Введение
Стробоскоп, также известный как стробоскоп, — это прибор, используемый для того, чтобы циклически движущийся объект казался медленно движущимся или неподвижным. Он состоит из вращающегося диска с прорезями или отверстиями либо лампы, например, газоразрядной трубки, которая производит короткие повторяющиеся вспышки света. Обычно частоту стробоскопа можно регулировать. Когда вращающийся или вибрирующий объект наблюдается в свете стробоскопа на частоте его вибрации (или кратной ей), он выглядит неподвижным. Таким образом, стробоскопы также используются для измерения частоты. Этот принцип применяется для изучения вращающихся, возвратно-поступательных, колеблющихся или вибрирующих объектов. Детали машин и вибрирующие струны — типичные примеры. Стробоскоп, используемый для установки момента зажигания двигателей внутреннего сгорания, называется стробоскопической лампой (или лампой зажигания).
A stroboscope, also known as a strobe, is an instrument used to make a cyclically moving object appear to be slow moving, or stationary. It consists of either a rotating disk with slots or holes or a lamp such as a flashtube which produces brief repetitive flashes of light. Usually, the rate of the stroboscope is adjustable to different frequencies. When a rotating or vibrating object is observed with the stroboscope at its vibration frequency (or a submultiple of it), it appears stationary. Thus stroboscopes are also used to measure frequency. The principle is used for the study of rotating, reciprocating, oscillating or vibrating objects. Machine parts and vibrating string are common examples. A stroboscope used to set the ignition timing of internal combustion engines is called a timing light.
Механические
В своей простейшей механической форме стробоскоп может представлять собой вращающийся цилиндр (или чашу с приподнятым краем) с равномерно расположенными отверстиями или прорезями, расположенными на линии видимости между наблюдателем и движущимся объектом. Наблюдатель смотрит одновременно через отверстия/прорези на ближней и дальней сторонах, при этом отверстия/прорези движутся в противоположных направлениях. Когда отверстия/прорези выравниваются на противоположных сторонах, объект становится виден наблюдателю. В качестве альтернативы можно использовать одно движущееся отверстие или прорезь в сочетании с фиксированным/неподвижным отверстием или прорезью. Неподвижное отверстие или прорезь ограничивает свет одним направлением обзора и уменьшает блики от света, проходящего через другие части движущегося отверстия/прорези. Наблюдение через одну линию отверстий/прорезей не работает, поскольку отверстия/прорези кажутся просто перемещающимися по объекту без стробоскопического эффекта. Скорость вращения регулируется таким образом, чтобы она синхронизировалась с движением наблюдаемой системы, которая, кажется, замедляется и останавливается. Эта иллюзия вызвана временной алиасингом, обычно известным как стробоскопический эффект.
Электронная
В электронных версиях перфорированный диск заменяется лампой, способной излучать короткие и быстрые вспышки света. Обычно используются газоразрядные или твердотельные лампы, поскольку они способны почти мгновенно излучать свет при подаче питания и так же быстро гаснуть при его отключении. В отличие от них, лампы накаливания имеют кратковременный период разогрева при включении и период остывания при выключении. Эти задержки приводят к размытию и смазыванию деталей объектов, частично освещенных во время разогрева и остывания. Для большинства применений лампы накаливания слишком медленны для получения четкого стробоскопического эффекта. Однако при питании от источника переменного тока они обычно достаточно быстры, чтобы вызывать слышимый гул (на удвоенной частоте сети) при воспроизведении оптического звука, например, при кинопроекции. Частота вспышек регулируется таким образом, чтобы она была равна или представляла собой дробную часть циклической скорости объекта, при этом объект воспринимается либо неподвижным, либо медленно движущимся назад или вперед, в зависимости от частоты вспышек. Неоновые лампы или светодиоды обычно используются в стробоскопах низкой интенсивности. Неоновые лампы были более распространены до развития твердотельной электроники, но в большинстве применений стробоскопов низкой интенсивности их заменяют светодиоды. Ксеноновые лампы-вспышки используются в стробоскопах средней и высокой интенсивности. Для обеспечения достаточно быстрой или яркой вспышки может потребоваться активное охлаждение, например, принудительное воздушное или водяное охлаждение, чтобы предотвратить плавление ксеноновой лампы-вспышки.
