Войти
A Шлирен фотография, показывающая сжатие перед несвернутым крылом на скорости 1,2 Маха 
Воспроизвести медиа Шлиренское изображение дробовика снаряда, выходящего из ствола. Шлирен фотография (от немецкого; единственное число: Schliere, что означает «полоса») - это визуальный процесс, который используется для фотографирования потока жидкости различной плотности. Изобретенный немецким физиком Августом Топлером в 1864 году для изучения сверхзвукового движения, он широко используется в авиационной технике для фотографирования обтекание объектов потоком воздуха.
В классической реализации оптической шлирен-системы используется свет от одного коллимированного источника, освещающего целевой объект или сзади него. Вариации 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 shadowgraph.
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 однородной плотности 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 положительному и отрицательному градиентам плотности жидкости в направлении перпендикулярно кромке ножа. Когда используется острие, систему обычно называют шлиреновой системой, которая измеряет первую производную плотности в направлении острия. Если острие лезвия не используется, систему обычно называют системой теневого графа, которая измеряет вторую производную плотности.
Схема классического шлирена с использованием параболического вогнутого зеркала Если поток жидкости однороден, изображение будет устойчивым, но любая турбулентность вызовет сцинтилляцию, эффект мерцания , который можно увидеть на нагретых поверхностях в жаркий день. Для визуализации мгновенных профилей плотности может использоваться кратковременная вспышка (а не непрерывное освещение).
В середине 20-го века Р.А. Бертон разработал альтернативную форму шлирен-фотографии, которую сейчас обычно называют фокусирующей шлиреновой или линзово-сеточной шлиреной, основанной на Предложение Юбера 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 системой фокусирующего изображения.
Базовая схема фокусирующей шлирен-системы Основная идея заключается в том, что образец освещения отображается на геометрически конгруэнтном шаблоне отсечки (по сути, множестве лезвий) с фокусирующей оптикой, в то время как градиенты плотности лежат между шаблоном освещения и Образец отсечения отображается, 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 определенную 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.
Ударные волны, создаваемые T -38 Talon во время полета с использованием аналоговой фоновой шлирены Фоново-ориентированной шлиреновой техники основывается 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 как шлирен-объект, так 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 элементы, такие как пейзажи или яркие источники света, такие как солнце и луна. чаще всего выполняется с использованием программных методов, таких как корреляция цифрового изображения и анализ оптического потока для выполнения синтетического шлирена, но можно достичь того же эффекта в построение изображений с помощью аналоговой оптической системы.
Варианты оптического шлирена включают замену острия ножа цветной мишенью, в результате чего получается радужный шлирен, который может помочь в визуализации потока. Различные конфигурации краев, такие как концентрические кольца, также могут обеспечивать чувствительность к переменным направлениям градиента, а также была продемонстрирована программируемая цифровая генерация края с использованием цифровых дисплеев и модуляторов. адаптивная оптика пирамидальный датчик волнового фронта представляет собой модифицированную форму шлирена (с двумя перпендикулярными острыми кромками, образованными 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. Когда-то в СССР был создан ряд сложных шлирен-систем, основанных на принципе телескопа Максутова, многие из которых до сих пор существуют в бывшем Советском Союзе и Китае.
Цветное шлирен-изображение теплового шлейфа от горящей свечи, нарушенного ветром справа. Шлирен-фотография используется для визуализации потоков средств массовой информации, которые сами по себе прозрачны (следовательно, их движение невозможно увидеть непосредственно), 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. 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, изучение отрыва пограничного слоя и определение характеристик оптики.
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с фотографией Шлирена. |
.
