CN112903239A - 一种单空泡流场中压缩波观测实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单空泡流场中压缩波观测实验装置，属于空泡动力学领域。装置包括平行连续光源、光学组件、实验水箱、高速相机、脉冲激光器、同步仪、电脑和图像处理模块；平行连续光源产生平行光线通过光学组件后照射实验水箱；光源组件使得高速相机成像画面均匀变暗；脉冲激光器诱导实验水箱的液体产生激光空泡；同步仪触发脉冲激光器和高速相机同步工作，高速相机拍摄的图像由电脑进行存储；图像处理模块通过卷积核算子计算图像的灰度值变化剧烈程度和变化方向，用以提取压缩波波前轮廓，并计算压缩波传播速度和位置。本发明能够定量提取压缩波位置、速度信息，为综合分析研究空泡流场波系特性、空泡溃灭能量转化和空蚀破坏机理提供实验基础。

Description

一种单空泡流场中压缩波观测实验装置

技术领域

本发明涉及一种单空泡流场中压缩波观测实验装置，属于空泡动力学领域。

背景技术

空化作为一种常见的水动力学现象，具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性，在水力机械、工业界、医药领域中广泛存在。空泡溃灭会造成结构振动、噪声以及疲劳损伤，究其原因主要有两点：一是空泡在近壁区域演化过程中由于非对称收缩而形成的高速射流，二是空泡溃灭末期产生并向外辐射的高能冲击波。研究表明，空泡高速射流诱发的空蚀作用较为微弱：只有当空泡中心与边界距离非常小时(小于空泡最大半径的0.7倍)，射流的冲击才会造成材料表面损伤。而实验结果表明，冲击波空间位置与材料损伤位置有很好的一致性，从而验证了冲击波对材料破坏起着关键的作用。

空泡溃灭诱导的冲击波作为一种强压缩波，其传播速度极快，近场速度可达4000m/s。随着传播距离的增加，冲击波衰减为普通弱压缩波，其速度也衰减为水下音速(20℃下水中声速为1490m/s)。空泡溃灭冲击波的能量同样随着传播距离而急剧衰减，冲击波波前压力幅值同样迅速降低。以往研究中，空泡溃灭压缩波研究往往采用高采集频率的水听器等装置进行定量分析，但只能获得流场中某一点的压力幅值变化，而无法获得流场整体压力分布。对于定性观测手段，研究者通常借助高速相机捕捉强压缩波，如冲击波的传播、反射等瞬态过程。然而，普通高速摄像拍摄空泡溃灭诱导压缩波存在明显的不足：对于较弱的压缩波灵敏度不足。普通高速摄像仅适用于观测密度梯度变化较强的冲击波，而无法捕捉衰减后的弱压缩波。鉴于此，空泡动力学研究亟需更优的观测空泡溃灭冲击波的实验装置，用以研究空泡溃灭载荷特性与材料结构的复杂耦合作用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单空泡流场中压缩波观测实验装置，该装置采用光学方法捕捉压缩波产生和传播过程，利用同步方法对压缩波进行准确的时间标定，通过图像处理模块定量提取压缩波位置、速度等重要流场信息，为综合分析研究空泡流场波系特性、空泡溃灭能量转化和空蚀破坏机理提供实验基础。

