CN114061889A - 一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置及方法，包括第二模态波检测装置、超声同频光路系统和图像获取系统；所述第二模态波检测装置用于检测第二模态波的压力信号；所述超声同频光路系统用于为第二模态波的显示提供光源，发射与所述压力信号频率相匹配的光束，并将光束聚焦形成点光源的图像；所述图像获取系统用于拍摄并记录该图像。
Description
技术领域
本发明涉及高超声速边界层流动观察测量技术领域，具体为一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置及方法。
背景技术
高超声速边界层转捩对飞行器的气动热和气动力具有重要的影响，而高超声速边界层转捩中第二模态波占主导地位。目前对第二模态波这一声模态的观测，主要采用两种方法，一种是基于光学的空间场观测方法，如纹影、阴影及基于瑞利散射的流动显示等方法，纹影方法是基于密度梯度的函数，阴影方法是基于密度梯度的二阶导数，而瑞利散射流动显示方法是基于流动中的微小颗粒反射光强度来区分边界层的流动结构。另一种方法是在模型壁面布置高频响的脉动高频压力传感器，对第二模态波引起的压力脉动进行单点测量，获取第二模态波的频率信息。这些方法都能反映第二模态波的某些特征，但都不是对第二模态波这一声波的直接显示。
高超声速边界层厚度薄，边界层内速度梯度比较大，而第二模态波的频率又很高，通常在几百千赫兹的量级，目前的纹影等光学测试技术虽然可以在某些方面捕捉到第二模态波引起流动的密度梯度等变化信息，但测试设备价格昂贵，光路布置和调节比较复杂，且只能获取边界层内扰动发展引起的比较大的密度梯度变化，无法实现对第二模态波的直接测量显示，更无法精确获取第二模态波这类声波在边界层内的传播、反射等声学特征。
另一种通过在壁面布置高频压力传感器的方法只能获取单点的壁面脉动压力信息，无法获取第二模态波的空间传播特征。如果要获取第二模态波的流向发展信息，需要在模型壁面布置多个高频压力传感器，高频压力传感器不仅价格昂贵，而且安装要求较高，必须保证传感器表面与模型壁面齐平安装，以减少对流动的干扰。而且高频压力传感器最小直径也有三个多毫米，比第二模态波的波长还要大一些，限制了传感器测量的空间分辨率，而其用于测量第二模态波的精度也无法保证。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置及方法，能够对高超声速边界层中的第二模态波的波形结构进行直接显示。
一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，包括第二模态波检测装置、超声同频光路系统和图像获取系统；第二模态波检测装置用于检测该风洞试验舱内的试验模型的第二模态波的压力信号；超声同频光路系统用于为第二模态波的显示提供光源，发射与所述压力信号频率相匹配的光束，并将光束聚焦形成点光源的图像；图像获取系统用于拍摄并记录该图像。
作为优选，第二模态波检测装置包括高频压力传感器和与信号处理器，高频压力传感器设于试验模型内，传感器测量面与试验模型壁面保持平齐；信号处理器与该高频压力传感器电性连接，以实时获取所述高频压力传感器检测的压力信号。
作为优选，超声同频光路系统包括LED灯和凹面镜，LED灯与凹面镜分别置于风洞试验舱外两侧，凹面镜的位置与LED灯发出的光束位置相对应，该 LED灯发出的光束透过风洞试验舱，照射至凹面镜进行聚焦。
作为优选，超声同频光路系统还包括信号发生器，信号发生器与该LED 灯电性连接，以调节该LED灯的发光频率。
作为优选，图像获取系统包括相机和光源遮挡系统，相机拍摄范围对应超声同频光路系统聚焦形成的图像，以进行拍摄记录；光源遮挡系统用于对进入相机的光量进行调节遮挡，以获取清晰的试验图像。
作为优选，相机还固定连接角度仪，用于调节该相机的拍摄区域角度。
作为优选，光源遮挡系统包括刀片和刀片角度调节系统，刀片设置于相机的拍摄路径上，用于遮挡该相机的光量，刀片角度调节系统用于调节刀片的遮光方向以及距光束焦点的位置。
本发明还公开了一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测方法：
