В оптически прозрачных средах удобной альтернативой прямому измерению поля акустическими приёмниками является метод оптической визуализации. Он позволяет качественно, а в каких-то модификациях даже количественно, исследовать пространственную структуру ультразвукового поля в реальном времени.
Теневой метод широко используется в физике ударных волн. Ключевыми фигурами в его разработке были такие яркие учёные, как:
- Гук, который первым провел первое прямое наблюдение температурного возмущения на фоне удалённой границы «свет–тень»;
- Фуко, предложивший при использовании теневого метода для тестирования формы зеркал заслонять нерефрагированный свет специальной диафрагмой – «ножом Фуко»;
- Тёплер, разработавший экспериментальную систему для наблюдений оптических неоднородностей «методом тёмного поля» (шлирен-методом).
Важный вклад в практику использования шлирен-метода внёс Мах, получивший, в частности, первое теневое изображение ударной волны от электрической искры.
Суть шлирен-метода
- Пучок световых лучей от точечного или щелевого источника направляется линзой или системой линз и зеркал на исследуемую область оптической неоднородности и после прохождения указанной области фокусируется на непрозрачной острой кромке (ноже Фуко), так что изображение источника проецируется на самый край ножа.
- Если исследуемая область оптически однородна, то все лучи задерживаются ножом
- При наличии неоднородностей световые лучи испытывают рефракцию и часть из них, отклонившись, проходит мимо ножа. Поставив за ножом объектив, можно спроецировать эти лучи на экран или чувствительную матрицу фотокамеры и получить изображение неоднородностей.
Указанный принципиальный подход имеет множество модификаций применительно к разным областям исследований.
Импульсная теневая картина каустик, образующихся в воде при излучении ультразвука вогнутой пьезопластиной
В Лаборатории LIMU создана компактная экспериментальная установка на основе внеосевых параболических зеркал, которая позволяет использовать шлирен-метод для визуализации ультразвуковых полей в воде. С её помощью исследованы особенности пространственной структуры акустических полей и волновые эффекты, возникающие при распространении ультразвука от импульсных диагностических излучателей и мощных источников, создающих нелинейные поля.
Деятельность
- эксперимент
- численное моделирование
Контакты
[1] Шлирен-система для исследования структуры ультразвуковых полей в жидкости / А. И. Цеханович, С. А. Петросян, С. А. Цысарь, О. А. Сапожников // Ученые записки физического факультета Московского Университета. — 2020. — № 5.
[2] Finding the dispersion relations for lamb-type waves in a concave piezoelectric plate by optical visualization of the ultrasound field radiated into a fluid / O. A. Sapozhnikov, M. A. Smagin // Acoustical Physics. — 2015. — Vol. 61, no. 2. — P. 181–187. DOI: 10.1134/S106377101501011X