一种单空泡流场中压缩波观测实验装置，平行连续光源、光学组件、实验水箱、高速相机、脉冲激光器、同步仪、电脑和图像处理模块；

所述平行连续光源产生平行光线并作为光学组件的光源照射实验水箱；

所述光源组件通过对光学器件的调整使得高速相机成像画面均匀变暗；

所述实验水箱用于盛放液体和产生激光空泡；

所述脉冲激光器产生的高能激光通过扩束镜和聚焦透镜聚焦在实验水箱的液体中，诱导产生激光空泡；

所述同步仪产生同步信号触发脉冲激光器照射和高速相机同步对空泡进行拍摄，拍摄的图像由电脑进行存储；

所述图像处理模块通过卷积核算子计算图像的灰度值变化剧烈程度和变化方向，用以提取压缩波波前轮廓，并计算压缩波传播速度和位置。

进一步地，所述光学组件包括一号聚焦透镜、狭缝、一号反射镜、准直镜、聚焦镜、二号反射镜和刀口；

所述一号聚焦透镜将平行连续光源产生的平行光线聚焦至狭缝，狭缝位置设置在聚焦光线的焦点上；一号反射镜设置在狭缝后，将通过狭缝的发散光线反射至准直镜；准直镜将发散光线准直为平行光线，且准直的平行光线垂直穿过实验水箱；聚焦镜将平行光线聚焦至二号反射镜，刀口设置在聚焦光线的焦点上。高速相机设置在刀口后，刀口径向切入光线时，高速相机成像均匀变暗。

进一步地，所述图像处理模块对图像进行处理的过程包括：

步骤一、平滑图像；采用二维高斯滤波器进行图像滤波，其方程为

其中x和y是图像灰度平面水平和垂直距离，σ是高斯分布的标准偏差，e是自然底数；Ga为高斯函数，是关于x和y的单值函数；

步骤二、计算图像灰度值梯度大小和边缘方向；通过Sobel算子计算第一步平滑后图像的灰度梯度大小，得到边缘强度，采用3×3卷积矩阵计算水平方向和垂直方向的灰度梯度值，分别用G_x，G_y表示。计算每个像素的灰度梯度值G的公式为：

使用θ描述梯度的方向

θ＝atan2(G_x，G_y)

其中a为常数，图像中的每一点的灰度值全部由灰度梯度值G所代替；

步骤三、非最大值抑制；存储指定范围像素内最大灰度梯度值，删除其他像素，使模糊边缘锐化；

步骤四、进行双阈值判定；两个阈值来定义上限和下限，所有超过阈值上限的梯度强度被确定为边缘，而低于阈值下限被丢弃，对于其余像素，如果它们连接到边缘，则将这些像素确定为边缘，如果它们连接到“非边缘”像素，则丢弃，最终实现闭合强边缘并抑制弱边缘，获得压缩波波前轮廓；

步骤五、计算压缩波传播位置和速度：压缩波轮廓中心定义为压缩波原点，基于原点位置，测量压缩波实际传播位置D；根据两帧图片压缩波位置差和时间差计算压缩波传播速度v，计算公式为：

其中，D₁，D₂分别是两帧图片中压缩波传播位置，t₁，t₂分别是两帧图片对应的时刻。

进一步地，所述平行连续光源采用亮度可调的白光LED光源或波长为495-530nm的激光光源，最大光照度不低于1000lx。

进一步地，所述狭缝采用金属孔状结构，直径1～2mm。

进一步地，所述准直镜和聚焦镜的直径是水下声波相邻帧时间内传播距离的2倍以上，以便有充足的视场用来观测激光空泡溃灭诱导压缩波的演化过程。

进一步地，所述实验水箱的四个侧面中，平行光线垂直穿过的两个侧面采用超白光学玻璃，实验水箱长、宽、高尺寸不小于20倍空泡最大半径，实验水箱内液体采用除气蒸馏水。

进一步地，所述高速相机采集频率不低于50000帧每秒，曝光时间不大于1μs，以便清晰捕捉单空泡流场中的波结构传播过程。

一种单空泡流场中压缩波观测实验装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：调节所述的平行连续光源、一号聚焦透镜、狭缝、一号反射镜、准直镜、实验水箱、聚焦镜、二号反射镜、刀口、高速相机部件中心高度均在同一水平面上；

