JP2012002665A - Fluctuation image analysis method and fluctuation image analysis system - Google Patents

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大輔 依田
Daiki Nagai
大樹 永井
Keisuke Asai
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluctuation image analysis method and a fluctuation image analysis system capable of improving SNR with a simple constitution and highly precisely acquiring unsteady fluid phenomena.SOLUTION: This fluctuation image analysis system consecutively acquires, with time, images of an object 1 to be measured which is applied with pressure-sensitive paint and where the intensity of the light emission on the surface is changed by a change in the pressure, and at the same time, measures, with time, the pressure to be a reference on the surface of or adjacent to the object 1 to be measured. A pressure fluctuation having a predetermined frequency is extracted by a band-pass filter based on a time change in the measured reference pressure. A phase of each image in the extracted pressure fluctuation period is acquired based on the time when each image is acquired. Each image is distributed to a plurality of phase bands based on the acquired phase of each image, and the plurality of images included in each phase band are averaged to acquire an average image for every phase band.

Description

本発明は、変動画像解析方法および変動画像解析システムに関する。   The present invention relates to a variation image analysis method and a variation image analysis system.

従来、非定常流体現象を計測するために、高速粒子画像流速測定法(Dynamic Particle Image Velocimetry,PIV)を用いた非定常速度場の計測が行われており、非定常流体現象の理解に役立っている。しかし、速度場の情報だけでは、実際に流体が物体に与えている流体力を知ることはできない。物体に与えている流体力を知るには、渦の移流や放出等により生じる局所的圧力変動を知ることが重要である。このため、非定常圧力場の面計測手法である非定常感圧塗料計測の実用化が求められている。   Conventionally, in order to measure unsteady fluid phenomena, unsteady velocity field measurement using dynamic particle image velocimetry (PIV) has been performed, which is helpful for understanding unsteady fluid phenomena. Yes. However, the fluid force that the fluid is actually applying to the object cannot be known only by the information on the velocity field. In order to know the fluid force applied to an object, it is important to know local pressure fluctuations caused by vortex advection and discharge. For this reason, there is a demand for practical use of unsteady pressure-sensitive paint measurement, which is a surface measurement technique for unsteady pressure fields.

しかし、感圧塗料(PSP)技術(例えば、非特許文献1参照)を非定常かつ圧力変動量の少ない現象へ応用することは、応答性および信号雑音比(SNR)の観点から非常に困難である。非定常現象は、周期現象であっても、広域の変動周波数を有し、振幅や振動中心が一定でないことが少なくない。そのため、単純な加算平均によりSNRの向上を図ることも難しい。   However, it is very difficult to apply pressure-sensitive paint (PSP) technology (for example, see Non-Patent Document 1) to a phenomenon that is unsteady and has a small amount of pressure fluctuation from the viewpoint of responsiveness and signal-to-noise ratio (SNR). is there. Even if the unsteady phenomenon is a periodic phenomenon, it often has a wide range of fluctuation frequencies, and the amplitude and vibration center are not constant. For this reason, it is difficult to improve the SNR by simple addition averaging.

このような問題を解決するために、画像計測および得られた画像の解析を含む非定常PSP技術として、周期現象に対して適用できる、いわゆるフェーズロック(Phase-lock)法(例えば、非特許文献2参照)やFFT法(例えば、非特許文献3または特許文献1参照)が開発されている。   In order to solve such a problem, as a non-stationary PSP technique including image measurement and analysis of the obtained image, a so-called phase-lock method (for example, non-patent literature) that can be applied to a periodic phenomenon. 2) and the FFT method (see, for example, Non-Patent Document 3 or Patent Document 1) have been developed.

なお、感圧塗料(PSP)とは、励起光を照射すると燐光を発する色素と、バインダとしての高分子とからなる塗料で、周囲の酸素濃度によって色素の発光強度が変化する酸素消光(Oxygen quenching)と呼ばれる現象を利用した光学的酸素分子センサである。感圧塗料を塗った物体表面にはたらく圧力と酸素濃度との間に相関があることから、圧力値を得ることができる。風洞試験においては、式(1)のStern-Volmer関係式を用いて、基準状態(一般的に無風時)と通風時との感圧塗料の発光強度比Iref/Iから圧力Pを算出することができる。
ref/I=A+B・P/Pref (1)
ここで、添字refは基準状態を表し、A,BはStern-Volmer係数である。
A pressure-sensitive paint (PSP) is a paint composed of a dye that emits phosphorescence when irradiated with excitation light and a polymer as a binder. Oxygen quenching in which the emission intensity of the dye changes depending on the surrounding oxygen concentration. ) Is an optical oxygen molecular sensor that utilizes a phenomenon called “). Since there is a correlation between the pressure acting on the surface of the object coated with the pressure-sensitive paint and the oxygen concentration, a pressure value can be obtained. In the wind tunnel test, the pressure P is calculated from the light emission intensity ratio I ref / I of the pressure-sensitive paint between the reference state (generally no wind) and the ventilation using the Stern-Volmer relational expression (1). be able to.
I ref / I = A + B · P / P ref (1)
Here, the subscript ref represents a reference state, and A and B are Stern-Volmer coefficients.

特開2008−82735号公報JP 2008-82735 A

Bell, J. H., Schairer, E. T., Hand, L. A., and Mehta, R. D.,“Surfacepressure measurements using luminescent coatings”, Annual Review of Fluid Mechanics, 2001, 33, p.155-206Bell, J. H., Schairer, E. T., Hand, L. A., and Mehta, R. D., “Surfacepressure measurements using luminescent coatings”, Annual Review of Fluid Mechanics, 2001, 33, p.155-206 Yorita, D., Narumi, T., Nagai, H., and Asai, K., “Unsteady PSP Technique for Measuring Naturally-Disturbed PeriodicPhenomena, AIAA2010-307, 2010Yorita, D., Narumi, T., Nagai, H., and Asai, K., “Unsteady PSP Technique for Measuring Naturally-Disturbed Periodic Phenomena, AIAA2010-307, 2010 Nakakita, K., “Unsteady PressureDistribution Measurement around 2D-Cylinders Using Pressure-Sensitive Paint”, AIAA 2007-3819, 2007Nakakita, K., “Unsteady Pressure Distribution Measurement around 2D-Cylinders Using Pressure-Sensitive Paint”, AIAA 2007-3819, 2007

フェーズロック法やFFT法は、広帯域の現象やゆらぎを有するような現象へも適用が試みられている。しかしながら、そのような現象に適用したときに、フェーズロック法は計測システムが複雑化してしまうことや、十分な精度で位相が分解できないという課題があった。一方、FFT法では、画像処理方法が複雑化してしまうという課題があった。   The phase lock method and the FFT method have been tried to be applied to a wide band phenomenon and a phenomenon having fluctuations. However, when applied to such a phenomenon, the phase lock method has problems that the measurement system becomes complicated and the phase cannot be resolved with sufficient accuracy. On the other hand, the FFT method has a problem that the image processing method becomes complicated.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、より簡易な構成でSNRを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる変動画像解析方法および変動画像解析システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to such a problem, and provides a variation image analysis method and a variation image analysis system that can increase the SNR with a simpler configuration and accurately grasp an unsteady fluid phenomenon. The purpose is to do.

