Способ определения распределения плотности прозрачных неоднородностей Советский патент 1987 года по МПК G01N21/45 

1

Изобретение относится к области оптической измерительной техники и может быть использовано при исследовании потоков газодинамических и химических проточных лазеров интерференционными методами, в элементах устройств с высокоэнергетическими потоками газа, например теплообмен- ные камеры, а также при изучении неосесимметричных течений газа.

Целью изобретения является повы шение точности измерений распределения плотности прозрачных неоднород ностей для плоских нестационарных течений.

На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа, вид сверху.

Устройство содержит источник 1 монохроматического излучения в виде рубинового лазера ОГМ-20 с рассеива телем, работающий в режиме гигантского импульса (9 694 нм), конденсор 2, дифракционные решетки 3 и 4 (75 штрУмм), расположенные в фокальных плоскостях линз 5 и 6. Объект исследования представляет собой уданую волну, взаимодействующую с моделью, помещенную в рабочую камеру 7 между защитными стеклами 8 и 9 прямугольного сечения. На защитных стенках укреплены комплементарно призмы 10 и 11, Регистрирующее устройство 12 представляет собой фотопленку.

Способ реализуется следующим образом.

Пучок монохроматического света от источника 1 импульсного лазерного излучения с рассеивателем и осветительной диафрагмой, установленной для улучшения качества интерференционной картины и защиты оптических элементов приборов, проходит через конден- coip 2, строящий изображение осветительной диафрагмы на дифракционной решетке 3, выполняющей роль светоделителя, используемого как и в других интерференционных устройствах дЛя создания когерентных интерферирующих пучков. Монохроматический свет падает на линзу 5 в виде нескольких когерентных пучков, сдрину- тых друг относительно друга перпен- дикуйярно оптической оси (показан только один пучок нулевого порядка). Линза 5 делает падающие пучки параллельными. Пучок параллельных лучей направляется в рабочую камеру 7 с защитными стеклами 8 и 9. Параметры

5

0

5

дифракционной решетки выбраны такими, что пучки света сдвинуты один относительно другого на половину поля зрения рабочей камеры для того, чтобы половину рабочей камеры отвести для невозмущенного поля, например, перед фронтом ударной волны, а другую половину - для возмущенного поля. Размер стекла 8 в направлении сдвига пучков таков, что в камеру попадают только эталонный и объективный пучки, а остальные отсекаются.

Часть пучков света, проходящая через призму 10, установленную на защитном стекле 8, отклоняется на угол ot , определяемый преломляющим углом призмы, остальная часть пучков света проходит через защитное стекло В без отклонения, минуя призмы. Пучки, отклоненные призмой 10, проходят через эталонную и исследуемую среды, размещаемые в двух половинах рабочей камеры 7, ограниченной стенками 13, Пучки неотклоненных лучей проходят через те же среды. Все прошедшие камеру 7 пучки лучей света выходят через защитное стекло 9, При этом пучки лучей, отклоненные призмой 10, проходят через отклоняющую призму 11, установленную комплементарно призме 10 и идентичную ей, и возвращаются к исходному направлению. Далее все прошедшие камеру пучки лучей фокусируются линзой 6 приемной части уст5 ройства на дифракционной решетке 4, аналогичной дифракционной решетке 3, интерферируют и регистрируются устройством 12 на фотопленке, причем одновременно линза 6 в плоскости ре0 гистрации устройства 12 строит изображение объекта.

Пример. Исследуемую среду с возбужденной в ней квазистационарной или нестационарной ударной волной по5 мещают в камеру для исследуемой среды устройства, собранного на базе.теневого прибора ИАБ-451, так, что образующие поверхности газодинамического разрыва параллельны главной опQ тической оси, освещают устройство монохроматическим светом от источника, находящегося на главной оптической оси интерферометра. Однородный газ по одну из сторон первичной ударной

волны выбран в качестве эталонной среды. Снаружи защитных стекол по обе стороны объекта комплементарно ук реплены призмы с преломляющим углом 11 , длиной преломляющей грани.

0

равной суммарной ширине опорного и предметного пучка 200 мм и шириной 10 мм (т.е. 0,05 длины). Ширина преломляющей грани призмы должна быть

сделана по возможности малой, чтобы

как можно меньше маскировать интерференционное изображение картины поля течения в прямых лучах, но достаточной для регистрации интерферен- ционной картины течения в наклоненных лучах. Призмы устанавливались таким образом, чтобы отклоняемые ими лучи лежали в плоскости, перпендикулярной поверхности разрыва в точке измерения. Возможно произвольное расположение призм по отношению к направляющей поверхности исследуемого разрыва, удовлетворяющее условию разрешения интерференционных полос в ре гистрируемой картине: npg /sinoiin pg (прег регистрируемая частота интерференционных полос на изображении ударной волны; Г1„.,е, частота, рав- ная разрешению прибора).

Размеры защитных стекол (фрон- тальч,ых стенок) камеры для размещения исследуемой среды .выбраны такими чтобы они не ограничивали опорный и предметный пучки параллельных лучей, которые как и в дифракционном интерферометре примыкают друг к другу. Пучок монохроматических лучей, падающий на защитные стекла вне призмы, осве- щает рабочую камеру, в которой находятся исследуемый объект и эталонная среда - невозмущённый газ перед фронтом падающей ударной волны - лучами, параллельными главной оптической оси интерферометра, а следовательно, образующей поверхности разрьша плотности исследуемого объекта. Пучок монохроматических лучей, отклоненных призмой, просвечивает исследуемый объект и эталонную среду под углом

о

Hi 6 arctg - и главной оптической

оси устройства, где S - предполагаемое максимальное смещение интерфе- ренционных полос на изображении разрыва в наклоненных лучах; |3 -разрешающая способность приемной части и регистрирующего устройства (фотопленки) ; М - масштаб изображения; Т - ширина неоднородности. Призма, комплементарная первой, возвращает пучок откло.ненных лучей к прежнему направлению.

