纹影摄影技术及其应用_畅里华

稳 定性 以及 高 压下 火花 放 电等 弱 冲击 波 的发展 等
,
、 、
界面 上 的波系状 况
。
、
界 面不
是 一 种 有着 广泛 用 途 的光 学测 试技术
纹影系统 的基本 原理 及 组 成
纹 影 系统 按 照 光 线通 过 被测 流场 区 的形 状 分 为平 行光 纹 影 系 统和 锥 形 光 纹 影 系 统两 大为 两 类纹 影 系统 的光 学成 像原 理 相 同 锥 形 光纹 影系 统 的结构简 单 其 灵敏度 可 以达 到 平行 光纹 影系 统 的一 倍
。
、
参 考文献
# ∀ !
谭显 祥
,
韩 立石 高 速 摄 影 技 术 北 京
原子 能 出版 社
,
,
冯 天 植 两 种纹影 仪成 像系统 分析 轻 兵器
冯天 植等 纹影 技术 评述 弹道学 报
,
谭 显 样 光学 高速 摄影测试 技术 北 京
科学出版社
,
件
林
高压下 徽物质 喷射 的显 示结果
高压 下 自由 表面 的微物 质 喷射 与冲 击压 力 的大 小有 关 更 与 自由面 的加工 质量 痕 缺 陷等
、 、
。
,
,
表面 粗糙度 划
、
材料类 型 和材料内杂质 引起 的阻 抗 失配 有 关 表面 质量 的缺 陷 使冲击波在 自由面 以射
,
。 , ,
流 的形 式喷射 出 来 微 物质 喷射 的定 量测 量有各 种 方法 但 它 的直观 显 示 用 高速 纹影 方法 是最 适 宜 的
,
还 应保 证必 需 的各 项光 学参数的实现
,
。
用数字相 机和
、
型转镜 式 高速分幅相 机作为 图像接收系统 实现 了纹影 摄影
并研 究 了爆炸丝 熔化
,
高压 火花放
电 自由面微物质 喷射 冲击波 的形 成和 发展 以及冲击波在 有 机玻 璃 中传播 过程等 的显 示 都获 得 了清晰
的纹 影 照 片
。
,
摄 影频 率 为
,
幅 拍 摄到 的高压 火 花放 电激 起
,
的 空气 冲 击波系 列 照 片中的 三 幅
,
氮灯 照 明光源 电压
,
能量
。
光 阑 宽度
,
电极 间隙
,
电极 间 电压 为
。
照 片中 的右柱 是 接高压
,
左 柱接 地
从 高 压 火花 放 电系列 图可 以看 出
,
放
电过 程 是从 中间两 极 开 始 的 空气 冲 击 波 是 以两 个 放 电极 间 隙的 中心 为 圆心
另
么
另
万
万
万
万
万
么
万
图
冲击 波实验 装 里
拼
图
卜
冲 击波 在 有机玻璃 中传 播
林
纹影 摄影 技术及 其应 用
结 论
高速纹 影系 统包 含光 阑和成像 两 组光路 光阑光路 是形 成 纹影 效应 获得高灵 敏度 纹影 系 统 的基 础
,
, 。
成 像 光 路 除 了保 证 清 晰 成像
一
,
避 免 阴影 效应 外
逐 步 向外扩 散 的球形 冲击
,
波
。
而右 柱放 电时 间要 晚一 些 其 空 气 冲击 波 也 是 以右 柱 为 圆心 的球 形冲 击波
,
,
两 冲 击波 相互 重 盛
。
图
中明显 地显 示 出了火 花通 道 以及 高压 接 线柱 细线 尖 端激 发 的空 气冲击波 高 的 灵敏 度
。
证 明了该纹 影 系统具有非常
林
图
林
高压 下 火花 放 电
林
冲击波在透 明介质 中的传播 爆炸实验 装 置 如 图 所示
,
雷 管 引爆 后
,
,
冲 击 波 经钢 板衰 减
,
进 入 有 机玻璃
。
图 是用 能量
,
一
型
转镜 式分 幅相 机作 为 接 收系统
摄 影 频 率为
幅
,
氮 灯照 明光 源 电压
。
,
光 阑宽
度
条 件 下 拍摄 到 的冲 击 波在有机 玻璃中传 播系 列 照 片 中 的三 幅
,
像 面 上 的照 度变 化反 映 了扰 动 区 内相应 部位 的折射 率变化
从而 显 示 了扰动 区 内折射 率 的不均 匀性
。
纹影 系统 的灵敏度
