Mintázat 2.óra

Az alábbi órán a különböző kísérleti technikák működési elvével foglalkoztunk. Fontos tudni, hogy a jelen órán vizsgált rendszereknél a válasz nem lineáris a perturbációval, azaz ha van két megoldásunk, akkor ezek lineárkombinációja nem lesz megoldás. A továbbiakban ezen az órán olyan technikákkal fogunk foglalkozni, amelyek segítségével a kis amplitudójú, vagy bonyolult geometriájú esetben a térbeli struktúrákat láthatóvá lehet tenni.

Kísérleti technikák

A következő technikákkal foglalkozunk az alábbiakban:

• Árnyékleképezés (shadowgraph), schlieren technika
• Polarizációs mikroszkópia (kettőstörés), fáziskontraszt és interferencia mikroszkópia
• Periodikus struktúrák detektálása diffrakcióval (helyérzékeny fotodetektorok)
• Sebességmérés áramlásokban (Particle Image Velocimetry - PIV, Particle Tracking)
• Nem átlátszó rendszerek belsejében lejátszódó jelenségek vizualizálása (index matching, PEPT, DWS, MRI, CT)
• CCD és CMOS szenzorok tulajdonságai

Árnyékleképezés (shadowgraph)

Lényege: intenzív, monokromatikus fényforrással optikai inhomogenitások árnyékképét hozzuk létre. A jelenség alapja, hogy a fény az optikailag sűrűbb közeg felé törik (hajlik el - lásd lentebb a bal oldali ábrát). Egy inhomogén optikai közeg (például egy gyertyaláng) különböző részei fókuszálják, más részei pedig defókuszálják a beérkező fénynyalábot, így kialakul egy árnyékkép. Az árnyékkép alakjából pedig következtetni tudunk a megfigyelt minta sűrűségeloszlására. Természetesen ez a technika csak optikailag átlátszó közegek esetén (pl. levegő, víz, üveg) alkalmazható.

• 

  A fénytörés jelensége

• 

  Gradiens indexű lencse fényfókuszálása

• 

  Az autó fölött "fodrozódó" levegő is a fent ismertetett hatás következménye

• 

  A gyertyaláng árnyékképe

A fenti, balról a második ábrán látható gradiens indexű lencse (gradient index lens) éppen úgy fókuszálja (vagy defókuszálja) a fényt, ahogy az árnyékleképezés során az inhomogén anyagok keresztülhaladó fénnyel is történik. A lencse működését a fenti ábra jól szemlélteti. Egy egyszerű, (például) kocka alakú tárgyról van szó, melynek törésmutatója inhomogén és így a domború lencsékhez hasonlóan fókuszálja a fényt.

Példa: Rayleigh-Bénard áramlás vizualizálása

Az árnyékleképezés bemutatására jó példa az alulról fűtött folyadékban (pl. szilikonolaj) kialakuló Rayleigh-Bénard áramlás. Ha elég nagy a függőleges hőmérséklet-gradiens (a pontos képletet egy későbbi órán), folyadékáramlás indul meg. Az alul lévő melegebb (emiatt kisebb sűrűségű) anyag fölfelé, míg a fölül lévő hidegebb (emiatt nagyobb sűrűségű) anyag lefelé igyekszik. Így kialakulhat egy körkörös föl- és leáramlás.

• A Rayleigh-Bénard áramlás vizualizálása árnyékleképezéssel
• 

  Az áramlás oldalnézetből

• 

  A berendezés vázlatos képe

• 

  Az áramlás árnyékképe felülről, 1 cm vastag olajréteg esetén, 1^oC-os hőmérsékletkülönbségnél.

Árnyékleképezés napfénnyel

A Nap, mint fényforrás előnyei, hogy intenzív és nagyon nagy objektumokra is alkalmazható. Hátránya, hogy nem pontszerű, emiatt a keletkező kép széle elmosódott lesz. A felbontási küszöböt az alábbi vázlatos ábra alapján a következő egyenletekkel becsüljük.

A Nap, mint fényforrás alkalmazása során a felbontási küszöb becslése

$\frac{\delta}{g} = tan \left( \frac{1}{2}^o \right) = 0,009$
$\Delta a = g \cdot tan \epsilon$
$\frac{\Delta a}{\delta} = \frac{tan \epsilon}{\tan \left( \frac{1}{2}^o \right)} \approx \frac{\epsilon}{\frac{1}{2}^o}$

A fenti képletekből látható, hogy túl nagy, vagy túl kicsi relatív ernyőtávolság $\left( \frac{g}{d} \right)$ esetén nem lesz jó a kép. Az optimális távolság: $20 \le \frac{g}{d} \le 30$ között van.

Schlieren technika

A Schliere-technikával működő berendezés vázlatos képe

A Schlieren-technika segítségével optikailag átlátszó anyagban vizsgálhatunk kis sűrűség-inhomogenitásokat. A technika lényege, hogy az "A" helyen lévő kis sűrűség-inhomogenitást úgy jelenítjük meg, hogy a párhuzamos nyalábot összefókuszáló lencse gyújtópontjába egy pengét tolunk. Ha az "A" helyen lévő közeg teljesen homogén, akkor a kép hirtelen tűnik el, amikor a penge a fókuszpontba ér. Ha azonban az "A" helyen lévő közeg inhomogén, akkor a penge betolásával az ernyőn folytonosan változik a kép, és a direkt nyalábot kitakarva az inhomogenitás jól láthatóvá válik.

• Néhány példa a Shlieren-technikával történő ábrázolásra
• 

  Borospohár körül áramló gáz képe

• 

  Az emberi lehellet képe

Plazmabuborék határán fellépő Richtmyer-Meshkov instabilitás vizualizálása Schlieren-technikával

Egy függőleges cső aljában parabolatükröt helyeznek el. A fölülről érkező nyalábot a tükör fókuszálja, ennek következtében a csőben lévő gázban egy plazmabuborék jön létre (az alábbi, jobb oldali képen fehér tartomány). A buborék keletkezésekor egy lökéshullám indul meg gömb alakban kifelé, mely a parabolatükörről visszaverődve párhuzamos hullámfrontként halad előre, majd nekiütközik magának a buboréknak, aminek határa a lökéshullámmal való kölcsönhatás következtében instabillá válik (112 $\mu s$): kialakul az úgynevezett Richtmyer-Meshkov instabilitás (mely a Rayleigh-Taylor instabilitás egy formája, mindkettőről szó lesz a 4. órán).

• A Richtmyer-Meshkov instabilitás vizualizálása Schlieren-technikával
• 

  A berendezés vázlatos képe

• 

  A plazmabuborékról készült képek

CCD és CMOS szenzorok tulajdonságai

<<<Vissza az óra nyitólapjára