгі идеясы – жарықтандыру үлгісі геометриялық сәйкес кесу үлгісіне (негізінен пышақ жиектерінің көптігі) фокустаушы оптика арқылы бейнеленеді, ал жарықтандыру үлгісі мен кесу үлгісі арасындағы тығыздық градиенттері, әдетте камера жүйесі арқылы бейнеленеді. Классикалық шлиерендегідей, бұрмалаулар бұрмалаудың орналасуы мен бағытына сәйкес жарық немесе қараңғы аймақтарды тудырады, себебі олар сәулелерді кесу үлгісінің мөлдір емес бөлігінен немесе оған қарай қайта бағыттайды. Классикалық шлиеренде сәуле жолындағы бұрмалаулар бірдей визуализацияланады, ал фокустаушы шлиеренде камераның объектілер өрісіндегі бұрмалаулар ғана анық бейнеленеді. Объектілер өрісінен алыстаған бұрмалаулар бұлыңғыр болады, сондықтан бұл техника тереңдікті таңдауға мүмкіндік береді. Оның тағы бір артықшылығы – коллимация қажет болмағандықтан, жарықтандырылатын фонның әртүрлі түрлерін пайдалануға болады. Бұл классикалық шлиерен жүйелеріне қарағанда құрастыру және реттеуі әлдеқайда оңай болатын проекциялық негіздегі фокустаушы шлиерен жүйелерін құруға мүмкіндік береді. Классикалық шлиеренде коллимацияланған жарық талабы көбінесе үлкен жүйелерді салу үшін маңызды практикалық кедергі болып табылады, өйткені коллимациялайтын оптиканың көру өрісімен бірдей болуы қажет. Фокустаушы шлиерен жүйелері проекциялық жүйемен жасау әсіресе оңай болатын үлкен фондық жарықтандыру үлгісі бар ықшам оптиканы пайдалана алады. Үлкен кішірейту жүйелері үшін жарықтандыру үлгісі фон үлгісін бұлыңғыр етуге мүмкіндік беру үшін көру өрісінен екі есе үлкен болуы керек.
In the mid 20th century, R. A. Burton developed an alternative form of schlieren photography, which is now usually called focusing schlieren or lens and grid schlieren, based on a suggestion by Hubert Schardin. Focusing schlieren systems generally retain the characteristic knife edge to produce contrast, but instead of using collimated light and a single knife edge, they use an illumination pattern of repeated edges with a focusing imaging system. The basic idea is that the illumination pattern is imaged onto a geometrically congruent cutoff pattern (essentially a multiplicity of knife edges) with focusing optics, while density gradients lying between the illumination pattern and the cutoff pattern are imaged, typically by a camera system. Like in classical schlieren, the distortions produce regions of brightening or darkening corresponding to the position and direction of the distortion, because they redirect rays either away from or onto the opaque part of the cutoff pattern. While in classical schlieren, distortions over the whole beam path are visualized equally, in focusing schlieren, only distortions in the object field of the camera are clearly imaged. Distortions away from the object field become blurred, so this technique allows some degree of depth selection. It also has the advantage that a wide variety of illuminated backgrounds can be used, since collimation is not required. This allows construction of projection based focusing schlieren systems, which are much easier to build and align than classical schlieren systems. The requirement of collimated light in classical schlieren is often a substantial practical barrier for constructing large systems due to the need for the collimating optic to be the same size as the field of view. Focusing schlieren systems can use compact optics with a large background illumination pattern, which is particularly easy to produce with a projection system. For systems with large demagnification, the illumination pattern needs to be around twice larger than the field of view to allow defocusing of the background pattern.
Қорғау-бағдарланған әдістер
Фондық бағдарланған склирен техникасы (BOS) фокустағы бейнелердегі ығысуларды өлшеуге немесе көруге негізделген. Бұл техникаларда фон және склирен объектісі (көрсетілетін бұрмалау) екеуі де фокуста болады, ал бұрмалау фон бейнесінің бір бөлігі бастапқы орнына қатысты жылғалысы арқылы анықталады. Осы фокус талабына байланысты, олар көбінесе склирен объектісі мен фон алысқа орналасқан жағдайларда қолданылады (әдетте оптикалық жүйенің гиперфокалдық қашықтығынан тыс). Бұл жүйелер камерадан басқа қосымша оптиканы қажет етпейтіндіктен, құрастыру бойынша ең оңайырақ болып табылады, бірақ олар әдетте басқа склирен жүйелерімен салыстырғанда сезімталдығы төмен, ал сезімталдық камераның ажыратымдылығымен шектеледі. Бұл техникаға қолайлы фондық бейне де қажет. Кейде эксперимент жүргізуші кездейсоқ нүктелі үлгі немесе анық сызық сияқты фонды ұсынуы мүмкін, бірақ ландшафттар немесе күн мен ай сияқты жарқын жарық көздері сияқты табиғи нысандар да қолданылуы мүмкін. Фондық бағдарланған склирен көбінесе сандық бейнелерді салыстыру және оптикалық ағынды талдау сияқты бағдарламалық әдістер арқылы синтетикалық склирен жасау үшін қолданылады, бірақ аналогты оптикалық жүйемен жолақты бейнелеу арқылы да осындай эффектке қол жеткізуге болады.
