Schlieren-menetelmä ( siitä . Schlieren - optinen epähomogeenisuus ) - menetelmä optisten epähomogeenisuuksien havaitsemiseksi läpinäkyvissä, taitettavissa aineissa ja heijastavien pintojen vikojen havaitsemiseksi [1] .
Joskus sitä kutsutaan Toepler-menetelmäksi - kirjoittajan, saksalaisen fyysikon August Toeplerin nimellä .
August Töplerin vuonna 1864 kehittämä Schlieren-menetelmä on Léon Foucault'n vuonna 1857 ehdotetun varjomenetelmän kehitystyö, joka on suunniteltu hallitsemaan geometriaa pallomaisten teleskooppipeilien valmistuksessa . Foucault'n menetelmä koostui siitä, että testattava peili valaistiin pistevalonlähteellä. Terävällä reunalla varustettu läpinäkymätön seula asetettiin pallon kaarevuuden keskelle; Myöhemmin tällainen näyttö tuli tunnetuksi Foucault-veitsenä.
Jos peilin pinta oli tiukasti pallomainen, veitsi, joka esti pistelähteen päävalovirran, varjosti tasaisesti peilin muodostamaa kuvaa. Jos pallossa oli vikoja, syntyvässä kuvassa oli merkistä ja paikallisen kaarevuussäteen virheasteesta riippuen vaaleita tai tummia alueita. Näin erilaiseen valaistukseen keskittyen peili kiillotettiin [2] .
Kuvassa on kokoonpano palavan kynttilän konvektiivisen ilmavirran tutkimiseksi Schlieren-menetelmällä. Tutkimuskohteen - 1 lisäksi asennus sisältää linssin - 2, aukon (Foucault-veitsi) - 3, joka sijaitsee linssin fokuksessa, ja näytön - 4, jolle linssi rakentaa todellisen kuvan . Jos väliaine on optisesti homogeeninen, kynttilän (1) kuva, joka kulkee, kuten keltaiset nuolet osoittavat, linssin (2), tarkentuu kokonaan kalvoon (3), eikä putoa näytölle. (4). Konvektiivisten virtausten esiintyessä, mikä johtaa optiseen epähomogeenisuuteen, osa linssin (2) läpi kulkevista valonsäteistä, kuten vihreä nuoli osoittaa, ohittaa kalvon (3) ja näkyy näytöllä (4). ). Siten kalvo ikään kuin katkaisee "loisvalon", jättäen näytölle vain kuvan epähomogeenisuudesta. Tässä tapauksessa tällaisen kuvan kirkkauden vaihtelu vastaa muutoksia taitekertoimessa konvektiivisessa virtauksessa [3] .
Kaikki optiset häiriöt tutkitaan samalla tavalla. Ainoa ero on, että niiden valaisemiseen käytetään yleensä erillistä valonlähdettä. Jos tutkittava prosessi on laminaarinen , sen kuva näytöllä (4) on vakaa. Optisen häiriön turbulenssi aiheuttaa välkkymistä, samankaltaisia kuin mitä voidaan nähdä esimerkiksi aurinkoisena päivänä kaukaisen asfalttitien kuumalla pinnalla . Tällaisissa tapauksissa jatkuvan valaistuksen sijaan käytetään lyhyitä valon välähdyksiä optisen häiriön taitekertoimen hetkellisen tilan visualisoimiseksi. Tulos voidaan esittää elokuvan muodossa .
Herkkyydeltään Schlieren-menetelmä on parempi kuin muut, mukaan lukien häiriömenetelmät . Joissakin tapauksissa, esimerkiksi hyvin pienissä taitekertoimen gradienteissa, kuten harvinaisissa kaasuissa tapahtuvissa prosesseissa, menetelmä on yleensä ainoa mahdollinen optinen menetelmä [4] :64 [5] .
Schlieren-menetelmä on yleistynyt erityisen laajalti erilaisten ilmassa tapahtuvien prosessien visualisoinnissa. Tämä koskee esimerkiksi ilmavirtausten tiheysjakauman tutkimuksia mallien ympärillä tuulitunneleissa eli ilmailutekniikassa. Sitä käytetään myös nestemekaniikassa, ballistiikassa , kaasujen ja liuosten leviämisen ja sekoittumisen tutkimuksessa, konvektion aiheuttaman lämmönsiirron tutkimuksessa jne. [1]
Klassisen Schlieren-menetelmän käytännön käytön pullonkaula oli tarve sijoittaa tutkittava kohde linssien tai koverien peilien läpi kulkevaan rinnakkaiseen säteen säteeseen. Tämä seikka pakotti joko valmistamaan kalliita, tilaa vieviä asennuksia tai käyttämään todellisten teknisten laitteiden supistettuja malleja.
1980 - luvulla amerikkalainen fyysikko Leonard M. Weinstein NASA Langley Research Centeristä (NASA LaRC) ehdotti heijastavan näytön käyttöä, joka on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin heijastin ja joka mahdollistaa työskentelyn erilaisten säteiden kanssa. Lisäksi hän levitti pystysuoria mustia raitoja heijastavaan näyttöön, muuttaen sen (kun valaisee poikkeavan säteen) eräänlaiseksi rakolähteeksi, joka korvasi Foucault-veitsen, joka katkaisee vääristymättömän "ylimääräisen valon". Tuloksena saatiin täysimittaisia kuvia räjähdysten shokkiaalloista, teollisuuslaitteiden konvektiovirroista ja ihmisistä. [6]
Vuonna 2003 Pennsylvanian yliopiston mekaniikan professori Gary Settle ehdotti erityisten heijastavien pinnoitteiden käyttöä, mikä poisti tutkittavien esineiden kokorajoitukset. [7]