Візуалізація потоків за допомогою фотографії Шлірена

Термін “Schlieren” походить з німецької мови і означає “смуги” або “відхилення”. Що це за техніка фотографування, навіщо її використовувати у проєктах та звідки взялася ця дивна назва?

Уявіть собі мерехтіння повітря в спекотний день. Згідно з законом ідеального газу, гаряче повітря є менш щільним, ніж холодне. Через цю різницю щільності, воно має трохи нижчий показник заломлення. Промінь світла, що проходить крізь градієнт щільності, потрапляє на градієнт показника заломлення, отже, він вигинається, що й спричиняє мерехтіння.

Німецькі майстри з виготовлення лінз ще в 19 столітті, якщо не раніше, почали говорити про “Schelieren”. Поставте себе на місце раннього майстра лінз: ви витратили незліченні години, ретельно шліфуючи скляну заготовку, доки вона не набуде ідеальної кривини. Промивши її від бруду, ви тримаєте її на світлі й бачите аберації — можливо, просторові, можливо, хроматичні. Schliere — це найменш барвисте слово, яке ви могли б сказати, але саме schliere є причиною дефекту. Не дивно, що майстри почали розробляти методи для виявлення невидимих ​​дефектів, які вони називали schlieren?

Коли сьогодні ми говоримо про зображення шлірен, ми зазвичай не маємо на увазі перевірку скляних заготовок. Здебільшого мова йде про сімейство методів візуалізації потоків. Цю номенклатуру ми завдячуємо німецькому фізику Августу Теплеру, який застосував ці оптичні методи для візуалізації потоків рідини в середині 19 століття. Зараз існує ціле сімейство технік шлірен-візуалізації, але в основі всі вони покладаються на один простий факт: у рідині, як-от повітря, показник заломлення змінюється залежно від щільності.

Піонерська установка Теплера — це та, яку ми зазвичай бачимо в сучасних проєктах. Вона базується на тесті Фоко для телескопічних дзеркал. У тесті Фоко точкове джерело світла освітлює увігнуте дзеркало, а лезо бритви розташовується там, де промені фокусуються в точку. Сенсор, або око Фоко, знаходиться за лезом так, що відбите світло від отвору блокується. Це має ефект збільшення будь-яких дефектів лінзи, оскільки промені, що відхиляються від ідеального шляху повернення, будуть заблоковані лезом і не потраплять в око.

Фотографічна установка Теплера працювала так само, за винятком заміни ока фотографічною камерою та використання перевіреного дзеркала. Будь-які зміни щільності в повітрі будуть заломлювати промені, що повертаються, і створювати характерні світлі та темні візерунки на шлірен-фотографії. Це “класичний” шлірен, про який ми вже говорили, але це не єдиний варіант.

Цікаві трюки зі шлірен-фотографією

Наприклад, невелике налаштування, яке робить велику естетичну різницю, — це заміна леза ножа кольоровим фільтром. Заломлені промені тоді набувають кольору фільтра. Дійсно, за допомогою кількох кольорових фільтрів можна кодувати варіації щільності кольором: світло, що проходить через ділянки з високою щільністю, може бути відхилене через два різні кольорові фільтри з кожного боку, а невідхилені промені можуть проходити крізь третій. Це не тільки дуже красиво, але й людське око легше сприймає варіації кольору, ніж яскравості. Альтернативно, світло від точкового джерела можна пропускати через призму. Лінійний розподіл частот від призми має схожий ефект, як і ряд кольорових фільтрів: спотворення кодується кольором.

Більш значна зміна передбачає використання двох опуклих дзеркал у дво-дзеркальній або Z-подібній схемі шлірен. Це має дві основні переваги: по-перше, паралельні промені між дзеркалами означають, що тестова ділянка може бути за склом, що корисно для утримання чутливої ​​оптики позаду високошвидкісного аеродинамічного тунелю. (Це техніка, яку NASA використовувала раніше). Паралельні промені також гарантують, що тінь будь-яких об’єктів та потоку рідини не є проблемою; зміщення джерела світла в класичному шлірен може викликати артефакти від тіней. Звісно, ​​за ці переваги доводиться платити: буквально, у сенсі необхідності купувати два дзеркала, і фігурально, у сенсі того, що налаштування вдвічі складніше. Ті ж самі кольорові трюки працюють так само добре, і вони часто використовувалися в NASA.