上記目的を達成するために、本発明に係る変動画像解析方法は、第1物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得ステップと、前記画像取得ステップと併行して、前記測定対象の表面または近傍での第2物理量を経時的に測定する基準データ取得ステップと、前記基準データ取得ステップで測定された前記第2物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出する変動抽出ステップと、前記画像取得ステップで各画像を取得した時刻に基づいて、前記変動抽出ステップで抽出された前記第2物理量の変動周期における各画像の位相を求める位相決定ステップとを有することを、特徴とする。   In order to achieve the above object, a variation image analysis method according to the present invention includes an image acquisition step of continuously acquiring images of a measurement object whose intensity of light emission on a surface changes due to a change in a first physical quantity, over time. In parallel with the image acquisition step, a reference data acquisition step for measuring the second physical quantity at or near the surface of the measurement object over time, and a time change of the second physical quantity measured in the reference data acquisition step The second physical quantity extracted in the fluctuation extraction step based on the fluctuation extraction step of extracting the fluctuation of the second physical quantity having a predetermined frequency, and the time when each image was acquired in the image acquisition step And a phase determination step for obtaining the phase of each image in the fluctuation period.

本発明に係る変動画像解析システムは、第1物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得手段と、前記画像取得手段による画像の取得と併行して、前記測定対象の表面または近傍での第2物理量を経時的に測定する基準センサと、前記基準センサで測定された前記第2物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出し、前記画像取得手段で各画像を取得した時刻に基づいて、各画像の、前記第2物理量の変動周期における位相を求める解析手段とを有することを、特徴とする。   The variation image analysis system according to the present invention includes an image acquisition unit that continuously acquires, over time, an image of a measurement target in which the intensity of light emission on the surface changes due to a change in the first physical quantity, and an image acquired by the image acquisition unit. In parallel with the acquisition, a reference sensor that measures the second physical quantity at or near the surface of the measurement object over time, and a predetermined frequency based on a time change of the second physical quantity measured by the reference sensor. Analysis means for extracting a change in the second physical quantity and obtaining a phase of each image in a fluctuation cycle of the second physical quantity based on a time when each image is obtained by the image obtaining means. And

本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システムは、第2物理量の所定の周波数を有する変動の、1周期における各画像の位相を求めることができる。各画像を、求めた位相の順番に並べ替えたり、所定の位相幅ごとに画像を平均化して並べ替えたりすることにより、第2物理量の所定の周波数を有する変動の、1周期内での第1物理量の変化を容易に把握することができる。   The variation image analysis method and the variation image analysis system according to the present invention can determine the phase of each image in one cycle of the variation having a predetermined frequency of the second physical quantity. By rearranging the images in the order of the obtained phases or averaging and rearranging the images for each predetermined phase width, the second physical quantity having a predetermined frequency has a first frequency within one cycle. It is possible to easily grasp a change in one physical quantity.

このため、第2物理量として、第1物理量の変化と関連して変化する物理量を測定することにより、広帯域の現象やゆらぎを有するような現象であっても、所定の周波数の変動に着目して第1物理量の周期的な変化を画像で把握することができる。このように、本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システムは、フェーズロック法やFFT法より簡易な構成でSNRを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる。   Therefore, by measuring the physical quantity that changes in relation to the change of the first physical quantity as the second physical quantity, paying attention to the fluctuation of the predetermined frequency even if the phenomenon has a broadband phenomenon or fluctuation. The periodic change of the first physical quantity can be grasped with an image. As described above, the variation image analysis method and the variation image analysis system according to the present invention can increase the SNR with a simpler configuration than the phase lock method and the FFT method, and can accurately grasp an unsteady fluid phenomenon.

測定対象の画像を連続的に取得する画像取得手段は、第1物理量の変化を計測可能な撮影速度および解像度を有していればよく、例えば、CMOS高速度カメラから成る。第1物理量は、発光の強さなどの測定対象の表面の変化により計測可能な物理量であればいかなるものであってもよい。第1物理量は、例えば、測定対象の表面に感圧塗料や感温塗料等を塗ることにより計測可能となる、圧力や温度等から成る。   The image acquisition means for continuously acquiring the image to be measured only needs to have a photographing speed and resolution capable of measuring the change in the first physical quantity, and is composed of, for example, a CMOS high-speed camera. The first physical quantity may be any physical quantity that can be measured by a change in the surface of the measurement target such as the intensity of light emission. The first physical quantity includes, for example, pressure, temperature, and the like that can be measured by applying a pressure-sensitive paint or a temperature-sensitive paint to the surface of the measurement target.

第2物理量は、第1物理量の変化と関連して変化すると考えられる物理量であればいかなるものであってもよく、例えば、圧力、音、流速、力、変位等から成る。第2物理量を経時的に測定する基準センサは、第2物理量の所望の周波数を有する変動を抽出可能であれば、いかなるものであってもよい。また、測定対象の表面に直接設置されていても、測定対象に接することなく測定対象の近傍に設置されていてもよい。複数箇所に設置されていてもよい。着目する所定の周波数は、1つであっても複数であってもよい。   The second physical quantity may be any physical quantity that is considered to change in relation to the change in the first physical quantity, and includes, for example, pressure, sound, flow velocity, force, displacement, and the like. The reference sensor for measuring the second physical quantity over time may be any sensor as long as it can extract a variation of the second physical quantity having a desired frequency. Moreover, even if it is directly installed on the surface of the measurement object, it may be installed in the vicinity of the measurement object without touching the measurement object. It may be installed in multiple places. The predetermined frequency of interest may be one or plural.

本発明に係る変動画像解析方法は、1周期を複数の位相帯に分割し、前記位相決定ステップで求められた各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得る画像平均処理ステップを有することが好ましい。   The variation image analysis method according to the present invention divides one cycle into a plurality of phase bands, distributes each image to each phase band based on the phase of each image obtained in the phase determination step, It is preferable to have an image averaging process step of averaging a plurality of included images to obtain an averaged image for each phase band.

本発明に係る変動画像解析システムで、前記解析手段は、1周期を複数の位相帯に分割し、各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得ることが好ましい。   In the variation image analysis system according to the present invention, the analysis unit divides one cycle into a plurality of phase bands, distributes each image to each phase band based on the phase of each image, and includes a plurality of included in each phase band. It is preferable to average these images to obtain an averaged image for each phase band.

