王松

摘 要：本文在前人理論基礎(chǔ)上，嘗試使用一種基于參數(shù)分類、追求各性能參數(shù)平衡的聚焦紋影系統(tǒng)設(shè)計思路，根據(jù)該思路探討不同設(shè)計的對比，初步探索系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)律。結(jié)果表明，流場處于紋影鏡和源格柵之間，近紋影鏡37%間距處時，各性能參數(shù)例如靈敏度、分辨率、聚焦深度、視場大小、放大率等，能夠取得比較平衡的效果。最后針對實驗室超音風洞，優(yōu)化了刀口柵的制備。

關(guān)鍵詞：聚焦紋影 設(shè)計 密度場測量 光學顯示 激波

中圖分類號：V211.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（b）-0089-02

基于前人所取得的理論成果，本文目的在于服務(wù)葉柵內(nèi)部流動測試，嘗試探討聚焦紋影系統(tǒng)的設(shè)計方法，通過設(shè)計結(jié)果的對比，形成對本設(shè)計方法的規(guī)律性認識。最后，依據(jù)該設(shè)計方法設(shè)計了一套本實驗室的聚焦紋影系統(tǒng)，并通過使用單向玻璃，實現(xiàn)靜態(tài)圖像采集和動態(tài)視頻錄制。

1 聚焦紋影系統(tǒng)設(shè)計思路

聚焦紋影系統(tǒng)設(shè)計是一個各類參數(shù)耦合考慮的反問題。依據(jù)物理模型，先梳理各物理量，然后通過不同類型的公式將其聯(lián)系起來得出結(jié)果。表1列出了系統(tǒng)中涉及的性能、元器件、幾何布置三大類參數(shù)；表2列出了聚焦紋影系統(tǒng)所遵循的設(shè)計公式。

實際設(shè)計中，首先確定測試需求，引入需討論的參變量，確定各物理量隨選定自變量的變化規(guī)律，然后通過綜合設(shè)計曲線選定最佳設(shè)計點，進而導出具體設(shè)計參數(shù)，最后根據(jù)限定條件校核系統(tǒng)，反饋設(shè)計，由于試驗平臺情況，本文需要設(shè)計一個在分辨率較高的基礎(chǔ)上，性能比較平衡系統(tǒng)，視場大小與風洞噴管尺寸相關(guān)，以保證觀察到流場主要特征結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件是紋影鏡頭，一般可使用商用單反定焦鏡頭。通常焦距在150～550mm，光圈值為f/2.5～f/6可以獲得好的結(jié)果。由于L、l可變化域是焦距f的正線性函數(shù)，切光像高a與f正線性相關(guān)，因此鏡頭務(wù)必為中長焦。一般來說，為保證成像質(zhì)量，要求在光源足夠明亮的同時，盡量使用長焦、大光圈口徑、解像力高、廣角的紋影鏡。本文要考慮到成本問題，選用佳能EF135mmf/2L USM和佳能EF 300mmf/4L IS USM定焦單反鏡頭進行設(shè)計檢驗。

2 系統(tǒng)設(shè)計研究

系統(tǒng)遵從透鏡成像規(guī)律，所以取值范圍有限?？紤]到系統(tǒng)尺寸及成像大小，取l∈（1.1f，3f），L∈（3f，8f）。

光源像高a過小時，圖像亮度不足；a過大，靈敏度下降，因此將切光量設(shè)為源格柵像高一半。引入幾何關(guān)系式：1/n=2a+b。結(jié)合靈敏度、分辨率、清晰度指標3個核心公式，3個方程存在5個未知數(shù)，必須給定兩個參數(shù)，方程組才有適定解。

這里將L定為參變量，在（3f，8f）中選定距離4f。l作為自變量，研究l在（1.1f，3f）區(qū)間變化時，系統(tǒng)各參數(shù)變化趨勢。

首先分別給出a，n，w，DS，DU關(guān)于l的曲線關(guān)系，進而導出b，m，總長等其他函數(shù)關(guān)系。根據(jù)各參數(shù)在本設(shè)計中的優(yōu)先級，選取8個關(guān)鍵的參數(shù)進行設(shè)計點選?。悍糯舐蕀，切光后光源像高a，刀口柵不透明條寬b，分辨率ω，清晰聚焦深度DS，非清晰聚焦深度DU，視場尺寸FVS，核心系統(tǒng)總長lcore。表2分析了這8個參數(shù)隨l的變化情況。

根據(jù)以上8個參數(shù)隨l的變化情況，分別取8個參數(shù)最大值將其歸一化，得出綜合設(shè)計曲線。再進一步選取設(shè)計點，反復迭代設(shè)計結(jié)果，直至通過限定條件校核。

實驗系統(tǒng)部件制作改進。刀口柵為源格柵的負像，尺寸值一般為縮比的源柵。定量分析的實驗中，靈敏度要求比較高，則刀口柵需要非常精密。本設(shè)計結(jié)果中刀口柵擋光條僅為0.13mm，考慮制作精度及成本后，決定使用激光光繪法。該方法加工精度高，黑白對比度好，加工便捷，成本較為低廉。

3 結(jié)論

（1）本課題著眼于超音測試，開展了聚焦紋影系統(tǒng)設(shè)計研究，搭建了一套聚焦紋影系統(tǒng)，進行了超音流場測試實驗應(yīng)用，對采集照片進行了初步處理，取得了一定結(jié)果。

（2）設(shè)計對比得出：同一種鏡頭，相同的幾何布置下，可通過更替配套光柵來實現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度的調(diào)整。

（3）根據(jù)流場強度適當選取系統(tǒng)靈敏度；根據(jù)實驗臺空間限制校核幾何布局參數(shù)。

（4）蠟燭實驗驗證，聚焦紋影系統(tǒng)性能參數(shù)達到了設(shè)計預(yù)期。超音流場實驗中，能較準確捕捉到流場波結(jié)構(gòu)。

（5）分析若干因素對聚焦紋影圖像的影響，對圖像進行了初步處理。

（6）選取光繪法制作格柵，該設(shè)計系統(tǒng)下一步將探索該技術(shù)在渦輪葉柵實驗中的應(yīng)用。

參考文獻

[1] Burton RA.A Modified Schlieren Apparatus for Large Areas of Field[J].Journal of the Optical Society of America，1949（11）：907.

[2] Boedeker LR.Analysis and construction of a sharp focusing Schlieren system[D]. Massachusetts Institute of Technology，1959.

[3] Weinstein LM.Large-field high-brightness focusing schlieren system[J].American Institute of Aeronautics and Astronautics，1993，31（7）：1250-1255.endprint