Schlieren-metoden ( från det. Schlieren - optisk inhomogenitet ) - en metod för att detektera optiska inhomogeniteter i transparenta, brytande media, och detektera defekter i reflekterande ytor [1] .
Ibland kallas det för Toepler-metoden - av författarens namn, den tyske fysikern August Toepler .
Schlierenmetoden, utvecklad 1864 av August Töpler, är en utveckling av Léon Foucaults skuggmetod, som föreslogs 1857 , utformad för att styra geometrin vid tillverkning av sfäriska teleskopspeglar . Foucaults metod bestod i att spegeln som testades belystes med en punktljuskälla. En ogenomskinlig skärm med en skarp kant placerades i mitten av sfärens krökning; Senare blev en sådan skärm känd som Foucault-kniven.
Om spegelns yta var strikt sfärisk, skuggade kniven, som blockerade huvudljusflödet för punktkällan, jämnt bilden som bildas av spegeln. Om sfären hade defekter hade den genererade bilden, beroende på tecknet och graden av fel i den lokala krökningsradien, ljusa eller mörka områden. Med fokus på så annorlunda belysning polerades spegeln [2] .
Figuren visar en uppställning för att studera det konvektiva luftflödet hos ett brinnande ljus med Schlierenmetoden. Förutom studieobjektet - 1 innehåller installationen en lins - 2, en bländare (Foucault-kniv) - 3, placerad vid linsens fokus, och en skärm - 4, på vilken linsen bygger en riktig bild . Om mediet är optiskt homogent, kommer bilden av ljuset (1), som passerar, som visas av de gula pilarna, linsen (2), att vara helt fokuserad på membranet (3) och kommer inte att falla på skärmen (4). I närvaro av konvektiva flöden, vilket leder till uppkomsten av optisk inhomogenitet, går en del av ljusstrålarna, som passerar genom linsen (2), som visas av den gröna pilen, förbi membranet (3) och visas på skärmen (4) ). Så att säga, membranet skär av det "parasitära ljuset", vilket bara lämnar bilden av inhomogeniteter på skärmen. I detta fall kommer variationen i ljusstyrkan hos en sådan bild att motsvara förändringar i brytningsindex i ett konvektivt flöde [3] .
Eventuella optiska störningar undersöks på liknande sätt. Den enda skillnaden är att som regel en separat ljuskälla används för att belysa dem. Om processen som studeras är laminär kommer dess bild på skärmen (4) att vara stabil. Turbulensen i den optiska störningen orsakar flimmer, liknande de som kan ses till exempel en solig dag på den heta ytan av en avlägsen asfaltsväg . I sådana fall, istället för kontinuerlig belysning, används korta ljusblixtar för att visualisera det momentana tillståndet för den optiska störningens brytningsindex. Resultatet kan presenteras i form av en film .
När det gäller känslighet är Schlieren-metoden överlägsen andra, inklusive interferensmetoder . I vissa fall, till exempel mycket små gradienter av brytningsindex, såsom processer som sker i förtärnade gaser, är metoden i allmänhet den enda möjliga optiska metoden [4] :64 [5] .
Schlierenmetoden har blivit särskilt utbredd för visualisering av olika processer i luften. Det gäller till exempel studier av täthetsfördelningen av luftflöden som bildas under flödet runt modeller i vindtunnlar , det vill säga inom flygteknik. Det används också inom vätskemekanik, ballistik , studiet av utbredning och blandning av gaser och lösningar, studiet av värmeöverföring på grund av konvektion, etc. [1]
Flaskhalsen i den praktiska användningen av den klassiska schlierenmetoden var behovet av att placera föremålet som studerades i en parallell stråle av strålar som passerade genom linser eller konkava speglar. Denna omständighet tvingade antingen att tillverka dyra, skrymmande installationer eller att använda reducerade modeller av verkliga tekniska anordningar.
På 1980-talet föreslog den amerikanske fysikern Leonard M. Weinstein från NASA Langley Research Center (NASA LaRC) användningen av en reflekterande skärm, liknande egenskaper som en reflektor och som tillåter arbete med divergerande strålar. Dessutom applicerade han vertikala svarta ränder på den reflekterande skärmen och förvandlade den (när den belyses av en divergerande stråle) till en slags uppsättning slitskällor som ersatte Foucault-kniven, som skär av oförvrängt "extra ljus". Som ett resultat erhölls fullskaliga bilder av stötvågor från explosioner, konvektionsflöden från industriell utrustning och människor. [6]
2003 föreslog professor i mekanik vid University of Pennsylvania Gary Settle användningen av speciella reflekterande beläggningar, vilket tog bort begränsningarna för storleken på de studerade föremålen. [7]