各位相帯ごとの平均化画像を得ることにより、周期ごとに異なる変化や位相帯の幅より短い変化、所定の周波数とは異なる変化等を相対的に小さくすることができ、所定の周波数の変動に対するSNRをより高めることができる。解析精度を高めるために、各位相帯には、偏りなく画像が配分されていることが好ましく、各位相帯の中にも、画像の位相が偏りなく分布していることが好ましい。平均化画像は、例えば、各位相帯に含まれる複数の画像を単純に加算平均したり、各画像が有する位相の各位相帯中での位置に応じて、各画像に重みを加えて加算平均したりすることにより得ることができる。   By obtaining an averaged image for each phase band, changes that differ from period to period, changes that are shorter than the width of the phase band, changes that differ from the predetermined frequency, etc. can be made relatively small, and fluctuations in the predetermined frequency SNR can be further increased. In order to increase the analysis accuracy, it is preferable that the image is distributed without deviation in each phase band, and it is preferable that the phase of the image is distributed evenly in each phase band. The averaged image can be obtained by, for example, simply averaging a plurality of images included in each phase band, or adding and weighting each image according to the position of each image in the phase band. It can be obtained by doing.

本発明に係る変動画像解析方法で、前記第1物理量は圧力から成り、前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、前記第2物理量は圧力、音、流速、力または変位から成り、前記変動抽出ステップは、前記第2物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第2物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出してもよい。   In the variation image analysis method according to the present invention, the first physical quantity is composed of pressure, the measurement object is formed by applying a pressure-sensitive paint on the surface, and the second physical quantity is pressure, sound, flow velocity, force or displacement. The fluctuation extracting step includes applying a bandpass filter having the predetermined frequency as a center frequency to the second physical quantity, or time-differentiating the second physical quantity to obtain the predetermined frequency. You may extract the fluctuation | variation of the said 2nd physical quantity which has.

本発明に係る変動画像解析システムで、前記第1物理量は圧力から成り、前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、前記基準センサは、圧力センサ、マイクロフォン、流速センサ、力センサまたは変位センサから成り、前記解析手段は、前記第2物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第2物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出してもよい。   In the fluctuating image analysis system according to the present invention, the first physical quantity includes pressure, the measurement object is formed by applying a pressure-sensitive paint on a surface, and the reference sensor includes a pressure sensor, a microphone, a flow rate sensor, a force The analysis means comprises a sensor or a displacement sensor, and the analyzing means applies a bandpass filter having the predetermined frequency as a center frequency to the second physical quantity, or time-differentiates the second physical quantity, and The fluctuation of the second physical quantity having a frequency of may be extracted.

感圧塗料を使用することにより、圧力変動を伴う非定常な流体現象を精度良く把握することができる。また、バンドパスフィルタや時間微分を用いることにより、有意な所望の周波数を有する第2物理量の変動を容易に抽出することができる。十分な解析精度を得るために、感圧塗料は、所定の周波数の変動に対して、十分な感度を有し、十分に速い応答時間を有するものから成ることが好ましい。   By using the pressure sensitive paint, it is possible to accurately grasp an unsteady fluid phenomenon accompanied by pressure fluctuation. Moreover, the fluctuation | variation of the 2nd physical quantity which has a significant desired frequency can be easily extracted by using a band pass filter and a time differentiation. In order to obtain sufficient analysis accuracy, the pressure-sensitive paint is preferably composed of a material having sufficient sensitivity to a predetermined frequency variation and a sufficiently fast response time.

本発明に係る変動画像解析方法は、前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記画像平均処理ステップで得られた平均化画像に基づく前記第1物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記変動抽出ステップで抽出された前記第2物理量の変動からの位相のずれを求める位置変動決定ステップを有していてもよい。   In the variation image analysis method according to the present invention, the predetermined physical value among the variations of the first physical quantity based on the averaged image obtained in the image averaging process step at an arbitrary position of the measurement target is determined. There may be provided a position variation determining step for obtaining a phase deviation from the amplitude of the variation at the frequency and the variation of the second physical quantity extracted in the variation extracting step.

本発明に係る変動画像解析システムで、前記解析手段は、前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記平均化画像に基づく前記第1物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記第2物理量の変動からの位相のずれを求めてもよい。   In the variation image analysis system according to the present invention, the analysis unit is configured to detect, with respect to an arbitrary position of the measurement target, at the predetermined frequency among variations in the first physical quantity based on the averaged image at the position. And the phase shift from the fluctuation of the second physical quantity may be obtained.

測定対象の任意の位置での、所定の周波数の変動の振幅および位相のずれを求めることにより、その位置での第1物理量の変動を詳細に把握することができる。測定対象の全ての位置について、所定の周波数の変動の振幅および位相のずれを求めることにより、測定対象の第1物理量の変動を詳細に把握することができる。また、その振幅および位相のずれを画像で表すことにより、視覚的に容易に把握できるようにすることができる。振幅および位相のずれは、測定対象の位置ごとに、例えば、第1物理量の変動を正弦波近似することにより求めることができる。   By obtaining the amplitude and phase shift of the fluctuation of the predetermined frequency at an arbitrary position of the measurement object, the fluctuation of the first physical quantity at that position can be grasped in detail. By obtaining the amplitude and phase shift of the fluctuation of the predetermined frequency for all the positions of the measurement object, the fluctuation of the first physical quantity of the measurement object can be grasped in detail. In addition, by representing the deviation of the amplitude and phase as an image, it can be easily grasped visually. The deviation of the amplitude and the phase can be obtained for each position of the measurement object, for example, by approximating the fluctuation of the first physical quantity with a sine wave.

本発明によれば、より簡易な構成でSNRを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる変動画像解析方法および変動画像解析システムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a variation image analysis method and a variation image analysis system capable of increasing the SNR with a simpler configuration and accurately grasping an unsteady fluid phenomenon.

