Stiroscopie

Compresie la Mach 1.2 observată prin Strioscopie. (Imagine NASA )

Valuri de șoc produse de un Northrop T-38 Talon în timpul zborului, 13 decembrie 1993 Wallops Island , Virginia . Fotografie spectaculoasă a dr. Leonard Weinstein de la Centrul de Cercetare Langley al NASA . Mai multe informații pe site-ul NASA https://web.archive.org/web/20090120202822/http://www.dfrc.nasa.gov/gallery/photo/Schlieren/HTML/EC94-42528-1.html .

O imagine color a panoului termic al unei flăcări de lumânare, deformat de un mic curent de aer care vine din dreapta. Fotografie de Gary S. Settles, Universitatea Penn State.

Strioscopia (sau fotografia Schlieren , din limba germană schliere , în italiană „stria”) este o metodă fotografică (și de înregistrare video) care permite vizualizarea turbulențelor produse în aer sau în alte fluide atunci când acestea sunt comprimate prin trecerea un solid (de ex. un glonț sau un avion). Compresia exercitată asupra fluidelor le modifică densitatea și, prin urmare, și proprietățile optice ( indicele de refracție ) care reprezintă modul în care acestea interacționează cu lumina care trece prin ele. Chiar și o sursă de căldură determină variații ale densității fluidului în care este scufundată (de exemplu aerul) și din acest motiv, suprafața obiectelor foarte fierbinți, cum ar fi asfaltul sau nisipul roșu, pare să tremure sau poate în orice caz provoca o deformare vizuală ( miraj ).

Istorie și utilizări

Strioscopia a fost inventată de fizicianul german August Toepler în 1864 în timpul cercetărilor sale asupra regimului supersonic . Este utilizat pe scară largă în domeniul aeronautic chiar dacă rolul său devine din ce în ce mai puțin important odată cu dezvoltarea simulărilor computerizate de dinamică a fluidelor . Este de neînlocuit în studiul situațiilor în care simulările pe computer pot fi inexacte: de exemplu, atunci când studiați mișcările de aer pe radiatoare foarte fierbinți sau pe asfalt.

Strioscopia este utilizată în studiul schimburilor termice dintre suprafețe și mediu. De asemenea, poate oferi experiențe educaționale interesante, cum ar fi vizualizarea zahărului dizolvându-se în apă.

Operațiune

Motivul funcționării sale constă în minimizarea într-o imagine, prin intermediul unui filtru optic adecvat, a luminii care nu a fost deviată de fluidul în mișcare, adică a razelor de lumină care ajung la observator cu o componentă continuă , adică întotdeauna la aceeași cale. În schimb, razele deviate de fluid vor fi captate și evidențiate și vor ajunge la cameră cu o variație de fază datorită fenomenului de scintilație . Dungile care apar în fotografie, luminoase sau întunecate, corespund unor zone de turbulență ale fluidului în sine în care densitatea este, respectiv, mai mică sau mai mare. Practic, această procedură elimină continuu imaginea de fundal generată de lumina care, traversând fluidul nemișcat, ajunge la observare întotdeauna cu aceleași caracteristici și numai razele de lumină supuse abaterilor continue datorate turbulenței și obiectului în mișcare, care sunt reproduse distinct în imaginea fotografică.

Sistem optic

Sistemul optic de bază constă din cel puțin un obiectiv și un filtru spațial poziționat în planul focal al obiectivului. În planul focal al oricărui sistem optic există transformata Fourier spațială a undei incidente a cărei componentă de ordinul zero este focalizată la punctul focal , în timp ce celelalte la o distanță legată de vectorul lor de undă corespunzător, de vectorul undei incidente și la punctul focal al sistemului.

Filtrul spațial blochează fizic o parte a radiației împrăștiate și imaginea rezultată prezintă dungi luminoase și întunecate în corespondență cu variațiile spațiale ale indicelui de refracție .