5 о 5

0 5 0 5

g

В приемной части устройства регистрируется интерферограмма; на ней видны два интерференционных изобра- жения,( появившиеся в результате просвечивания объекта в двух направляющих. На одном изображении, соответствующем части интерферограммы вне призм, ударная волна имеет вид линии, на которой теряется определенность номера интерференционной полосы. На другом изображении, являющемся результатом интерференции опорного и предметного пучков лучей, прошедших через призмы, соответствующая часть поля течения и ударной волны изображаются интерференционными полосами с непрерьтно меняющимся номером.

Для того, чтобы по смещению полос на интерферограмме найти распределение плотности в поле течения вне разрывов, необходимо иметь значение плотности газа в невозмущенной части течения за ударной волной, которое находят, зная величину плотности газа перед ударной волной (по давлению и температуре в рабочей камере до опыта) и величину разрыва плотности газа в ударной волне. Амплитуду скачка плотности в разрьте ударной волны находят по формуле

uN -i -costl Ь.+Ьг„, ,.v йр а,.tgoi,(1)

где Др - амплитуда скачка плотности в разрыве;

у -i величины плотностей по обе

стороны разрьша;

ЙН - смещение интерференционных полос на изображении разрыва плотности в наклоненных лучах;

X - длина волны монохроматического излучения;

К 0 постоянная Гладстона-Дейла;

п - показатель преломления среды;

р - плотность среды;

ui - угол между пучками, пропущенными через исследуемую среду;

к lM 2 .2 КТ

функции производных

г

5

смещений S (х) интерферен- ционнь х полос по разные стороны разрыва плотности;

Т - ширина неоднородности;

X - координата, направленная

перпендикулярно поверхности разрыва.

Устройство собрано на базе теневого прибора . Ход лучей в приборе приведен на чертеже Если устройство настроено на полосу бесконечной Ширины, тогда ударная волна в однородном поле регистрируется в той части интерферограммы, которая ограничена изображением призм в виде пакета интерференционных полос, причем число полос пропорционально амплитуде ударной волны. Число полос, приходящихся на изображение ударной волны, полученное при наклонном просвечивании, равно 9,3. Подставив в (1) значения входящих в нее величин: Л 694 нм; uN 9; cosoi 0,995; Т 7,9 см; К 0,225 CMVr для воздуха и данной длины волны, получим для перепада плотности в ударной волне значение и/ (3,42tO,03).10 г/см . Принято представлять значения плотности, отнесенные к плотности невозмущенного газа РО , например неподвижного воздуха перед ударной волной, тогда ftp/PC, 0,285; РО 1,20 10 г/смз .

Частота интерференционных полос на интерферограмме в невозмущенных зонах ВНР. и в пределах призм различно. Это объясняется цилиндричнос- тью призм. Возможно применение призм у которых радиус кривизны R много больше длины преломляющей грани призмы 1(R/1«1). Используя представление угла отнлонепия луча в виде разложения в степенной ряд по координате X, можно показать8 что члены разложения, Б которые входит R, влияют на настройку устройства, а в используемой формуле (1) для перепада плотности в ударной волне они имеют порядок малости не выше учитываемого. Настройка выбрана такой, чтобы на регистрируемой интерферограмме в пределах изображения призм была бы бесконечно широкая полоса.

Ф,ормула изобретении

Способ определения распределения плотности прозрачных неоднороднос- тей, заключающийся в разделении монохроматического когерентного свето- .вого пучка длиной волны i на пучки, один из которьпч пропускают через эта

5

0

5

0

лонную среду, а два других, направленных под углом друг к другу, про пускают через исследуемую среду, причем один из них в направлении, параллельном пучку, пропущенному через эталонную средуJ регистрации интерференционной картины всей системы пучков, по положению интерференционных полос которой определяют распределение плотности прозрачной неоднородности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений для плоских нестационарных течений, через эталонную среду пропускают дополнительный монохроматический когерентный пучок света, причем этот пучок направлен по отношению к первоначальному пропущенному под углом, равным углу мезкду пучками, пропущенными через исследуемую среду, на регистрируемой интерференционной картине выделяют области, разделенные изображением линий разрыва плотности, в которых измеряют смещения uN и производные смещений S,,. интерференционных полос по разные стороны разрьша плотности, а распределение плотности прозрачной неоднородности определяют по амплитуде скачка плотности в разрыве др , по формуле

рассчитываемой

Р

iN Acos КТ

Ь, + Ьа

,

0

5

0

„ п-1 где К

,i

sU(x) кт

5

постоянная Гладстона- Дейла;

п - показатель преломления среды;

р - плотность среды;

оЬ - угол между пучками, пропущенными через исследуемую среду;

- функции производных смещений S,-ч интерференционных полос по разные стороны разрыва плотности;

Т - ширина неоднородности;

X - координата, направленная перпендикулярно поверхности разрыва.

Изобретение относится к области оптической измерительной техники и позволяет определить поле плотности плоской прозрачной неоднородности в случае нестационарных ударных волн. Цель изобретения - повышение точности измерений. Способ заключается в том, что скрещенные пучки монохроматического когерентного света направляют как через исследуемую, так и через эталонную среды (в разных плоскостях) , регистрируют интерференционную картину и ПС положению интерференционных полос определяют поле плотности неоднородности в целом, при этом для определения амплитуды скачка плотности на интерференционной картине определяют смещения и производные смещений интерференционных полос. 1 ил.

Редактор Л.Гратилло

Составитель С.Голубев Техред Л.Сердюкова

Заказ 5278/43 . Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор И.Муска