История
Иосифу Плато из Бельгии обычно приписывают изобретение стробоскопа в 1832 году, когда он использовал диск с радиальными прорезями, который вращал, наблюдая за изображениями на отдельном вращающемся колесе. Устройство Плато стало известно как "Фенакистоскоп". Почти одновременно и независимо устройство изобрел австриец Саймон Риттер фон Штампфер, который назвал его "Стробоскоп", и именно его термин используется сегодня. Этимология слова происходит от греческих слов στρόβος (strobos), означающего "водоворот", и σκοπεῖν (skopein), означающего "смотреть". Помимо важных применений в научных исследованиях, первые изобретения сразу же получили широкую популярность как способы создания движущихся изображений, и этот принцип использовался в многочисленных игрушках. Другие пионеры использовали вращающиеся зеркала или вибрирующие зеркала, известные как зеркальные гальванометры. В 1917 году французский инженер Этьен Оехмихен запатентовал первый электрический стробоскоп, одновременно создав камеру, способную снимать 1000 кадров в секунду. Гарольд Юджин Эджертон ("Док" Эджертон) использовал вспыхивающую лампу для изучения движущихся частей машин. Компания General Radio Corporation затем начала производить это устройство под названием "Strobotac" – ранний пример коммерчески успешного стробоскопа. Позже Эджертон использовал очень короткие вспышки света для получения неподвижных фотографий быстро движущихся объектов, таких как пули в полете.
Приложения
Страбоскопы играют важную роль в изучении напряжений в движущихся механизмах и во многих других видах исследований. Яркие стробоскопы способны подавлять окружающее освещение и делать эффект остановки движения заметным без необходимости использования темных условий эксплуатации. Они также используются в качестве измерительных приборов для определения циклической скорости. В качестве стробоскопической лампы они применяются для установки угла опережения зажигания двигателей внутреннего сгорания. В медицине стробоскопы используются для визуализации голосовых связок с целью диагностики состояний, вызывающих дисфонию (охриплость). Пациент издает звук или говорит в микрофон, который, в свою очередь, активирует стробоскоп на той же или немного отличающейся частоте. Источник света и камера располагаются с помощью эндоскопии. Другое применение стробоскопа можно увидеть во многих проигрывателей грампластинок. На краю диска имеются метки через определенные интервалы, так что при просмотре под люминесцентным освещением, работающим на частоте сети, при условии, что диск вращается с правильной скоростью, метки кажутся неподвижными. Это не будет работать должным образом при использовании ламп накаливания, поскольку они не создают заметного стробоскопического эффекта. По этой причине некоторые проигрыватели имеют неоновую лампу или светодиод рядом с диском. Светодиод должен питаться от полуволнового выпрямителя из сетевого трансформатора или от генератора. Мигающие лампы-стробоскопы также адаптированы в качестве светового эффекта для дискотек и ночных клубов, где они создают впечатление танцев в замедленном темпе. Частота стробирования этих устройств обычно не очень точная или высокая, поскольку для развлекательных целей не требуется высокая производительность.
Цвет Фехнера
Быстрое мерцание стробоскопического света может создавать иллюзию, что белый свет окрашен в цвет, известную как цвет Фехнера. В определенных диапазонах кажущийся цвет можно контролировать частотой мерцания. Эффективные частоты стимуляции начинаются с 3 Гц и выше, при этом оптимальные частоты составляют примерно 4–6 Гц. Эти цвета – иллюзия, возникающая в сознании наблюдателя, а не реальный цвет. Волчок Бенхема демонстрирует этот эффект.