Способ определения распределения плотности прозрачных неоднородностей

-76. ия. ная релаксае. - В сб.:н при налиМфе ИЛэ а и ких 6-4 ой картине опр водные смещ полос. 1 ил ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(53) 535.024 (088.8)(56) Ладен терферомет измерения горении. МБлекмен ция в кисл Газодинами чии химиче 1962, с. 4(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПРОЗРАЧНЫХ НЕОДННОСТЕЙ(57) Изобретение относится к областоптической измерительной техники ипозволяет определить поле плотностиплоской прозрачной неоднородности вслучае нестационарных ударных волн,Цель изобретения - повьппение точности измерений, Способ заключается втом, что скрещенные пучки монохроматицеского когерентного света направляют как через исследуемую, так ичерез эталонную среды (в разных плокостях), регистрируют интерференционкую картину н по положению интерференционных полос определяют полеплотности неоднородности в целом,при этом для определения амплитудыскачка пяотности на интерференционн еляют смещения и прий интерференционных1350564 5 10 15 20 25 30 40 45 50 1Изобретение относится к областиоптической измерительной техники иможет быть использовано при исследовании потоков газодинамических ихимических проточных лазеров интерференционными методами, в элементахустройств с высокоэнергетическимипотоками газа, например теплообменные камеры, а также при изучениинеосесимметричных течений газа.Целью изобретения является повышение точности измерений распределения плотности прозрачных неоднородностей для плоских нестационарныхтечений.На чертеже приведена схема устройства для осуществления способа,вид сверху,Устройство содержит источник 1монохроматического излучения в видерубинового лазера ОГМс рассеивателем, работающий в режиме гигантского импульса (ъ = 694 нм), конденсор 2, дифракционные решетки 3 и 4(75 штр/мм), расположенные в фокальных плоскостях линз 5 и 6. Объектисследования представляет собой ударную волну, взаимодействующую с моделью, помещенную в рабочую камеру 7между защитными стеклами 8 и 9 прямоугольного сечения, На защитных стенках укреплены комплементарно призмы10 и 11. Регистрирующее устройство12 представляет собой фотопленку.Способ реализуется следующим образом.Пучок монохроматического света отисточника 1 импульсного лазерного излучения с рассеивателем и осветительной диафрагмой, установленной дляулучшения качества интерференционнойкартины и защиты оптических элементов приборов, проходит через конденсор 2, строящий изображение осветительной диафрагмы на дифракционнойрешетке 3, выполняющей роль светоделителя, используемого как и в других интерференционных устройствахдля создания когерентных интерферирующих пучков. Ионохроматическийсвет падает на линзу 5 в виде нескольких когерентных пучков, сдвинутых друг относительно друга перпендикуЛярно оптической оси (показантолько один пучок нулевого порядка).Линза 5 делает падающие пучки параллельными. Пучок параллельных лучейнаправляется в рабочую камеру 7 сзащитными стеклами 8 и 9. Параметры дифракционной решетки выбраны такими, что пучки света сдвинуты один относительно другого на половину по ля 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 о 6 , определяемый преломляющим углом призмы, остальная часть пучков света проходит через защитное стекло 8 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 устройства на дифракционной решетке 4,аналогичной дифракционной решетке 3, интерферируют и регистрируются устройством 12 на фотопленке, причем одновременно линза 6 в плоскости регистрации устройства 12 строит изображение объекта.П р и м е р. Исследуемую среду с возбужденной в ней квазистационарной или нестационарной ударной волной помещают в камеру для исследуемой среды устройства, собранного на базе.теневого прибора ИАБ, так, что образующие поверхности газодинамического разрыва параллельны главной оп"тической оси, освещают устройство монохроматическим светом от источника,находящегося на главной оптическойоси интерферометра. Однородный гаэпо одну из сторон первичной ударной волны выбран в качестве эталонной среды. Снаружи защитных стекол по обе стороны объекта комплементарно укреплены призмы с преломляющим уголом 11 , длиной преломпяющейграни, 1350564равной 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 15 измерения. Возможно произвольное расположение призм по отношению к направляющей поверхности исследуемого разрыва, удовлетворяющее условию разрешения интерференционных полос в ре гистрируемой картине: и , /зпып, (п, - регистрируемая частота интерференционных полос на изображении ударной волны; и- частота, равная разрешению прйбора).25 Размеры защитных стекол (фронтальных стенок) камеры для размещения исследуемой среды .