РЕГИСТРАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН С ПОМОЩЬЮ ТЕНЕВОГО ФОНОВОГО МЕТОДА

С.И. Герасимов^1,2,3,4, Н.А. Трепалов³

¹Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 115409  Москва

²Саровский физико-технический институт НИЯУ МИФИ, 607186 Саров, Россия

³Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 607190 Саров, Россия

⁴Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева, 603950 Россия

Содержание

1. Введение

2. Теневой фоновый метод

3. Постановка экспериментов

4. Анализ полученных результатов

5. Заключение

Литература

Аннотация

Основными параметрами, характеризующими воздушных ударных волн с точки зрения критериев поражения, являются избыточное давление на фронте и удельный импульс фазы сжатия. Традиционно для экспериментальных измерений параметров воздушных ударных волн используются датчики измерения различных физических величин с электрическим способом вывода информационного сигнала. Альтернативой методов измерения параметров воздушных ударных волн с помощью датчиков являются оптические методы. Оптические методы обладают рядом принципиальных достоинств: бесконтактность применения, отсутствие влияния на параметры исследуемого явления, возможность проведения качественных и количественных измерений. Представлены результаты измерений при распространении ударных волн при взрывах различных взрывчатых веществ. В каждом опыте использовалась высокоскоростная цифровая камера и визуализация ударных волн осуществлялась c использованием теневого фонового метода.

Ключевые слова: визуализация, воздушная ударная волна, теневой фоновый метод, высокоскоростная камера.

1. Введение

Успех в изучении различных энергетических материалов и процессов, сопровождающих их использование, значительно обуславливается высокоскоростной съемкой цифровой камерой. Современные высокоскоростные камеры практически полностью заменили традиционные аналоговые камеры и широко используются для изучения взрывных процессов. Тем не менее, большинство осуществленных высокоскоростных регистраций проводилось с целью съемки взрывных процессов, и лишь небольшая часть происходила с применением теневых методов для визуализации оптических неоднородностей, сопровождающих изучаемые процессы. Обработка цифровой информации, полученной с помощью скоростной камеры и теневого метода, позволяет получать данные о распространении ударных волн и, в частности, проводить количественные измерения пикового давления в фазе сжатия.

2. Теневой фоновый метод

Оптические методы основаны на изменении параметров излучения в зависимости от оптических свойств исследуемой среды. К наиболее известным оптическим методам относятся теневой метод, интерференционный метод, шлирен метод, а также теневой фоновый метод (ТФМ). Отличительной особенностью ТФМ по сравнению с другими оптическими методами визуализации является простота реализации, что позволяет применять его к очень широкому кругу задач, различных как по своей сути, так и по масштабу. Метод опирается на явление рефракции и современные возможности цифровой обработки изображений [1,2].

Возможность использования теневых и интерференционных методов для исследования газовых потоков обусловлена зависимостью коэффициента преломления газов от их плотности. Для неионизированных газов с большой точностью выполняется соотношение:

,       (1)

где n – показатель преломления, ξ – постоянный для данного газа и данной длины волны коэффициент (постоянная Гладсона-Дейла), ρ – плотность [3].

Рассмотрим принципы работы данных методов с точки зрения геометрической оптики. Пусть плоскопараллельный пучок света проходит через исследуемую область. В случае отсутствия возмущений некоторый луч зондирующего излучения достигает экрана в точке x₀, y₀ с углами падения α₀, θ₀ (рисунок 1). При наличии возмущений плотности и связанных с ними изменений показателя преломления, луч достигнет экрана в точке x₁, y₁ с углами падения α₁, θ₁[3].

Рис. 1. Траектория луча, проходящего через неоднородность

В параксиальном приближении, т. е. при малых углах ∆α = α₁ – α₀ и ∆θ = θ₁ – θ₀, обычно используются следующие соотношения, описывающие распространение луча через неоднородность [3]:

, ;  (2)

, ;      (3)

,.          (4)

Интегрирование производится по пути луча внутри неоднородности. Здесь L – расстояние от точки кажущегося отклонения луча (плоскость Z₀ на рисунке 1) до экрана; S – продольный размер неоднородности. Соотношения (3) дают смещение луча на выходе из неоднородности, а (4) – в плоскости, лежащей на расстоянии L от нее.

На регистрации ∆y и ∆x основан ТФМ. Схема типичной установки для ТФМ представлена на рисунке 2, где видеокамера (4) регистрирует фоновый экран (1), который освещается с помощью источника света (2) при отсутствии и наличии оптической неоднородности (3); на персональном компьютере (5) проводится обработка полученной информации. Чтобы выполнить визуализацию картин ТФМ, обычно берутся два снимка фонового экрана со структурой множества мелких неповторяющихся деталей и высоким оптическим контрастом. Одно из этих изображений регистрируется, когда в области регистрации нет оптической неоднородности, на другом снимке она присутствует. В большинстве случаев оптическая неоднородность приводит к смещению элементов экрана в его изображении. Далее выполняется обработка этих двух изображений [1, 2].