试验开始前，将高频传感器设于风洞试验舱的试验模型内，打开LED灯，在测试区域放置光源以调节刀片的角度和位置，直至相机能够获取清晰的测试图像；试验时，在高超声速来流条件下，试验模型壁面会出现第二模态波流动结构，通过信号处理器对高频压力传感器获取的压力信号进行实时显示，获取第二模态波的频率；信号发生器据此频率调节LED灯发射的光束频率；启动相机，调节角度仪以调整相机的拍摄区域正对测试区域，拍摄测试区域的第二模态波，获取该工况下的第二模态波的声学空间分布图像。
有益效果：
(1)本发明公开的超声同频观测装置可以对高超声速边界层中的第二模态波的波形结构进行直接显示，解决了以往只能靠纹影等对第二模态波进行间接测量而不能直接测量的问题；
(2)本发明公开的超声同频观测装置通过设置信号发生器调节LED灯发光频率与第二模态波相匹配，以解决不同的试验模型第二模态波的频率不同的问题，装置简单，不需要特制的高频、高功率的灯具提供光源；
(3)本发明公开的超声同频观测装置所使用的相只需为价格低廉的普通相机，甚至普通的具有摄像功能的手机，就可以获取清晰的第二模态波的空间结构，实现本发明的技术效果；
(4)本发明公开的超声同频观测装置整个设备的布置对流动没有任何干扰，即可实现对高超声速边界层第二模态波的直接显示，为开展高超声速边界层转捩机理及转捩控制研究提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明中一个实施例的用于高超声速边界层第二模态波直接显示的超声同频观测装置的示意图；
图2为本发明中一个实施例的超声同频观测装置获取的超声波空间分布。
附图标记：1-高频压力传感器，2-信号处理器，3-数据线，4-试验模型， 5-LED灯，6-信号发生器，7-凹面镜，8-图像获取装置相机，9-角度仪，10-刀片，11-角度调节系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种用于第二模态直接显示的超声同频观测装置，主要针对高超声速边界层中第二模态波的观测，采用超声同频的LED光源，利用信号发生器控制LED光源的频率使其与第二模态波频率相差几赫兹，获取第二模态波可视化的空间分布，从而实现对第二模态波的直接显示，解决了以往只能通过纹影等进行间接测量而不能直接测量的问题。传统的纹影方法至少需要两面透镜/反射镜进行光路布置，本发明只需一个凹面镜就可以完成光路的布置，光路简单，调节方便。配备的信号发生器用来调节LED光源的频率与第二模态波的频率相匹配，实现对第二模态波空间传播的同步观测。同时，该方法属于光学测量方法，对高超声速边界层流动不会产生任何干扰。
如图1所示，一种用于第二模态直接显示的超声同频观测装置，包括第二模态波检测装置、超声同频光路系统和图像获取系统。
第二模态波检测装置包括高频压力传感器1和信号处理器2，按照高频压力传感器1的尺寸在试验模型4的内表面设置安装孔，将高频压力传感器1 通过安装孔设于试验模型4的内部，且保证高频压力传感器表面与模型壁面齐平安装，将传感器1通过数据线3与信号处理器2连接，数据线3通过风洞试验舱内的试验模型4从风洞试验段内引出，以消除对流场的干扰。高频压力传感器1用于测量试验模型4壁面的脉动压力信息，该信息传输至信号处理器2进行处理，进而获取第二模态波的频率分布。
超声同频光路系统包括LED灯5、信号发生器6和凹面镜7。LED灯5用于提供光源，LED灯5与凹面镜7分别设于风洞试验舱外部的两侧，且LED灯 5与凹面镜7的位置相对应，使LED灯5发出的光束透过风洞试验舱的测试区域后照射至凹面镜进行聚焦，以形成点光源的像。LED灯5电性连接信号发生器6，信号发生器6用于对LED灯5的发光频率进行调节，使LED灯5发出的光束频率与信号处理器2获取的第二模态波的频率相同。LED灯5为普通的 LED片光源即可实现本发明的目的，体积较小且价格便宜。
图像获取系统包括相机8和光源遮挡系统。相机8设于风洞试验舱的外部，与LED灯5同侧，用于对试验模型4壁面周围的第二模态波进行拍摄记录。光源遮挡系统用于对进入相机8的光量进行调节遮挡，以获取清晰的试验图像。光源遮挡系统设于相机8的照射路径上，包括刀片10和角度调节系统11，刀片10对进入相机8的光量进行遮挡，刀片角度调节系统11用于对刀片10的遮光方向和距光束焦点的位置进行调节。相机8底部固定连接角度仪9，用于调节拍摄区域的角度。
高频压力传感器1位于试验模型4内部，信号处理器2、凹面镜7、LED 灯5及其信号发生器6、图像获取装置相机8等都位于风洞试验段外部，对流场没有任何干扰。