本発明の実施の形態の変動画像解析システムを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fluctuation | variation image analysis system of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the fluctuation | variation image analysis method of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの(a)測定対象である3次元角柱模型を示す斜視図、(b)3次元角柱模型の設置状態を示す斜視図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a perspective view showing a three-dimensional prism model that is a measurement target of a variation image analysis method and a variation image analysis system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、基準センサによる圧力変動の(a)時系列波形を示すグラフ、(b)振幅スペクトルを示すグラフである。It is the graph which shows the (a) time-sequential waveform of the pressure fluctuation by a reference | standard sensor of the fluctuation | variation image analysis method and fluctuation | variation image analysis system of embodiment of this invention, (b) It is a graph which shows an amplitude spectrum. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの(a)基準センサによる圧力変動の時系列波形を示すグラフ、(b)バンドパスフィルタ適用後の圧力変動の時系列波形を示すグラフ、(c)高速度カメラの撮影タイミングのパルス信号を示すグラフである。(A) A graph showing a time series waveform of pressure fluctuations by a reference sensor of the fluctuation image analysis method and fluctuation image analysis system according to the embodiment of the present invention, and (b) a time series waveform of pressure fluctuations after application of a bandpass filter. FIG. 4C is a graph showing a pulse signal of shooting timing of the high-speed camera. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、30degずつに分割された12の位相帯ごとに求めた3次元角柱模型の側面における圧力の平均化画像である。It is the averaged image of the pressure in the side surface of the three-dimensional prism model calculated | required for every 12 phase bands divided | segmented into 30 deg of the fluctuation image analysis method and fluctuation image analysis system of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、平均化画像から得られる3次元角柱模型の中心における圧力変動(図中の黒丸)、および、基準センサで得られた圧力変動(図中の実線)を示すグラフである。Pressure fluctuation (black circle in the figure) at the center of the three-dimensional prism model obtained from the averaged image and pressure fluctuation obtained by the reference sensor in the fluctuation image analysis method and fluctuation image analysis system of the embodiment of the present invention It is a graph which shows (the solid line in a figure). 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、3次元角柱模型の側面において求めた(a)150Hzの変動の振幅(圧力比)を示す画像、(b)基準センサの150Hzの圧力変動からの位相のずれを示す画像である。(A) An image showing the amplitude (pressure ratio) of fluctuation at 150 Hz obtained on the side surface of the three-dimensional prism model of the fluctuation image analysis method and fluctuation image analysis system of the embodiment of the present invention, and (b) 150 Hz of the reference sensor. It is an image which shows the shift | offset | difference of the phase from a pressure fluctuation. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、30degずつに分割された12の位相帯ごとに求めた平板上における圧力の平均化画像である。It is the averaged image of the pressure on the flat plate calculated | required for every 12 phase bands divided | segmented every 30 degrees of the fluctuation | variation image analysis method and fluctuation | variation image analysis system of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムの、平板上で求めた(a)150Hzの変動の振幅(圧力比)を示す画像、(b)基準センサの150Hzの圧力変動からの位相のずれを示す画像、(c)300Hzの変動の振幅(圧力比)を示す画像、(d)基準センサの300Hzの圧力変動からの位相のずれを示す画像である。From the fluctuation image analysis method and fluctuation image analysis system according to the embodiment of the present invention, (a) an image showing the fluctuation amplitude (pressure ratio) of 150 Hz obtained on a flat plate, (b) from the pressure fluctuation of 150 Hz of the reference sensor. (C) an image showing the amplitude (pressure ratio) of the fluctuation at 300 Hz, and (d) an image showing the phase deviation from the pressure fluctuation at 300 Hz of the reference sensor.

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図10は、本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システムを示している。
図1に示すように、変動画像解析システム10は、画像取得手段11と基準センサ12と解析手段13とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 10 show a variation image analysis method and a variation image analysis system according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the fluctuation image analysis system 10 includes an image acquisition unit 11, a reference sensor 12, and an analysis unit 13.

図1に示すように、変動画像解析システム10の測定対象1は、表面に感圧塗料を塗って形成されている。感圧塗料は、測定を行いたい周波数の変動に対して、十分な感度を有し、十分に速い応答時間を有するものから成っている。測定対象1は、第1物理量の圧力の変化によって表面の発光の強さが変化するようになっている。   As shown in FIG. 1, the measuring object 1 of the fluctuation image analysis system 10 is formed by applying a pressure-sensitive paint on the surface. The pressure-sensitive paint is composed of a material having sufficient sensitivity and sufficiently fast response time with respect to a change in frequency to be measured. The measurement object 1 is configured such that the intensity of light emission on the surface changes according to the change in the pressure of the first physical quantity.

図1に示すように、画像取得手段11は、感圧塗料を励起させるための2台の紫外線LED(UV−LED)21と、高速度カメラ22とから成っている。画像取得手段11は、紫外線LED21の光を測定対象1に照射して感圧塗料を発光させつつ、高速度カメラ22で測定対象1の画像を連続的に取得するようになっている。高速度カメラ22は、測定を行いたい測定対象1の圧力の変化を計測可能な撮影速度および解像度を有するものから成っている。また、高速度カメラ22は、画像の撮影タイミングをパルス信号として出力可能になっている。   As shown in FIG. 1, the image acquisition means 11 includes two ultraviolet LEDs (UV-LEDs) 21 for exciting the pressure-sensitive paint and a high-speed camera 22. The image acquisition unit 11 continuously acquires images of the measurement target 1 with the high-speed camera 22 while irradiating the measurement target 1 with light of the ultraviolet LED 21 to emit pressure-sensitive paint. The high-speed camera 22 is composed of a camera having a photographing speed and resolution capable of measuring a change in pressure of the measurement object 1 to be measured. The high-speed camera 22 can output the image capturing timing as a pulse signal.

図1に示すように、基準センサ12は、第2物理量の圧力を測定可能な圧力変換器から成り、測定対象1の表面に取り付けられている。基準センサ12は、画像取得手段11による画像の取得と併行して、測定対象1の表面での圧力を経時的に測定するようになっている。基準センサ12は、測定を行いたい周波数の圧力変動を測定可能になっている。なお、基準センサ12は、圧力以外にも、画像取得手段11で測定される感圧塗料による変化と関連して変化する音や流速、力、変位を測定可能な、マイクロフォンや流速センサ、力センサ、変位センサから成っていてもよい。また、基準センサ12は、測定対象1の近傍に設置されていてもよく、1箇所に設置されていても複数箇所に設置されていてもよい。   As shown in FIG. 1, the reference sensor 12 includes a pressure transducer that can measure the pressure of the second physical quantity, and is attached to the surface of the measuring object 1. The reference sensor 12 measures the pressure on the surface of the measuring object 1 with time in parallel with the image acquisition by the image acquisition means 11. The reference sensor 12 can measure a pressure fluctuation at a frequency to be measured. In addition to the pressure, the reference sensor 12 is a microphone, a flow rate sensor, or a force sensor that can measure a sound, a flow rate, a force, and a displacement that change in association with a change caused by the pressure-sensitive paint measured by the image acquisition unit 11. A displacement sensor may be used. Moreover, the reference sensor 12 may be installed in the vicinity of the measuring object 1, and may be installed in one place or may be installed in a plurality of places.