Немає жодних причин, чому б не можна було замінити дзеркала лінзами, як у Z-подібній, так і в класичній версії, і люди робили це з успіхом в обох випадках. Дійсно, перший експеримент Роберта Гука передбачав візуалізацію потоку повітря над свічкою за допомогою збиральної лінзи, що було оптично еквівалентно класичній однодзеркальній схемі Теплера. Загалом, дзеркала надають перевагу з тієї ж причини, чому ви ніколи не бачите 8-дюймовий рефракторний телескоп на зоряній вечірці: великі дзеркала набагато легше виготовити, ніж великі лінзи.

Що робити, якщо ви хочете візуалізувати щось, що не поміщається перед дзеркалом? Існує кілька варіантів. Один з них — це шлірен з орієнтацією на фон, про який ми вже писали. З відомим фоном відхилення від нього можна витягти за допомогою технік цифрової обробки сигналів. Ми показали, як це працює зі смартфоном і надрукованою сторінкою, але можна використовувати будь-який неоднорідний фон. NASA використовує землю: дивлячись вниз, Airborn Background Oriented Schlieren (AirBOS) може забезпечувати візуалізацію потоків ударних хвиль і вихорів навколо літака в польоті.

За часів, коли у всіх нас не було суперкомп’ютерів у кишенях, великомасштабна візуалізація потоків все ще була можливою; це вимагало лише оптичного трюку. Потрібна пара відповідних сіток: одна перед лампою, що створює проекцію світла та темряви, і друга перед лінзою. Промені, відхилені варіаціями щільності, потраплять на сітку камери. Це було ефективно використано Гарі С. Стайлсом для візуалізації потоків повітря в системах HVAC у 1997 році.

Це підводить нас до ще одного застосування, відмінного від аерокосмічного. Фотографії з аеродинамічної труби дуже круті, але, будемо чесними: більшість з нас не працюють над надзвуковими дронами чи соплами ракет. Звісно, ​​потік повітря не обов’язково має бути надзвуковим, щоб створювати варіації щільності; дозвукові аеродинамічні тунелі також можуть бути обладнані шлірен-оптикою.

Або, можливо, вас більше цікавить потік повітря навколо компонентів? Щоб ідентифікувати гарячу точку на платі, ІЧ-фотографія набагато простіша. З іншого боку, якщо ваша гаряча точка спричинена недостатнім охолодженням, а не несправністю компонента? Шлірен-зображення можуть допомогти вам візуалізувати потік повітря навколо плати, дозволяючи оптимізувати шляхи охолодження.

Це, ймовірно, буде найпростіше з версією, орієнтованою на фон: ви можете просто закріпити фон з одного боку корпусу вашого проєкту і почати працювати. Я думаю, що якщо хтось із вас почне використовувати шлірен-візуалізацію у своїх проєктах, це може стати “killer app”, яка надихне вас на це. (Вона використовувалася для спостереження за захисними газами при зварюванні, наприклад).

Ще одне місце, де ми використовуємо повітря? У просторі мейкерів. Я ще не бачив, щоб хтось використовував шлірен-фотографію для налаштування охолоджувальних каналів свого 3D-принтера, але ви, безумовно, могли б. Зрештою, залежно від того, що ви друкуєте, належне виведення випарів є серйозною проблемою для здоров’я. Ці випари будуть легко видимі, враховуючи різницю температур, а можливо, навіть хімічний склад, що змінює щільність повітря.

Пам’ятайте, що ключовим моментом, який зображується, є не різниця температур, а різниця щільності. Звукові хвилі — це хвилі щільності, чи можна їх так зображувати? Так! Стоячі хвилі в установках ультразвукової левітації є популярним об’єктом. Стробоскопічні ефекти можна використовувати для нестоячих хвиль, хоча пам’ятайте, що рівень звукового тиску обернено пропорційний частоті, тому звукові частоти можуть бути непрактичними, якщо ви цінуєте свої барабанні перетинки.

Шлірен-фотографія не обмежується повітрям. Варіації щільності в рідинах і твердих тілах також підходять. Хочете побачити, як змішуються різні розчини різної щільності або температури? Шлірен-візуалізація вам допоможе. Спостерігати конвекцію в резервуарі з водою? Або, якщо ви виготовляєте лінзи, ви можете повернутися до основ і використовувати одну з обговорених тут шлірен-технік, щоб допомогти вам зробити їх ідеальними.

Справжня причина, чому я пишу про ці методи, — це не різноманітні застосування, які, я сподіваюся, ви, мейкери, зможете реалізувати: це привід зібрати всі красиві зображення візуалізації потоків, які я можу вмістити в цю статтю. Тож, якщо ви прочитали це і подумали: “У мене немає практичної причини використовувати цю техніку, але вона здається крутою” — чудово! Ми в одному човні. Давайте зробимо кілька красивих зображень. Це все ще вважається хаком.