Background oriented schlieren technique (BOS) relies on measuring or visualizing shifts in focused images. In these techniques, the background and the schlieren object (the distortion to be visualized) are both in focus and the distortion is detected because it moves part of the background image relative to its original position. Because of this focus requirement, they tend to be used for large scale applications where both the schlieren object and the background are distant (typically beyond the hyperfocal distance of the optical system). Since these systems require no additional optics aside from a camera, they are often the simplest to construct but they are usually not as sensitive as other types of schlieren systems, with the sensitivity being limited by the camera resolution. The technique also requires a suitable background image. In some cases, the background may be provided by the experimenter, such as a random speckle pattern or sharp line, but naturally occurring features such as landscapes or bright light sources such as the sun and moon can also be used. Background oriented schlieren is most often performed using software techniques such as digital image correlation and optical flow analysis to perform synthetic schlieren, but it is possible to achieve the same effect in streak imaging with an analog optical system.
Түрлері мен қолданулары
Оптикалық шлирен әдісінің түрлері пышақ жиегін түсті нысанамен алмастыруды қамтиды, нәтижесінде ағынды визуализациялауға көмектесетін көкжиек шлирен пайда болады. Концентрлі сақиналар сияқты әртүрлі жиек конфигурациялары өзгермелі градиент бағыттарына сезімталдық береді, сондай-ақ цифрлық дисплейлер мен модуляторларды пайдаланып бағдарламаланатын цифрлық жиектерді жасау да көрсетілген. Адаптивтік оптикалық пирамидалық толқын фронты сенсоры – бұл шлиреннің (сүйір квадрат пирамиданың төбелерінен жасалған екі перпендикуляр пышақ жиегі бар) өңделген түрі. Толық оптикалық жүйелерді құрастыруға болады немесе оларды коммерциялық құрал ретінде сатып алуға болады. Теория мен жұмыс істеу принциптері Сетлстің 2001 жылғы кітабында егжей-тегжейлі сипатталған. КСРО бір кезде Максутов телескопының принципіне негізделген бірнеше күрделі шлирен жүйелерін өндірген, олардың көптегені бұрынғы Кеңес Одағы мен Қытайда сақталған. Шлирен фотосуреті медиа ағындарын визуализациялау үшін қолданылады, бұл медиалар өздері мөлдір (сондықтан олардың қозғалысын тікелей көру мүмкін емес), бірақ сыну көрсеткіші градиенттерін құрайды, олар шлирен суреттерінде сұр түс немесе тіпті түсті ретінде көрінеді. Сыну көрсеткіші градиенттері бір сұйықтың температурасы мен қысымының өзгеруіне немесе қоспалар мен ерітінділердегі компоненттердің концентрациясының өзгеруіне байланысты болуы мүмкін. Газ динамикасындағы типолық қолданыс – баллистикадағы және үдетілген немесе гиперүндік көлік құралдарындағы соққы толқындарын зерттеу. Жылу, физикалық сіңіру немесе химиялық реакциялардың нәтижесінде туындаған ағындарды визуализациялауға болады. Осылайша, шлирен фотосуреті жылу алмасу, ақауларды анықтау, шекаралық қабаттардың бөлінуін зерттеу және оптиканы сипаттау сияқты көптеген инженерлік мәселелерде қолданылуы мүмкін.
Variations on the optical schlieren method include the replacement of the knife edge by a coloured target, resulting in rainbow schlieren which can assist in visualising the flow. Different edge configurations such as concentric rings can also give sensitivity to variable gradient directions, and programmable digital edge generation has been demonstrated as well using digital displays and modulators. The adaptive optics pyramid wavefront sensor is a modified form of schlieren (having two perpendicular knife edges formed by the vertices of a refracting square pyramid). Complete schlieren optical systems can be built from components, or bought as commercially available instruments. Details of theory and operation are given in Settles' 2001 book. The USSR once produced a number of sophisticated schlieren systems based on the Maksutov telescope principle, many of which still survive in the former Soviet Union and China. Schlieren photography is used to visualise the flows of the media, which are themselves transparent (hence, their movement cannot be seen directly), but form refractive index gradients, which become visible in schlieren images either as shades of grey or even in colour. Refractive index gradients can be caused either by changes of temperature/pressure of the same fluid or by the variations of the concentration of components in mixtures and solutions. A typical application in gas dynamics is the study of shock waves in ballistics and supersonic or hypersonic vehicles. Flows caused by heating, physical absorption or chemical reactions can be visualised. Thus schlieren photography can be used in many engineering problems such as heat transfer, leak detection, study of boundary layer detachment, and characterization of optics.