步骤二：向实验水箱中注入产生激光空泡的液体；启动平行连续光源电源，调节一号聚焦透镜与狭缝的相对位置，使聚焦光斑清晰地成像在狭缝上；调节一号反射镜，使发散光斑的中心与准直镜中心重合；调节准直镜，使准直的平行光线穿过实验水箱中部区域后，并使光斑与聚焦镜重合；调节聚焦镜，使光线聚焦经二号反射镜反射至刀口；调节刀口的位置和切入量，使相机拍摄的画面均匀变亮或变暗；

步骤三：打开脉冲激光器电源；调节扩束镜与二号聚焦透镜相对位置，使脉冲脉冲激光器产生的激光聚焦在平行光线圆柱光斑内；

步骤四：启动电脑、高速相机和同步仪；控制同步仪产生触发信号，脉冲激光器产生脉冲激光，在实验水箱内产生激光空泡，与此同时触发高速相机拍摄空泡整个瞬态演化过程，最终获得激光空泡溃灭诱导压缩波的实验图像；

步骤五：运行图像处理模块，提取压缩波波前轮廓并定量计算压缩波传播速度。

有益效果：

1、本发明的单空泡流场中压缩波观测实验装置能够观测空泡流场中的压缩波，通过光学方法拍摄激光空泡溃灭压缩波，获得包括冲击波在内的压缩波试验图像；通过同步仪同步触发高速相机和脉冲激光器，因此对压缩波进行准确的时间标定；利用图像处理方法定量提取压缩波位置、速度等重要流场信息，装置的灵敏度和集成度高。为综合分析研究空泡流场波系特性、空泡溃灭能量转化和空蚀破坏机理提供实验基础。

2、本发明采用的单空泡流场中压缩波观测实验装置，相对普通高速摄像，该光学方法对流场中的压缩波有更高的灵敏度。装置在光学系统末端设置一片刀口，用以实现空间滤波作用，当被测流场产生压缩波，必然导致流场压力、密度和折射率的改变。平行光线因流场折射率变化而改变了方向，使局部图像变亮或变暗。由于刀口的空间滤波作用，拍摄所得图像灰度值最终反映被测流场折射率的一阶偏导数。最终，冲击波等压缩波实验图像呈现为两个对称的半圆，当刀口竖直放置时，压缩波为灰度值相反的左右半圆。

3、本发明的图像处理模块对图像进行了平滑、灰度值梯度和边缘方向计算、非最大值抑制和双阈值判定，最终计算出压缩波传播位置和速度，因此能够定量提取压缩波轮廓，结合同步仪准确的时间标定，可获得压缩波传播位置和速度这两项重要的流场信息。

附图说明

图1为本发明的单空泡流场中压缩波观测实验装置的结构示意图；

其中，1-平行连续光源、2-一号聚焦透镜、3-狭缝、4-一号反射镜、5-准直镜、6-实验水箱、7-激光空泡、8-聚焦镜、9-二号反射镜、10-刀口、11-高速相机、12-脉冲激光器、13-扩束镜、14-二号聚焦透镜、15-同步仪、16-电脑。

图2为本发明的单空泡流场中压缩波观测实验装置的空泡流场压缩波实验图像，其中t＝3.4284～3.4506ms期间捕捉得到空泡溃灭冲击波，t＝4.4873～4.5095ms期间捕捉得到空泡流场中压缩波；