Рис. 2. Пример реализации ТФМ

3. Постановка экспериментов

В ряде экспериментов возникает необходимость высокоскоростной видео-регистрации различных физических процессов. На рисунке 3 приведен один из таких примеров ‑ высокоскоростная видео-регистрация процесса выхода из ствола баллистической установки метаемого объекта, при расчетной (дульной) скорости метания 500 м/с. Применив к полученной информации алгоритмы ТФМ удалось визуализировать оптические неоднородности, в частности, распространение фронта воздушной ударной волны (ВУВ) (рисунок 4). В данном случае в качестве фонового экрана выступает естественный фон, где присутствует наибольшее количество оптически контрастных элементов, визуализация получилась наиболее качественно. На данных кадрах четко прослеживается перемещение фронта ВУВ, а также граница между промежуточной и внешней баллистикой, которая характеризуется образованием конуса Маха.

Для получения количественной информации необходимо знать расположение элементов оптической схемы регистрации, а также пространственное положение и физические размеры фонового экрана. На рисунке 5 приведен один из таких фоновых экранов, он использовался в постановочном опыте по регистрации ВУВ оптическими методами. В опыте проводился подрыв шарообразного заряда массой 0.59 кг в тротиловом эквиваленте поднятого на высоту 6 м. Регистрация осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры (размер пикселя 20х20 мкм, частота съемки 7000к/с) на фоне экрана. На рисунке 6 приведен пример одного из кадров полученной видеоинформации. После обработки полученной информации визуализирована ВУВ, на рисунке 7 приведены полученные результаты. На рисунке 8 показаны экспериментально полученные значения перемещения фронта ударной волны от времени R(t), а так же аппроксимирующая зависимость (использовалось уравнение предложенное Dewey, 1971). Используя полученную зависимость R(t), была найдена зависимость скорости фронта ВУВ от времени V(t), а также произведена оценка избыточного давления на фронте ВУВ ΔP(t). Полученные результаты показывают, что при значениях избыточного давления на фронте ВУВ больше 29 кПа, применяя ТФМ, можно уверенно визуализировать ВУВ и, следовательно, определить ряд основных ее параметров.

Для проверки возможности регистрировать ВУВ с малыми значениями избыточного давления, применяя ТФМ, был проведен постановочный опыт. Источником ВУВ при проведении опыта являлся светочувствительный состав ВС-2 [4,5]. На рисунке 9 приведен пример одного из кадров полученной видеоинформации. После обработки полученной информации удалось визуализировать ВУВ, на рисунке 10 приведены результаты обработки. По результатам визуализации, как и в предыдущем опыте, были определены зависимости, характеризующие ВУВ. На рисунке 11 приведены полученные зависимости.

4. Анализ полученных результатов

Приведенные данные подтверждают, что для регистрации ВУВ возможно применение оптических методов, а именно, ТФМ. Результаты опытов показывают, что ТФМ пригоден для регистрации «слабых» ВУВ (ΔP>2 кПа). Следует также подчеркнуть, что во время проведения опытов проводились измерения и «обычными» датчиками давления. Результаты, полученные с помощью датчиков давления, коррелируются с приведенными результатами.

Для получения наиболее точных измерений при применении ТФМ необходима адаптация системы под условия эксперимента. Такая адаптация может быть проведена для оптимизации чувствительности и разрешения системы. Пространственное разрешение является очень важным параметром для установок ТФМ, и его, безусловно, необходимо учитывать для достижения положительных результатов. Основными параметрами, сформулированными в работе [1], системы являются:

1.    Параметры объектива: фокусное расстояние, размер апертуры, увеличение системы; расстояние между линзой объектива и фоновым экраном.

2.    Параметры структурированного экрана.

3.    Параметры обработки: размер области опроса и величина шага в кросскорреляционном алгоритме.

4.    Параметры матрицы видеокамеры: физический размер одного пикселя ПЗС матрицы, спектральная чувствительность.

5.    Обобщенные параметры: размер области опроса на фоновом экране; чувствительность системы; разрешение системы.