図1に示すように、解析手段13は、データロガー23および解析部24から成っている。データロガー23は、高速度カメラ22と基準センサ12とに接続され、高速度カメラ22により取得された画像と、基準センサ12により測定された圧力データとを、同時系列で記録可能になっている。また、データロガー23は、高速度カメラ22からの撮影タイミングのパルス信号も同時系列で記録可能になっている。   As shown in FIG. 1, the analysis means 13 includes a data logger 23 and an analysis unit 24. The data logger 23 is connected to the high-speed camera 22 and the reference sensor 12, and can record an image acquired by the high-speed camera 22 and pressure data measured by the reference sensor 12 in a simultaneous series. . In addition, the data logger 23 can record the pulse signal of the photographing timing from the high-speed camera 22 in the same series.

解析部24は、コンピュータから成り、データロガー23に接続されている。解析部24は、データロガー23に記録されたデータを解析可能になっている。解析部24は、基準センサ12で測定された圧力データの時間変化に基づいて、所望の周波数を有する圧力変動を抽出するようになっている。このとき、解析部24は、圧力データに対して所望の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用することにより、または、圧力データを時間微分することにより、所望の周波数を有する圧力変動を抽出するようになっている。   The analysis unit 24 includes a computer and is connected to the data logger 23. The analysis unit 24 can analyze the data recorded in the data logger 23. The analysis unit 24 extracts a pressure fluctuation having a desired frequency based on the time change of the pressure data measured by the reference sensor 12. At this time, the analysis unit 24 extracts a pressure fluctuation having a desired frequency by applying a bandpass filter whose center frequency is a desired frequency to the pressure data, or by time-differentiating the pressure data. It is supposed to be.

また、解析部24は、画像取得手段11で取得した全ての画像を、式(1)を用いて、発光強度の画像から圧力の画像に変換するようになっている。次に、解析部24は、画像取得手段11で各画像を取得した時刻に基づいて、所望の周波数を有する圧力データの変動周期における各画像の位相を求めるようになっている。   The analysis unit 24 converts all images acquired by the image acquisition unit 11 from an image of emission intensity to an image of pressure using Expression (1). Next, the analysis unit 24 obtains the phase of each image in the fluctuation cycle of the pressure data having a desired frequency based on the time when each image is acquired by the image acquisition unit 11.

解析部24は、1周期を複数の位相帯に分割し、求めた各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得るようになっている。このとき、解析部24は、各位相帯に含まれる複数の画像を加算平均することにより、平均化画像を得るようになっている。解析部24は、得られた平均化画像を、位相帯の順番に並べて出力可能になっている。   The analysis unit 24 divides one period into a plurality of phase bands, distributes each image to each phase band based on the obtained phase of each image, averages a plurality of images included in each phase band, and outputs each phase An averaged image for each band is obtained. At this time, the analysis unit 24 obtains an averaged image by averaging the plurality of images included in each phase band. The analysis unit 24 can output the averaged images obtained in the order of the phase bands.

さらに、解析部24は、測定対象1の全ての位置に対して、各位置での平均化画像に基づく圧力変動のうち、所望の周波数での変動の振幅、および、基準センサ12による所望の周波数の圧力変動からの位相のずれを求めるようになっている。このとき、解析部24は、測定対象1の各位置ごとに、平均化画像の圧力変動を正弦波近似することにより、振幅および位相のずれを求めるようになっている。解析部24は、求められた振幅および位相のずれを、画像により出力可能になっている。   Further, the analysis unit 24, for all the positions of the measurement object 1, among the pressure fluctuations based on the averaged image at each position, the amplitude of the fluctuation at a desired frequency and the desired frequency by the reference sensor 12 The phase shift from the pressure fluctuation is obtained. At this time, the analysis unit 24 obtains a deviation in amplitude and phase by approximating the pressure fluctuation of the averaged image with a sine wave for each position of the measurement object 1. The analyzing unit 24 can output the obtained amplitude and phase shifts as an image.

本発明の実施の形態の変動画像解析方法は、変動画像解析システム10により実施することができる。図2に示すように、本発明の実施の形態の変動画像解析方法は、まず、感圧塗料が塗られた測定対象1の画像を、画像取得手段11により経時的に連続して取得するとともに(「PSP images」;ステップ31)、それと併行して、基準センサ12により測定対象1の表面での圧力を経時的に測定する(「Reference signal」;ステップ32)。次に、解析手段13により、基準センサ12で測定された圧力データの時間変化から、所望の周波数を有する圧力変動を抽出する(「Conditioned signal」;ステップ33)。このとき、バンドパスフィルタや時間微分を用いるため、データに含まれる高周波の雑音や低周波のバイアスの変動を取り除き、所望の周波数帯域を通過する有意な圧力変動を容易に抽出することができる。   The variation image analysis method according to the embodiment of the present invention can be implemented by the variation image analysis system 10. As shown in FIG. 2, in the variation image analysis method according to the embodiment of the present invention, first, the image of the measurement object 1 coated with the pressure-sensitive paint is continuously acquired over time by the image acquisition unit 11. ("PSP images"; step 31) In parallel with this, the pressure on the surface of the measuring object 1 is measured over time by the reference sensor 12 ("Reference signal"; step 32). Next, the analysis means 13 extracts a pressure fluctuation having a desired frequency from the time change of the pressure data measured by the reference sensor 12 (“Conditioned signal”; step 33). At this time, since a band-pass filter and time differentiation are used, it is possible to easily extract significant pressure fluctuations passing through a desired frequency band by removing high-frequency noise and low-frequency bias fluctuations included in the data.

解析手段13により、画像取得手段11で取得した全ての画像を、式(1)を用いて圧力画像に変換する(「Pressure images」;ステップ34)。このとき、発光強度の基準画像(Iref)として、取得した全ての画像の平均画像(averaged image)を使用することにより、圧力の変動成分のみを得ることができる。また、測定対象1の温度変化や色素の光劣化の影響を低減することもでき、測定対象1の変形の位置補正も不要である。 The analysis unit 13 converts all images acquired by the image acquisition unit 11 into pressure images using Expression (1) (“Pressure images”; step 34). At this time, only the pressure fluctuation component can be obtained by using an averaged image of all acquired images as the reference image (I ref ) of the emission intensity. Moreover, the influence of the temperature change of the measuring object 1 and the light deterioration of the pigment can be reduced, and the position correction of the deformation of the measuring object 1 is not necessary.