图3为本发明单空泡流场中压缩波观测实验装置的压缩波图像处理流程图；

图4为本发明单空泡流场中压缩波观测实验装置的图像处理后冲击波和压缩波轮廓和实际尺寸。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例公开的一种单空泡流场中压缩波观测实验装置，主要由平行连续光源1、一号聚焦透镜2、狭缝3、一号反射镜4、准直镜5、实验水箱6、激光空泡7、聚焦镜8、二号反射镜9、刀口10、高速相机11、脉冲激光器12、扩束镜13、二号聚焦透镜14、同步仪15、电脑16组成。平行连续光源1产生平行光线，用作光学系统的光源。一号聚焦透镜2将平行连续光源产生的平行光线聚焦至狭缝3。狭缝3位置设置在聚焦光线的焦点上。一号反射镜4设置在狭缝3后，将通过狭缝3的发散光线反射至准直镜5。准直镜5将发散光线准直为平行光线，且准直的平行光线垂直穿过实验水箱6。实验水箱6用于盛放液体和产生激光空泡，采用透明材料制成，实验水箱6的两个侧面垂直于平行光线方向。聚焦镜8将平行光线聚焦至二号反射镜9。刀口10设置在聚焦光线的焦点上。高速相机11设置在刀口10后，刀口10径向切入光线时，高速相机11成像均匀变暗。脉冲激光器12用以产生高能激光。扩束镜13、二号聚焦透镜14将高能激光聚焦在实验水箱6液体中，诱导产生激光空泡7。同步仪15用以产生同步信号，触发脉冲激光器12照射和高速相机11拍摄。电脑16用以储存空泡溃灭压缩波试验视频，并进行压缩波图像处理。图像处理模块通过卷积核算子计算灰度值变化剧烈程度及变化方向，用以提取压缩波波前轮廓，并计算压缩波传播速度。

平行连续光源1采用亮度可调的LED光源，最小光照度为1000lx。

狭缝3采用金属孔状结构，直径1～3mm。

准直镜5和聚焦镜8的直径是空泡最大半径的6倍，以便有充足的视场用来观测激光空泡溃灭诱导冲击波的演化过程。

实验水箱6的四个侧面中，平行光线穿过的两个侧面采用性能良好的光学玻璃。实验水箱6长、宽、高尺寸是500mm*500mm*500mm。实验水箱6内液体采用除气蒸馏水。

脉冲激光器12与高速相机11通过同步仪连接，当脉冲激光器12产生高能激光的同时触发高速相机开始拍摄，以实现激光空泡7及冲击波演化全过程的捕捉。

高速相机11采集频率采用135000帧每秒，曝光时间设为0.5μs，镜头采用70-200mm焦距。以便捕捉液体中的波结构传播过程。

首先，调节所述平行连续光源1、一号聚焦透镜2、狭缝3、一号反射镜4、准直镜5、实验水箱6、聚焦镜8、二号反射镜9、刀口10、高速相机11部件中心高度均在同一水平面上。

向实验水箱6中注入产生激光空泡7的液体；启动平行连续光源1电源，调节一号聚焦透镜2与狭缝3的相对位置，使聚焦光斑清晰地成像在狭缝3上；调节一号反射镜4，使发散光斑的中心与准直镜5中心重合；调节准直镜5，使准直的平行光线穿过实验水箱6中部区域后，光斑与聚焦镜8重合；调节聚焦镜8，使光线聚焦经二号反射镜9反射至刀口；调节刀口10的位置和切入量，使高速相机11拍摄的画面均匀变亮或变暗。

打开脉冲激光器12电源；调节扩束镜13与二号聚焦透镜14相对位置，使脉冲激光器12产生的激光聚焦在平行光线圆柱光斑内。

启动脉冲激光器12产生脉冲激光，在实验水箱6内产生激光空泡7。与此同时，触发高速相机11拍摄激光空泡7整个瞬态演化过程，最终获得激光空泡流场中压缩波实验图像。

高速相机6拍摄得到的激光空泡流场中压缩波图像见图2。在t＝2.747ms时，激光空泡7膨胀至最大体积；在t＝3.4136～3.4210ms时，激光空泡7溃灭接近最小体积；在t＝3.4210ms时，可清晰地观测到激光空泡7溃灭诱导产生冲击波；在t＝3.4210～3.4506ms时，可观测到冲击波的瞬态演化过程。在t＝4.4873ms时，可清晰地观测到激光空泡7溃灭诱导产生冲击波；在t＝4.4873～4.5095ms时，可观测到空泡流场压缩波的瞬态演化过程。