纹影 系 统 的主要 性 能是它 的灵 敏度 也就 是对 扰 动 区 折射 率 微小 改变 的响应 能力 刀 的关 键零 件
。 ,
。
口 是 纹 影系 统
第 四届 全 国爆炸 力学 实验 技术学术会 议
纹 影 摄 影 技 术及 其应用
畅里 华
,
谭 显祥
,
汪
伟
,
尚长水
,
,
李 剑
绵阳
,
田 建华
中国工 程物理 研 究院 流体 物理 研 究所
四川
摘
要
。
阐 述 了高速 纹 影系 统的基 本原 理及 其 组成
。
指 出 了光 阑共扼 成 像 光路 是 该 系统 的核 心
图
反射 式纹影系 统组 成 图
。
光 源 经 聚光镜汇聚 在狭 缝上
出 射平 行 光照 明实缝 限制 照 明光源 的 大小
狭缝 置于 准 直透 镜 的焦面 上 准 直透镜
。
,
再经 纹影透 镜将狭缝 成像 于 位 于 纹 影透 镜 焦平面 的 刀 口 上
。
与此 同 时 扰
,
动 区 经 纹 影透 镜及 照 相 物镜 成像 在 相机 的像面 上
。
以火 花 隙开 关 接通 为计 时零 点
。
各 幅 图像 的 获 取 时
间示 于 图上
相 同条 件 由图
、
图 对 比 可看 出
纹 影 图像 可 以看 到更 多 的细节
林
林
协
林
图
普通 摄影 爆 炸 丝 熔化 过程 系 列照 片
纹影 摄 影 技术及 其应 用
林
图
卜
纹影 摄影爆 炸 丝熔 化过 程系 列照 片
充 填 的砂粒 最先 喷射
然 后真 空油 脂 喷射
,
自由面 空气冲 击波及 波 阵面都 已清 楚地 显 示
冲 击 波尖端 的针 状 喷射也 非常清 晰
。
林
林
林
图
金属 自由 面 真 空油脂 和 砂 粒喷射
第 四届 全 国 爆 炸力学 实验 技术学术会议
高压 下 火 花放 电过 程显 示
图 是用
一
型转镜式分 幅相 机 为接 收系 统
为
,
,
作
司
△
一
八
‘
一
一 欲
加
艺
第四 届全 国爆炸 力学 实验 技术学 术会议
一 一 一一 一 一一 一 一 一
▲
刁
’
△
图
光源 光 阑 像和纹 影 光 阑像
式 中取
将
的变 化 方 向为 轴 式得
,
系统 的光轴 方 向为 轴
△ 五
即 图 中垂 直纸 面 的方 向
式 代入
—
同理
,
二止
刀
声
一
刃
— 即
伽
在肉 方 向也 有 类似 的关 系式
,
。 。 , , ,
,
但 是这 种 纹影 系统 由于 是 同一 条光 线反 复经 过 被 测 区 带 来 了被观 察 区 的 图像失真 平 行光纹 影 系统 能
够 真实地 反 映被 观 察区 密度 的变 化 在 实验 中得到广 泛应 用 平 行光纹影 系 统分 为透 射式和 反射式 两 种 透射 式 的光 学成 像质 量好 但 对视 场要 求 比较大 的 目标 要加 工 大 口 径 的纹 影透 镜又 非 常 困难
,
会 使光 线偏 折
光源 光 阑 的像
在 图 伪 中 以虚 线表 示
,
△
。
而 细 区 域包 含 的 照 明 光
能被 纹影 光 阑遮 掉
因 而 最 终像 面 上 该 处 的照 度多 将会相 应 地 降低 △
即
△
的大 小 与光 线 经 扰动 区 中折 射 率不 均匀 部位 所 产生 的 光线 偏 折角 及 纹 影 透 镜 焦距 刀 之 间 的 关 系式
、
、
由它决定 了纹 影 系
统的 灵 敏度
并用 数字相 机和 转镜 式高速分幅相机作为 接收系统 研 究 了爆炸 丝 熔化
,
高压 火花放 电
、
自由面微 物质 喷射
冲击 波 的形 成 和 发展 以及 冲击 波在 有机 玻璃 中传播过 程
取 得 了很 好 的实验 结 果
。
关键词
高速 摄影
纹影 方法
爆 轰波 与冲 击波
它平 行于 光源狭缝关 放在 纹影 镜 的焦平面 上
,
。
在 试 验 区 内无 扰动存在 时 密度 均 匀 当扰 动
,
区 折 射率 均 匀 时
光源 光 阑 狭 缝 的像 和 纹影 光阑 刀 口 完 全 重 合
,
如图 ! 所示
。
图 ! 中
,
为纹 影光