次に、解析手段13により、画像取得手段11で各画像を取得した時刻に基づいて、所望の周波数を有する圧力データの変動周期における各画像の位相を求める(「Phase categorized images」;ステップ35)。求められた各画像の位相に基づいて、1周期を分割した各位相帯に各画像を配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得る(「Phase-averaged images」;ステップ36)。このとき、平均化画像を得ることにより、周期ごとに異なる変化や、所望の周波数とは異なる変化等を相対的に小さくすることができ、所望の周波数の変動に対するSNRを高めることができる。また、所望の周波数を有する変動の、1周期内での測定対象1の表面の圧力変化を容易に把握することができる。   Next, the phase of each image in the fluctuation cycle of the pressure data having a desired frequency is obtained by the analyzing unit 13 based on the time when each image is acquired by the image acquiring unit 11 (“Phase categorized images”; step 35). . Based on the obtained phase of each image, each image is distributed to each phase band obtained by dividing one period, and a plurality of images included in each phase band are averaged to obtain an averaged image for each phase band ( “Phase-averaged images”; step 36). At this time, by obtaining an averaged image, changes different from period to period, changes different from the desired frequency, and the like can be made relatively small, and the SNR for fluctuations in the desired frequency can be increased. In addition, it is possible to easily grasp the change in pressure on the surface of the measuring object 1 within one cycle of fluctuation having a desired frequency.

さらに、解析手段13により、測定対象1の全ての位置に対して、各位置での平均化画像に基づく圧力変動のうち、所望の周波数での変動の振幅、および、基準センサ12による所望の周波数の圧力変動からの位相のずれを求める。これにより、測定対象1の全ての位置について、圧力変動を詳細に把握することができる。   Furthermore, the analysis means 13 makes the amplitude of the fluctuation at a desired frequency out of the pressure fluctuations based on the averaged image at each position and the desired frequency by the reference sensor 12 for all the positions of the measuring object 1. The phase shift from the pressure fluctuation is obtained. Thereby, pressure fluctuations can be grasped in detail for all positions of the measuring object 1.

このように、本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システム10によれば、広帯域の現象やゆらぎを有するような現象であっても、所定の周波数の変動に着目して、測定対象1の表面の圧力の周期的な変化を画像で容易に把握することができる。また、感圧塗料を使用するため、圧力変動を伴う非定常な流体現象を精度良く把握することができる。本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システム10は、フェーズロック法やFFT法より簡易な構成でSNRを高め、非定常な流体現象を精度良く把握することができる。   As described above, according to the variation image analysis method and the variation image analysis system 10 according to the embodiment of the present invention, paying attention to the variation of a predetermined frequency even if the phenomenon has a wide-band phenomenon or fluctuation, A periodic change in pressure on the surface of the measuring object 1 can be easily grasped with an image. Further, since the pressure sensitive paint is used, it is possible to accurately grasp the unsteady fluid phenomenon accompanied by the pressure fluctuation. The variation image analysis method and the variation image analysis system 10 according to the present invention can increase the SNR with a simpler configuration than the phase lock method and the FFT method, and can accurately grasp an unsteady fluid phenomenon.

本発明の実施の形態の変動画像解析方法および変動画像解析システム10を、図3に示す3次元角柱模型51の側面および角柱を設置した平板52の上に生じる周期的な圧力変動場に適用し、その有効性の評価を行った。図3に示すように、3次元角柱模型51は、縦40mm、横40mmの正方断面を有し、高さが100mmである。3次元角柱模型51は、内部が中空になっている。感圧塗料(PSP)は、3次元角柱模型51の一つの側面全体に塗装されている。この感圧塗料の塗装面には、幅30mm、高さ100mm、厚さ5mmの取り外し可能な試験プレート51aが埋め込まれている。3次元角柱模型51と試験プレート51aには、段差はない。計側面の中心に、基準センサ12としての圧力変換器(Kulite Semiconductor Products, Inc.製;製品名「XCL-152」)が取り付けられている。   The fluctuation image analysis method and the fluctuation image analysis system 10 according to the embodiment of the present invention are applied to a periodic pressure fluctuation field generated on the side surface of the three-dimensional prism model 51 shown in FIG. The effectiveness was evaluated. As shown in FIG. 3, the three-dimensional prism model 51 has a square cross section of 40 mm in length and 40 mm in width, and has a height of 100 mm. The three-dimensional prism model 51 is hollow inside. The pressure-sensitive paint (PSP) is applied to one entire side surface of the three-dimensional prism model 51. A removable test plate 51a having a width of 30 mm, a height of 100 mm, and a thickness of 5 mm is embedded in the coating surface of the pressure-sensitive paint. There is no step between the three-dimensional prism model 51 and the test plate 51a. A pressure transducer (manufactured by Kulite Semiconductor Products, Inc .; product name “XCL-152”) as a reference sensor 12 is attached to the center of the meter side surface.

なお、感圧塗料は、数百Hz以下の変動に対して十分に速い応答時間を有する、高応答性のPolymer/Ceramic PSP(PC−PSP)から成っている。感圧塗料は、3次元角柱模型51の側面にスプレーで塗布されている。感圧塗料は、色素として PtTFPP が用いられており、圧力に対する感度が0.5%/kPaである。   The pressure-sensitive paint is made of a highly responsive Polymer / Ceramic PSP (PC-PSP) having a sufficiently fast response time for fluctuations of several hundred Hz or less. The pressure-sensitive paint is applied to the side surface of the three-dimensional prism model 51 by spraying. The pressure-sensitive paint uses PtTFPP as a pigment and has a sensitivity to pressure of 0.5% / kPa.

この3次元角柱模型51を用いて風洞試験を行った。風洞試験で使用した風洞は、大気吸い込み型であり、通風による温度上昇が比較的小さいため、感圧塗料を用いた実験に適している。3次元角柱模型51は、平板52上の直径250mmのターンテーブル(Turn table)に固定されている。本試験では、ターンテーブル上にも感圧塗料が塗布されており、3次元角柱模型51を設置した平板52の上に生じる周期的な圧力変動場についても計測を行った。主流速度は50m/sとし、模型偏揺角は計測面が流れと平行になる0degとした。   Using this three-dimensional prism model 51, a wind tunnel test was conducted. The wind tunnel used in the wind tunnel test is an air suction type, and the temperature rise due to ventilation is relatively small, so it is suitable for experiments using pressure sensitive paint. The three-dimensional prism model 51 is fixed to a turn table having a diameter of 250 mm on a flat plate 52. In this test, a pressure-sensitive paint was applied also on the turntable, and the periodic pressure fluctuation field generated on the flat plate 52 on which the three-dimensional prism model 51 was installed was also measured. The main flow velocity was 50 m / s, and the model yaw angle was 0 deg so that the measurement surface was parallel to the flow.