运行图像处理模块，输入原始压缩波灰度图像，首先进行图像高斯滤波，利用高斯函数滤波去除图像噪点，滤波后像素值等于原像素中心值与相邻像素的加权求和。进一步，利用卷积核算子计算灰度值变化剧烈程度及变化方向。进一步，进行非极大值抑制，抑制梯度较小的像素点，只保留最大梯度像素。进一步，进行双阈值判定，闭合强边缘并抑制弱边缘。提取压缩波波前轮廓和尺寸，如图4所示。进一步，定量计算压缩波传播速度，冲击波和压缩波传播速度分别为1620.8m/s和1581.1m/s。

如附图3所示，图像处理模块对图像进行处理的过程包括：

步骤一、平滑图像，采用二维高斯滤波器进行图像滤波，其方程为

其中x和y是图像灰度平面水平和垂直距离，σ是高斯分布的标准偏差，e时自然底数。Ga为高斯函数，是关于x和y的单值函数，采用高斯平滑滤波后，能够滤除原始图像中的噪声；

步骤二、计算图像灰度值梯度大小和边缘方向：通过Sobel算子计算第一步平滑后图像的灰度梯度大小，得到边缘强度，采用3×3卷积矩阵计算水平方向和垂直方向的灰度梯度值，分别用G_x，G_y表示。使用公式(3)来计算每个像素的灰度梯度值G

使用θ描述梯度的方向

θ＝atan2(G_x，G_y)

其中a为常数。图像中的每一点的灰度值全部由灰度梯度值G所代替。

步骤三、非最大值抑制：存储指定范围像素内最大灰度梯度值，删除其他像素，使模糊边缘锐化；

步骤四、进行双阈值判定：两个阈值来定义上限和下限。所有超过阈值上限的梯度强度被确定为边缘，而低于阈值下限被丢弃。对于其余像素，如果它们连接到边缘，则将这些像素确定为边缘，如果它们连接到“非边缘”像素，则丢弃，最终实现闭合强边缘并抑制弱边缘，获得压缩波波前轮廓；

步骤五、计算压缩波传播位置和速度：压缩波轮廓中心定义为压缩波原点，基于原点位置，测量压缩波实际传播位置D；根据两帧图片压缩波位置差和时间差计算压缩波传播速度v，计算公式为：

其中D₁，D₂分别是两帧图片中压缩波传播位置，t₁，t₂分别是两帧图片对应的时刻。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，平行连续光源、光学组件、实验水箱、高速相机、脉冲激光器、同步仪、电脑和图像处理模块；

所述平行连续光源产生平行光线并作为光学组件的光源照射实验水箱；

所述光源组件通过对光学器件的调整使得高速相机成像画面均匀变暗；

所述实验水箱用于盛放液体和产生激光空泡；

所述脉冲激光器产生的高能激光通过扩束镜和聚焦透镜聚焦在实验水箱的液体中，诱导产生激光空泡；

所述同步仪产生同步信号触发脉冲激光器照射和高速相机同步对空泡进行拍摄，拍摄的图像由电脑进行存储；

所述图像处理模块通过卷积核算子计算图像的灰度值变化剧烈程度和变化方向，用以提取压缩波波前轮廓，并计算压缩波传播速度和位置。

2.如权利要求1所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述光学组件包括一号聚焦透镜、狭缝、一号反射镜、准直镜、聚焦镜、二号反射镜和刀口；

所述一号聚焦透镜将平行连续光源产生的平行光线聚焦至狭缝，狭缝位置设置在聚焦光线的焦点上；一号反射镜设置在狭缝后，将通过狭缝的发散光线反射至准直镜；准直镜将发散光线准直为平行光线，且准直的平行光线垂直穿过实验水箱；聚焦镜将平行光线聚焦至二号反射镜，刀口设置在聚焦光线的焦点上。高速相机设置在刀口后，刀口径向切入光线时，高速相机成像均匀变暗。

3.如权利要求1所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述图像处理模块对图像进行处理的过程包括：