выбраны такими, чтобы они не ограничивали опорный и 30 предметный пучки параллельных лучей, которые как и в дифракционном интерферометре примыкают друг к другу. Пучок монохроматических лучей, падающий на защитные стекла вне призмы, освещает рабочую камеру, в которой находятся исследуемый объект и эталонная среда - невозмущенный газ перед фронтом падающей ударной волны - лучами, параллельными главной оптической оси 40 интерферометра, а следовательно, образующей поверхности разрыва плотности исследуемого объекта. Пучок монохроматических лучей, отклоненных призмой, просвечивает исследуемый 45 объект и эталонную среду под углом Кй агсСдЯти главной оптической оси устройства, где Ящ - предполагаемое максимальное смещение интерференционных полос на изображении разрыва в наклоненных лучах; 5 -разрешающая способность приемной части и регистрирующего устройства (фотопленки); М - масштаб изображения;Т - ширина неоднородности. Призма, комплементарная первой, возвращает пучок отклоненных лучей к прежнему направлению. В приемной части устройства регистрируетсн интерферограмма; на ней видны два интерференционных изображения,1 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 непрерывно 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 разрыве ударной волны находят по формуле ЬИ Я соЫ Ь +Ьдр = а - а ---- +Т гы(1)КТ 2где Ьо - амплитуда скачка плотностив разрыве;а а - величины плотностей по обестороны разрыва;ЬМ - смещение интерференционныхполос на изображении раз"рыва п.отнасти в наклоненных лучах,- длина волны монохроматического излучения;и К = --- постоянная Гладстона-ДейлаГФи - показатель преломлениясреды;- плотность среды;М - угол между пучками, пропущенными через исследуемуюсреду;Б,2 (х) ЯЬ = ----- функции производныхы КТсмещений Б, (х) интерференционных полос по разные стороны разрыва плотности;Т - ширина неоднородности;х - координата, направленнаяперпендикулярно поверхностиразрыва.Устройство собрано на базе теневого прибора ИАБ. Ход лучей в приборе приведен на чертеже. Если ус" тройство настроено на полосу бесконечной Йирины, 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 11) значения входящих в нее величин: Ъ = 694 нм; дИ = 9; созЫ. = = 0,995; Т = 7,9 см; К = С,225 см /г для воздуха и данной длины волны, получим для перепада плотности в ударной волне значение д=(3,42+0,03) 16 г/см. Принято представлять значения плотности, отнесенные к плотности невозмущенного газа, например неподвижного 25 воздуха перед ударной волной, тогда д/= 0,285; р = 1,20 10 г/см.Частота интерференционных полос иа интерферограмме в невозмущенных зонах вне и в пределах призм раз- ЗО лично. Это объясняется цилиндричностью призм. Возможно применение призм, у которых радиус крквизны К много больше длкны преломляющей грани призмы 1(КЙ (1). Используя представление угла отклонения луча в виде разложения в степенной ряд по координате х, можно показать, что члены разложения, в которые входит К, влияют на настройку устройства а в испольу40 зуемой 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.Фбрмула изобретенияСпособ определения распределения50 плотности прозрачных неоднородностей, заключающийся в разделении моно- хроматического кагерентного свето,вого пучка длиной волны 3 на пучки, один иэ которых пропускают через эта дВсоМ Ь, + Ьд = КТ + -2 Т К ,и. - 1где К постоянная Гладстона- Дейла;показатель преломления среды,"плотность среды;угол между пучками, пропущеннымк через исследуемую среду ",/84 л (х)ЬКТ функции роиэводныхсмещений 8, ) интерференционных полос по разные стороны разрь 1 ва плотности; ширина неоднородности;координата направленная перпендикулярно поверхности разрыва,лонную среду, а два других, направленных под углом друг к другу, пропускают через исследуемую среду, причем один иэ них в направлении, параллельном пучку, пропущенному че"реэ эталонную среду, регистрации интерференционной картины всей системыпучков, по положению интерференционных полос которой определяют распределение плотности прозрачной неоднородности, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности измерений для плоских нестацконарных течений, через эталонную средупропускают дополнительный монохроматический когерентный пучок света,причем этот пучок направлен по отношению к первоначальному пропущенномупод углом, равным углу между пучками,пропущенными через исследуемую среду,на регистрируемой интерференционнойкартине выделяют области, разделенныьизображением линий разрыва плотности,в которых измеряют смещения дМ ипроизводные смещений 82интер еренционных полос по разные стороныразрыва плотности, а распределениеплотности прозрачной неоднородностиопределяют по амплитуде скачка плотности в разрыве д, рассчитываемойпо формуле1350564 Составитель С.ГолубевТехред Л,Сердюкова Редактор Л.Гратилло Корректор И,Муска Заказ 578/43 Тираж 776 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5