Принципы работы аэродинамической трубы. Технология изучения прозрачных неоднородностей с помощью «теневого» метода

1. Введение

            При исследовании прозрачных неоднородностей широкое распространение получили теневые методы. За последнее время теория и экспериментальная методика применения теневых методов претерпели существенное изменение.

            Теневой метод был впервые предложен французским астрономом Леоном Фуко в 1858 г. для контроля качества изготовления больших астрономических объективов высокой разрешающей силы. В этой области он до сих пор известен как «метод ножа Фуко».

             В 1864 г. немецкий физик Август Теплер применил этот метод для исследования газовых неоднородностей. По существу он лишь открыл новое применение уже известного способа Л. Фуко, но большая ценность полученных результатов и всё возрастающая роль газовой динамики в общем развитии науки привели к тому, что во многих последующих работах метод назывался именем Теплера.

             Эти два направления явились основными областями применения теневых методов в течении
XIX в.

             Начало XX в. ознаменовалось существенными изменениями в развитии теневых методов. Во-первых: появилась физическая теория, которая позволила объяснить основные закономерности методов с точки зрения волновой оптики. Во-вторых:  резкое расширение области применения теневых методов позволило использовать их практически для всех прозрачных неоднородностей: центрифугирование, микроскопия, изучение конвективных потоков при теплообмене, анализа гидродинамических явлений, контроль качества оптического стекла,  исследование кристаллов различных минералов и тд. В-третьих: развитие теневых методов позволило проводить количественные измерения. Появилось много работ, посвященных определению формы фронта прошедшей неоднородность световой волны и связанных с ней параметров изучаемого объекта — распределение показателя преломления среды, формы зеркала или линзы, параметры набегающего потока и тд.

            Сейчас теория и экспериментальная техника теневых методов продолжают активно развиваться. Однако в настоящее время не существует единой терминологии в области теневых методов. Их называют «шлирными», «методами Теплера», «стриоскопическими», «методами Фуко», «теневыми».

            В нашей работе будет наглядно продемонстрирован один из «теневых» методов, который предоставит качественную картину обтекания клина сверхзвуковым потоком.

2. Теоретическая часть

 2.1 Теневой метод — описание, особенности.

Мы будем считать, что характерными особенностями теневых методов является следующие черты:

1)  Визуализация неоднородности происходит за счёт введения дополнительной диафрагмы, приводящей к фазовым или амплитудным изменениям части светового пучка, которые вызывают перераспределение освещенности в плоскости изображения, позволяющее судить о характере и некоторых параметрах исследуемой неоднородности. Этой особенностью теневые методы отличаются от способов, основанных на изучении свечения или поглощения света, в которых не ставится никакой дополнительной диафрагмы, и от интерференционных поляризационных методов, в которых фазовые или поляризационные изменения вносятся во весь световой пучок.

2)  Изменение освещённости рассматривается в плоскости, сопряженной с плоскостью неоднородности.

Как правило, измеряемой величиной является угол отклонения световых лучей в неоднородности, хотя в ряде случаев могут определяться и другие параметры, например сдвиг волнового фронта и его кривизна.

            Необходимо отметить, что в реальных экспериментах часто имеются отступления от основных признаков, определяющих теневые методы. Так, при исследовании протяжённых неоднородностей все точки объекта не могут быть одновременно сопряжены с плоскостью изображения, не которые из них получаются расфокусированными. В этом случае можно рассматривать образование изображения с точки зрения двух методов — теневого и светящейся точки. Однако в большинстве случаев влияние этих отступлений невелико и может рассматриваться как погрешность теневого метода.

            Диафрагму, которая вносит амплитудные и фазовые изменения в часть светового пучка, будем называть визуализирующей диафрагмой. Конкретная форма её может быть различной: нож Фуко, фазовый нож, криволинейная диафрагма, штриховая решётка и тд.

            Для наглядности теневого метода рассмотрим принцип Фуко — первый теневой метод, который до сих пор остаётся основным для проведения качественных измерений. Это метод заключается в следующем: на некотором расстоянии  от исследуемого объектива, рефлектора или рефрактора О₁  помещается точечный источник света И (рис. 1), а в том месте, где объектив дает изображение этой точки, становиться диафрагма Н — пластинка с острым прямолинейным краем, называемая ножом Фуко.

Рис.1. Принцип теневого метода предложенного Л. Фуко.

            Если объектив не имеет аберраций и выходящая из него волна сферическая, то при движении ножа перпендикулярно оптической оси картина мгновенно и равномерно гаснет, как только нож закрывает изображение источника света. Если же некоторые участки объектива искажают волновой фронт, присутствует аберрации, то идущий от этих участков свет даёт изображение светящейся точки в другом месте; поэтому в тот момент, когда диафрагма закроет основное изображение источника света, лучи, идущие из неоднородности, будут попадать на экран. Неоднородность будет казаться освещенной на тёмном поле.

            В случаи реальных оптических систем в поле может быть много точек, отклоняющих световые лучи на разные углы. Тогда при разбиении исследуемого объекта на большое число отдельных участков мы получим от каждого из них своё элементарное изображение источника. Каждый участок будет затемняться в тот момент, когда нож будет перекрывать изображение источника света, образованное идущими от этого места объектива лучами. Дефекты стекла или неточности обработки поверхности становятся видимыми. Объект выглядит, так как будто он освещён сбоку.