Рис. 3. «Кинограмма» выстрела из баллистической установки

Рис. 4. Результат визуализации ВУВ

Рис. 5. Внешний вид фонового экрана (размер рабочей зоны 2×1 м)

Рис. 6. Пример видеорегистрации в момент времени 12,571 мс после подрыва

Рис. 7. Результат визуализации ВУВ

Рис. 8. Графики зависимостей параметров ВУВ

Рис. 9. Пример видеорегистрации в момент времени 1,429 мс после подрыва

Рис. 10. Результат визуализации ВУВ

Рис. 11. Графики зависимостей параметров ВУВ

5. Заключение

Отличительной особенностью ТФМ является простота реализации, что позволяет применять его к очень широкому кругу задач, различных как по своей сути, так и по масштабу. ТФМ можно использовать для исследования макроскопических объектов, используя в качестве фоновых экранов панорамные фоны природных ландшафтов, построек и облаков [6].

К недостаткам данного метода при его применении к быстропротекающим процессам можно отнести необходимость использования высокоскоростной камеры с малым временем экспозиции, с матрицей большого разрешения и большой чувствительностью, а так же необходимость постоянства освещенности области исследования.

Литература

1. Richard, H., Raffel, M.: Principle and applications of the background oriented schlieren (BOS) method. Meas. Sci. Technol. 12, сс.1576-1585 (2001)

2. Использование теневого фонового метода для исследования нестационарного потока с ударной волной. Научная визуализация, 2013, Т. 5, № 3, cc. 65–74.

3. Бойко В.М., Оришич А.М., Павлов А.А., Пикалов А.А. Методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте. Новосибирск : НГУ, 2009.

4. Герасимов С.И., Илюшин М.А., Кузьмин В.А. О возможности инициирования полимерсодержащего энергонасыщенного состава комплексного перхлората ртути лучом лазерного диода. Письма в ЖТФ, 2015, том 41, вып.7, сс.66-72

5. Gerasimov S.I., Ilyushin M.A., Kuz V.A.'min, Shugalei I.V. Optical Initiation of Polymer Containing Formulations of Azole Metal Complexes. Central European Journal of Energetic Materials, 2015, 12(3), сс.623-635

6. Mizukaki, T., Wakabayashi, K., Matsumura, T., and Nakayama, K., (2014). Background-oriented schlieren with natural background for quantitative visualization of open-air explosions. Shock Waves 24 (1), pp.69–78.

---

BACKGROUND-ORIENTED SCHLIEREN METHOD FOR RECORDING OF AIR SHOCK WAVES

S.I. Gerasimov^1,2,3,4, N.А. Trepalov³

¹ National Research Nuclear University «MEPHI», Moscow, 115409 Russia

²Sarov Physics and Technical Institute of NRNU «MEPHI», Nizhny Novgorod region, 607186 Russia

³Russian Federal Nuclear Center – All-Russia Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Nizhny Novgorod region, 607188 Russia

⁴Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, 603950 Russia

Abstract

The basic dangerous parameters characterizing air shock wave are peak overpressure and explosive impulse. For these purposes pressure gages are usually used. Optical methods imply alternative technique. Optical diagnostics owing to non-contact applying, absence of influence on parameters of object under studying have a series of advantages that allows one to perform measurements. Experimental measurements of shock wave propagation from explosions of different energetic materials are presented. Each test is recorded with a high-speed digital video camera and the shock wave is visualized using background-oriented schlieren method.

Keywords: visualization, air shock wave, background-oriented schlieren method, high-speed camera.

References

1. Richard, H., Raffel, M.: Principle and applications of the background oriented schlieren (BOS) method. Meas. Sci. Technol. 12, pp.1576-1585 (2001)

2. F. Glazyrin, I. Znamenskaya, E. Koroteeva, I. Mursenkova, N. Sysoev. Application of background oriented schlieren technique for investigations of a non-stationary flow with shock wawe. Scientific visualization, 2013, V. 5, № 3, pp. 65–74.

3. Boyko V.М., Оrishich А.М., Pavlov А.А., Pikalov А.А. Metody opticheskoi diagnostiki v aerofizicheskom eksperimente. Novosibirsk : NGU, 2009.

4. Gerasimov S.I., Ilushin М.А., Kuzmin V.А. O vozmoznosti imiziirovaniya polimersoderzachego energonasyshennogo sostava kompleksnogo perchlorata rtuti luchom lazernogo dioda. Technical Physics Letters, 2015, V. 41, №7, pp.66-72

5. Sergei I. GERASIMOV, Mikhail A. ILYUSHIN, Vadim A. KUZ'MIN, Irina V. SHUGALEI. Optical Initiation of Polymer Containing Formulations of Azole Metal Complexes. Central European Journal of Energetic Materials, 2015, 12(3), pp.623-635.

6. Mizukaki, T., Wakabayashi, K., Matsumura, T., and Nakayama, K., (2014). Background-oriented schlieren with natural background for quantitative visualization of open-air explosions. Shock Waves 24 (1), pp.69–78.