本发明还公开了一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置的观测方法：在试验开始前，按照传感器1的尺寸在试验模型4表面布置安装孔，将传感器1布置在试验模型4的内部，且保证传感器表面与模型壁面齐平安装，将传感器1通过数据线3与信号处理器2连接。数据线3布置在模型支架内以消除对流场的干扰。在风洞试验舱的两侧分别布置凹面镜和光源、相机系统。打开LED灯5，通过在测试区域放置点燃的蜡烛等方法，调节刀片 10的角度和位置，使得相机8可以获取清晰的测试图像。
试验时，在高超声速来流条件下，试验模型壁面会出现第二模态波流动结构，通过信号处理器2对压力传感器1获取的压力信号进行实时显示，获取第二模态波的频率。在此基础上，通过信号发生器6对LED灯5发射光束的频率进行调节，使LED灯的发光频率与第二模态波的频率相匹配，而后启动相机8对测试区域的第二模态波进行拍摄，获取该工况下第二模态波的声学空间分布图像，如图2所示。
如需改变相机8的拍摄区域，可以通过角度仪9进行调节。拍摄图片的亮度可以通过信号发生器6对LED灯5进行调节。为获取第二模态波不同方向的密度梯度变化可以通过角度调节系统11对刀片10的位置角度进行调节。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (8)
1.一种用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：包括第二模态波检测装置、超声同频光路系统和图像获取系统；所述第二模态波检测装置用于检测第二模态波的压力信号；所述超声同频光路系统用于为第二模态波的显示提供光源，发射与所述压力信号频率相匹配的光束，并将光束聚焦形成点光源的图像；所述图像获取系统用于拍摄并记录该图像。
2.根据权利要求1所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：所述第二模态波检测装置包括高频压力传感器和信号处理器，所述高频压力传感器设于试验模型内，传感器测量面与试验模型壁面保持平齐；所述信号处理器与该高频压力传感器电性连接，以实时获取所述高频压力传感器检测的压力信号。
3.根据权利要求1或2所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：所述超声同频光路系统包括LED灯和凹面镜，所述LED灯与凹面镜分别置于所述风洞试验舱外两侧，所述凹面镜的位置与所述LED灯发出的光束位置相对应，该LED灯发出的光束透过风洞试验舱，照射至凹面镜进行聚焦。
4. 根据权利要求3所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：所述超声同频光路系统还包括信号发生器，所述信号发生器与该LED灯电性连接，以调节该LED灯的发光频率 。
5. 根据权利要求1或4所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：所述图像获取系统包括相机和光源遮挡系统，所述相机拍摄范围对应所述超声同频光路系统聚焦形成的图像，以进行拍摄记录；所述光源遮挡系统用于对进入相机的光量进行调节遮挡，以获取清晰的试验图像 。
6. 根据权利要求5所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：所述相机还固定连接角度仪，用于调节该相机的拍摄区域角度 。
7.根据权利要求6所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置，其特征在于：所述光源遮挡系统包括刀片和刀片角度调节系统，所述刀片设置于所述相机的拍摄路径上，用于遮挡该相机的光量，所述刀片角度调节系统用于调节所述刀片的遮光方向以及距光束焦点的位置。
8.根据权利要求7所述的用于第二模态波直接显示的超声同频观测装置的观测方法，其特征在于：
试验开始前，将高频压力传感器设于风洞试验舱的试验模型内，打开LED灯，在测试区域放置光源以调节刀片的角度和位置，直至相机能够获取清晰的测试图像；
试验时，在高超声速来流条件下，试验模型壁面会出现第二模态波流动结构，通过信号处理器对高频压力传感器获取的压力信号进行实时显示，获取第二模态波的频率；信号发生器据此频率调节LED灯发射的光束频率；启动相机，调节角度仪以调整相机的拍摄区域正对测试区域，拍摄测试区域的第二模态波，获取该工况下的第二模态波的声学空间分布图像 。
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