,
阑 宽度
沿 方向
工
为 光 阑长 度
。
但 如果 扰动 区 某点 的折 射 率有 别于 其 它部 位 时 相对 于 纹 影光 阑抬 高 或降低
,
协
长
钨丝
,
当高压 脉 冲触 发火 花 隙开 关后
。
,
储 能 电源 使钨 丝 熔 化
,
。
钨丝 用 两根 放 电柱
,
置 于 纹 影 系 统 的 扰动 区
采 用 数 字相 机作 为 图像 接 收系 统
、
摄 影频 率
、
夕 幅
,
照 明光 源 碘
钨灯
,
拍摄 的 钨丝 熔 化过程 的系 列 照 片 见 图
。
图
,
满 意 的结 果
。
透 射 式纹 影 系 统
、
反 射式 纹影 系 统组 成分 别 见 图
、
图
日
一
一
门
目
‘ 车一 一
光源 聚 光镜
狭缝
准 直 透镜 城
扰动 区
纹 影 透镜 现 刀 口
相机
图
透 射 式纹 影系 统 组成 图
纹影 摄影 技术及 其应 用
兮气刃一一门飞
认
一
一一止》习 士冬丈 生 笠
卜味获二二
引
言
方法
, ,
纹 影 方 法 又称 施利 伦
是 一 种 经 典 的光学 显 示技 术
。
,
把 具有 高时 间分辨 本 领 的 高
, 、
速 相 机 与纹 影 方法 结合 起来 便成 为 高速纹 影 方法 该 方法 在爆 轰 与冲击 波 物 理 实 验 中 用 于 显 示 流 场
冲击 波 阵面 及 在透 明介 质 中 的传 播 观 察 高压 力 下 自由 表面 的微 物质 喷射
在 实 验研 究 中 采 用透 射 式纹 影 系统 用 数字 相 机和 转镜 式 高速 分幅 相机作 为接收系 统 研 究 了爆炸
,
,
丝熔 化
、
高压 火花 放 电
、
自由面 微 物 质 喷射 冲击 波 的形 成和 发 展 以及冲 击 波在 有机玻璃 中传 播过 程
。
爆炸丝 熔化过 程 的显 示
直径
支撑
。
图 是产 生微 物质喷射 的炸 药装 置
。
减 火 火
乙仍 二 之乙优
图
徽物质喷射 实验装
,
图 是用
一
型转镜 式 分幅 相机 为接收系统 摄影 频率 为
,
护幅
,
氮灯 照 明光 源 电压
。
,
能量
,
光 阑宽度
,
拍 摄 到 的高压 火花放 电激 起 的空气 冲击 波系 列照 片中的三 幅
,
由 所 得系
,
列 图可 看 出
,
经 过 纹 影 仪 的准 直镜
,
和 纹 影镜
以及 照 相物 镜
,
光 线构成 了 点和 面
,
。
实 际 拍摄 时 若 实现 了这 两 个成像关系
,
当扰 动 区 某 个部位产 生 了折 射率变化
,
通 过该部
。
位 的光线 便 会产 生偏折
如果 偏折光线 已偏 出刀 口 范 围 那 么 像 平面 上 扰 动 区 该部位 的像就会 变暗 即
竺 左 已鱼 击
刃 刀
一
即
,
式 化量
和式
中的 刀
,
和刀
,
即为 高速 纹影 系统 的灵敏 度
在 一 定 偏 折角
,
即一 定 的 折射 率变
情况 下
系 统 的灵敏 度 越 高 像 面 上照 度 的相对 变 化量 也就 越 大 因 而 系 统对扰 动 区 中微 小折 射
。
率 变化 的表 现 能 力越 强
纹 影技 术 的应用
的光 学成像 虽 然带有 轴 外光 线 成像造 成 的彗 差和 象 散两 类象
, , , ,
,
。
,
反射 式
但 是只 要 在光 路 上 采 用
,
“
’ 形 布 置 和在
,
,
仪 器 使 用 时将 光 刀 刀 口 面调 整 到系 统 的子午 焦平 面 和径 向焦 平面 上 就 可 以减少 两类 象 差 从 而得 到较
由以上可 见 面
’ ,
纹影 系统有 两个 成像 过程
,
一 个 是 光源 狭缝
物 空 间子午 面成像在 仪器 光 刀 刀 口 平
’
像 空 间 共 扼面 上
,
另 一 个 是被测 扰动 区幻 物 空 间子 午面 成像 在仪 器 的照 相胶片 或观 察 屏 自像 空
,
间共 扼面 上 的对 应关 系
两 组 共 扼面 之 间