步骤一、平滑图像；采用二维高斯滤波器进行图像滤波，其方程为

其中x和y是图像灰度平面水平和垂直距离，σ是高斯分布的标准偏差，e是自然底数；Ga为高斯函数，是关于x和y的单值函数；

步骤二、计算图像灰度值梯度大小和边缘方向；通过Sobel算子计算第一步平滑后图像的灰度梯度大小，得到边缘强度，采用3×3卷积矩阵计算水平方向和垂直方向的灰度梯度值，分别用G_x，G_y表示；计算每个像素的灰度梯度值G的公式为：

使用θ描述梯度的方向

θ＝atan2(G_x，G_y)

其中a为常数，图像中的每一点的灰度值全部由灰度梯度值G所代替；

步骤三、非最大值抑制；存储指定范围像素内最大灰度梯度值，删除其他像素，使模糊边缘锐化；

步骤四、进行双阈值判定；两个阈值来定义上限和下限，所有超过阈值上限的梯度强度被确定为边缘，而低于阈值下限被丢弃，对于其余像素，如果它们连接到边缘，则将这些像素确定为边缘，如果它们连接到“非边缘”像素，则丢弃，最终实现闭合强边缘并抑制弱边缘，获得压缩波波前轮廓；

步骤五、计算压缩波传播位置和速度：压缩波轮廓中心定义为压缩波原点，基于原点位置，测量压缩波实际传播位置D；根据两帧图片压缩波位置差和时间差计算压缩波传播速度v，计算公式为：

其中，D₁，D₂分别是两帧图片中压缩波传播位置，t₁，t₂分别是两帧图片对应的时刻。

4.如权利要求3所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述平行连续光源采用亮度可调的白光LED光源或波长为495-530nm的激光光源，最大光照度不低于1000lx。

5.如权利要求4所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述狭缝采用金属孔状结构，直径1～2mm。

6.如权利要求5所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述准直镜和聚焦镜的直径是水下声波相邻帧时间内传播距离的2倍以上，以便有充足的视场用来观测激光空泡溃灭诱导压缩波的演化过程。

7.如权利要求6所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述实验水箱的四个侧面中，平行光线垂直穿过的两个侧面采用超白光学玻璃，实验水箱长、宽、高尺寸不小于20倍空泡最大半径，实验水箱内液体采用除气蒸馏水。

8.如权利要求7所述的单空泡流场中压缩波观测实验装置，其特征在于，所述高速相机采集频率不低于50000帧每秒，曝光时间不大于1μs，以便清晰捕捉单空泡流场中的波结构传播过程。

9.一种单空泡流场中压缩波观测实验装置的使用方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

步骤一：调节所述的平行连续光源、一号聚焦透镜、狭缝、一号反射镜、准直镜、实验水箱、聚焦镜、二号反射镜、刀口、高速相机部件中心高度均在同一水平面上；

步骤二：向实验水箱中注入产生激光空泡的液体；启动平行连续光源电源，调节一号聚焦透镜与狭缝的相对位置，使聚焦光斑清晰地成像在狭缝上；调节一号反射镜，使发散光斑的中心与准直镜中心重合；调节准直镜，使准直的平行光线穿过实验水箱中部区域后，并使光斑与聚焦镜重合；调节聚焦镜，使光线聚焦经二号反射镜反射至刀口；调节刀口的位置和切入量，使相机拍摄的画面均匀变亮或变暗；

步骤三：打开脉冲激光器电源；调节扩束镜与二号聚焦透镜相对位置，使脉冲脉冲激光器产生的激光聚焦在平行光线圆柱光斑内；

步骤四：启动电脑、高速相机和同步仪；控制同步仪产生触发信号，脉冲激光器产生脉冲激光，在实验水箱内产生激光空泡，与此同时触发高速相机拍摄空泡整个瞬态演化过程，最终获得激光空泡溃灭诱导压缩波的实验图像；

步骤五：运行图像处理模块，提取压缩波波前轮廓并定量计算压缩波传播速度。

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