Fundamente matematice

Luați în considerare o undă colimată care se propagă de-a lungul axei z și o perturbare a indicelui de refracție al mediului în planul ortogonal (x, y), astfel încât să perturbe faza undei incidente cu o cantitate ${\tilde {\phi }}(x,y)$ ${\ displaystyle {\ tilde {\ phi}} (x, y)}$ ${\ displaystyle {\ tilde {\ phi}} (x, y)}$ .

Luând în considerare pentru simplitate o perturbație monocromatică de-a lungul axei y

{\tilde {\phi }}(x,y)={\hat {\phi }}_{k}\cos(k_{y}y+\alpha )

{\ displaystyle {\ tilde {\ phi}} (x, y) = {\ hat {\ phi}} _ {k} \ cos (k_ {y} y + \ alpha)}

{\ displaystyle {\ tilde {\ phi}} (x, y) = {\ hat {\ phi}} _ {k} \ cos (k_ {y} y + \ alpha)}

unde este $\alpha$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\ alfa$ este faza arbitrară generică.

câmpul electric difuz, în ipoteza unor mici variații de fază, poate fi scris ca

E=E_{0}e^{\imath {\hat {\phi }}_{k}\cos(k_{y}y+\alpha )}=E_{0}+E_{0}\imath {\frac {{\hat {\phi }}_{k}}{2}}e^{\imath k_{y}y}+E_{0}\imath {\frac {{\hat {\phi }}_{k}}{2}}e^{-\imath k_{y}y}

{\ displaystyle E = E_ {0} e ^ {\ imath {\ hat {\ phi}} _ {k} \ cos (k_ {y} y + \ alpha)} = E_ {0} + E_ {0} \ imath {\ frac {{\ hat {\ phi}} _ {k}} {2}} e ^ {\ imath k_ {y} y} + E_ {0} \ imath {\ frac {{\ hat {\ phi }} _ {k}} {2}} e ^ {- \ imath k_ {y} y}}

{\ displaystyle E = E_ {0} e ^ {\ imath {\ hat {\ phi}} _ {k} \ cos (k_ {y} y + \ alpha)} = E_ {0} + E_ {0} \ imath {\ frac {{\ hat {\ phi}} _ {k}} {2}} e ^ {\ imath k_ {y} y} + E_ {0} \ imath {\ frac {{\ hat {\ phi }} _ {k}} {2}} e ^ {- \ imath k_ {y} y}}

unde este $E_{0}$ ${\ displaystyle E_ {0}}$ $E_ {0}$ este câmpul electric incident.

Imaginând să folosim filtrul spațial pentru a bloca, de exemplu, vectorii de undă negativă, obținem că intensitatea la planul imaginii este dată de

I\propto E_{0}^{2}[1-{\hat {\phi }}_{k}\sin(k_{y}y+\alpha )]

{\ displaystyle I \ propto E_ {0} ^ {2} [1 - {\ hat {\ phi}} _ {k} \ sin (k_ {y} y + \ alpha)]}

{\ displaystyle I \ propto E_ {0} ^ {2} [1 - {\ hat {\ phi}} _ {k} \ sin (k_ {y} y + \ alpha)]}

care este, prin urmare, liniar în perturbație, dar defazat cu $\pi /2$ ${\ displaystyle \ pi / 2}$ $\ pi / 2$ cu privire la aceasta.

Limite

Când sursa de lumină este foarte intensă, filtrul poate ascunde mici turbulențe care produc doar o mică schimbare de fază în razele de lumină deviate. Imaginile de acest tip sunt întotdeauna foarte întunecate, deoarece cea mai mare parte a luminii captate este alcătuită din acea componentă continuă care este protejată de filtru.

Schlieren sintetic

Metoda sintetică Schlieren constă în procesarea numerică a unei imagini date pentru a reconstitui tehnica clasică Schlieren prin intermediul algoritmilor corespunzători care reproduc efectul filtrului spațial.