図1に示すように、高速度カメラ22による感圧塗料面の計測と、基準センサ12の圧力変換器による圧力測定とを併行して行った。ここで、紫外線LED21には、ピーク波長395nmの、浜松ホトニクス(株)製;製品名「LEDH576-395」を用い、高速度カメラ22には、分解能12ビットのCMOS高速度カメラ((株)フォトロン製;製品名「FASTCAM SA5」)を用いた。高速度カメラ22の撮影速度は1000frame/sとし、通風中の感圧塗料の発光画像を23,000枚取得した。また、画像1枚あたりの露光時間を0.99msとした。これにより、得られる発光画像は、変動現象の位相幅54degの平均画像となる。また、データロガー23は、横河電機(株)製;製品名「WE7000」を用い、そのサンプリングレートを10kHzとした。   As shown in FIG. 1, the measurement of the pressure-sensitive paint surface by the high-speed camera 22 and the pressure measurement by the pressure transducer of the reference sensor 12 were performed in parallel. Here, the UV LED 21 uses a product name “LEDH576-395” having a peak wavelength of 395 nm; the product name “LEDH576-395”, and the high-speed camera 22 has a resolution of 12-bit CMOS high-speed camera (Photo) Ron, product name “FASTCAM SA5”) was used. The shooting speed of the high-speed camera 22 was 1000 frames / s, and 23,000 luminescent images of pressure-sensitive paint during ventilation were acquired. The exposure time per image was set to 0.99 ms. Thus, the obtained luminescent image is an average image having a phase width of 54 deg of the fluctuation phenomenon. The data logger 23 was manufactured by Yokogawa Electric Corporation; the product name “WE7000” was used, and the sampling rate was 10 kHz.

基準センサ12の圧力変換器により測定した、3次元角柱模型51の側面に生じる圧力変動の時系列波形および振幅スペクトルを、図4に示す。図4(b)に示すように、3次元角柱模型51の側面に生じる圧力変動の基本成分は、周波数150Hzの正弦振動である。ただし、図4(a)に示すように、その振幅や周期、ゼロ点はゆらぎを有している。この図4(a)に示す圧力変動に、中心周波数150Hzの1オクターブバンドパスフィルタを適用した。これにより得られた150Hzの圧力変動を、図5(b)に示す。   FIG. 4 shows a time-series waveform and an amplitude spectrum of the pressure fluctuation generated on the side surface of the three-dimensional prism model 51 measured by the pressure transducer of the reference sensor 12. As shown in FIG. 4B, the basic component of the pressure fluctuation generated on the side surface of the three-dimensional prism model 51 is sinusoidal vibration with a frequency of 150 Hz. However, as shown in FIG. 4A, the amplitude, period, and zero point have fluctuations. A 1-octave bandpass filter having a center frequency of 150 Hz was applied to the pressure fluctuation shown in FIG. The pressure fluctuation of 150 Hz obtained by this is shown in FIG.

高速度カメラ22で取得した全ての画像を、式(1)を用いて、発光強度の画像から圧力の画像に変換した。図5に示すように、得られた圧力画像のそれぞれの位相を、圧力変換器のデータを用いて決定した。ここでは、まず、図5(b)に示す圧力変動の符号が負から正に変化する点を変動の開始点(位相0deg)とし、変動の1周期を決定した。ここで、各画像に含まれる位相θimageは、1周期の長さTと、直前の変動開始点からの時間差tとにより、
θimage=t/T×360 [deg] (2)
と定義できる。この式(2)を用いて、全ての画像の位相を求めた。
All images acquired by the high-speed camera 22 were converted from a light emission intensity image into a pressure image using Equation (1). As shown in FIG. 5, the respective phases of the obtained pressure images were determined using the pressure transducer data. Here, first, the point at which the sign of the pressure fluctuation shown in FIG. 5B changes from negative to positive is defined as the fluctuation starting point (phase 0 deg), and one period of fluctuation is determined. Here, the phase theta image included in each image, the length T j of one cycle, the time difference t i from variation start point of the immediately preceding,
θ image = t i / T j × 360 [deg] (2)
Can be defined. Using this equation (2), the phases of all the images were obtained.

求められた各画像の位相に基づいて、23,000枚の全ての画像を30degずつ、12の位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を加算平均して、各位相帯ごとの12の平均化画像を得た。得られた各位相帯ごとの平均化画像を、図6に示す。風の流れる方向は、各画像の左から右である。図6に示すように、3次元角柱模型51の側面に周期的に生じる圧力変動場を、はっきりと可視化できている。この圧力変動は、3次元角柱模型51の下方ほど強くなる傾向にあり、3次元角柱模型51の後縁側底部には局所的に変動の強い領域が現れていることが確認できる。   Based on the obtained phase of each image, all 23,000 images are distributed in 30 deg increments to 12 phase bands, and a plurality of images included in each phase band are added and averaged for each phase band. 12 averaged images were obtained. The obtained averaged image for each phase band is shown in FIG. The direction in which the wind flows is from the left to the right of each image. As shown in FIG. 6, the pressure fluctuation field periodically generated on the side surface of the three-dimensional prism model 51 can be clearly visualized. This pressure fluctuation tends to become stronger toward the lower side of the three-dimensional prism model 51, and it can be confirmed that a region having a strong fluctuation appears locally at the bottom of the rear edge side of the three-dimensional prism model 51.

図6の平均化画像から得られる3次元角柱模型51の中心における圧力変動(図7中の黒丸)、および、基準センサ12で得られた圧力変動を、図7に示す。図7に示すように、平均化画像を求めることにより、3次元角柱模型51の側面に生じる圧力の正弦変動が捉えられており、基準センサ12の測定結果と定量的にもよく一致していることがわかる。   FIG. 7 shows the pressure fluctuation (black circle in FIG. 7) at the center of the three-dimensional prism model 51 obtained from the averaged image of FIG. 6 and the pressure fluctuation obtained by the reference sensor 12. As shown in FIG. 7, by obtaining an averaged image, a sine fluctuation of pressure generated on the side surface of the three-dimensional prism model 51 is captured, and the measurement result of the reference sensor 12 is in good agreement with the measurement result. I understand that.

次に、3次元角柱模型51の側面の全ての位置に対して、各位置での平均化画像に基づく圧力変動のうち、150Hzの変動の振幅、および、基準センサ12の150Hzの圧力変動からの位相のずれを求めた。ここでは、まず、図6に示す平均化画像を5×5ピクセルの領域でビニングした後に、各ピクセルで式(3)の正弦波近似を行うことにより、振幅Aおよび位相のずれθ0の分布を求めた。
P/Pref=A・sin(θ+θ)+B (3)
ここで、Bはバイアス成分である。
Next, with respect to all the positions on the side surface of the three-dimensional prism model 51, among the pressure fluctuations based on the averaged image at each position, the amplitude of the fluctuation of 150 Hz and the pressure fluctuation of the reference sensor 12 from 150 Hz. The phase shift was determined. Here, first, after binning the averaged image shown in FIG. 6 in an area of 5 × 5 pixels, the distribution of the amplitude A and the phase shift θ 0 is obtained by performing the sine wave approximation of Equation (3) on each pixel. Asked.
P / P ref = A · sin (θ + θ 0 ) + B (3)
Here, B is a bias component.

得られた振幅Aおよび位相のずれθの分布を、図8に示す。図8に示すように、振幅、位相分布の可視化により、3次元角柱模型51の側面に生じる圧力変動を明瞭に捉えることができる。図8(a)に示すように、3次元角柱模型51の後縁側底部には強い変動が生じているのが確認できる。また、図8(b)に示すように、位相分布では、後縁付近に位相が15deg程度遅れる領域を確認することができる。この位相遅れ領域は、局所的に振幅が強い領域とも相関があるようにみえる。これらの構造は、3次元角柱模型51の周りの複雑な流れ場に起因すると考えられる。 The distribution of the obtained amplitude A and phase shift θ 0 is shown in FIG. As shown in FIG. 8, the pressure fluctuation generated on the side surface of the three-dimensional prism model 51 can be clearly grasped by visualizing the amplitude and phase distribution. As shown in FIG. 8A, it can be confirmed that a strong fluctuation occurs at the bottom of the rear edge side of the three-dimensional prism model 51. Further, as shown in FIG. 8B, in the phase distribution, a region where the phase is delayed by about 15 degrees can be confirmed in the vicinity of the trailing edge. This phase lag region seems to correlate with a region having a locally strong amplitude. These structures are considered to be caused by a complicated flow field around the three-dimensional prism model 51.

同様にして、3次元角柱模型51を設置した平板52の上に生じる周期的な圧力変動場の平均化画像を求め、図9に示す。風の流れる方向は、各画像の左から右である。基準センサ12は、各画像で下側となる側面に設置している。図9に示すように、負圧と正圧の対称な領域が、3次元角柱模型51の側面近傍から下流へと移動していく様子が捉えられており、平板52の上に周期的に生じる圧力変動場をはっきりと可視化できている。なお、図9に示す圧力変動場は、3次元角柱模型51の前縁から発生した渦が交互に通過することで生じていると考えることができる。   Similarly, an averaged image of the periodic pressure fluctuation field generated on the flat plate 52 on which the three-dimensional prism model 51 is installed is obtained and shown in FIG. The direction in which the wind flows is from the left to the right of each image. The reference sensor 12 is installed on the lower side surface of each image. As shown in FIG. 9, it is captured that a symmetric region of negative pressure and positive pressure moves from the vicinity of the side surface of the three-dimensional prism model 51 to the downstream, and periodically generated on the flat plate 52. The pressure fluctuation field can be clearly visualized. It can be considered that the pressure fluctuation field shown in FIG. 9 is generated by alternately passing vortices generated from the front edge of the three-dimensional prism model 51.

平板52の上の全ての位置について、図9に示す圧力変動の振幅および位相のずれを求め、図10に示す。ここでは、1対の交互渦の通過を考慮して、2倍波の成分を含めた式(4)により正弦波近似を行い、振幅および位相のずれを求めている。
P/Pref=A・sin(θ+θ)+A・sin(θ+θ)+B (4)
ここで、添え字1、2はそれぞれ基本波(f=150Hz)成分、2倍波(f=300Hz)成分を意味している。
For all the positions on the flat plate 52, the pressure fluctuation amplitude and phase shift shown in FIG. 9 are obtained and shown in FIG. Here, considering the passage of a pair of alternating vortices, the sinusoidal approximation is performed by the equation (4) including the component of the second harmonic to obtain the deviation of the amplitude and the phase.
P / P ref = A 1 · sin (θ + θ 1 ) + A 2 · sin (θ + θ 2 ) + B (4)
Here, the subscripts 1 and 2 mean a fundamental wave (f = 150 Hz) component and a double wave (f = 300 Hz) component, respectively.

図10(a)に示すように、3次元角柱模型51の側面近傍から下流にわたって圧力変動が生じていることがわかる。3次元角柱模型51の背後で、この変動は最大となっている。また、この振幅分布は、模型51の流れ方向中心軸に対し対称に現れている。一方、図10(b)に示すように、位相は中心軸で180度反転した分布をしている。これは、対称な2つの圧力変動が半周期ずれて発生することを示している。図10(c)および(d)に示すように、2倍波の成分は、交互渦の両方が通過する3次元角柱模型51の背面にのみ現れている。このように、1対の交互渦が下流へ流れていく際に誘起する圧力変動場を、明瞭に捉えることができている。   As shown in FIG. 10A, it can be seen that pressure fluctuation occurs from the vicinity of the side surface of the three-dimensional prism model 51 to the downstream side. Behind the three-dimensional prism model 51, this variation is maximum. This amplitude distribution appears symmetrically with respect to the central axis of the model 51 in the flow direction. On the other hand, as shown in FIG. 10B, the phase has a distribution that is inverted by 180 degrees on the central axis. This indicates that two symmetrical pressure fluctuations occur with a half-cycle shift. As shown in FIGS. 10C and 10D, the second harmonic component appears only on the back surface of the three-dimensional prism model 51 through which both of the alternating vortices pass. Thus, the pressure fluctuation field induced when a pair of alternating vortices flows downstream can be clearly understood.

本発明に係る変動画像解析方法および変動画像解析システムは、自動車や高速鉄道、飛行機等の輸送分野、および、ビルや橋梁等の建築分野において、縮尺モデルや実物を用いた風洞実験に使用することができる。また、コンプレッサーやプロペラ等の回転機械、送風機や空調機器等の流体機械、さらには、ゴルフボール等を対象とするスポーツ工学分野にも利用可能である。   The variation image analysis method and the variation image analysis system according to the present invention are used for wind tunnel experiments using a scale model or a real object in the transportation field of automobiles, high-speed railways, airplanes, and the construction field of buildings and bridges. Can do. The present invention can also be used in the field of sports engineering for rotating machines such as compressors and propellers, fluid machines such as blowers and air conditioners, and golf balls.

10 変動画像解析システム
11 画像取得手段
12 基準センサ
13 解析手段
21 紫外線LED
22 高速度カメラ
23 データロガー
24 解析部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fluctuating image analysis system 11 Image acquisition means 12 Reference sensor 13 Analysis means 21 Ultraviolet LED
22 High-speed camera 23 Data logger 24 Analysis unit

Claims (8)

第1物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得ステップと、
前記画像取得ステップと併行して、前記測定対象の表面または近傍での第2物理量を経時的に測定する基準データ取得ステップと、
前記基準データ取得ステップで測定された前記第2物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出する変動抽出ステップと、
前記画像取得ステップで各画像を取得した時刻に基づいて、前記変動抽出ステップで抽出された前記第2物理量の変動周期における各画像の位相を求める位相決定ステップとを有することを、
特徴とする変動画像解析方法。
An image acquisition step of continuously acquiring an image of a measurement object whose intensity of light emission on the surface changes due to a change in the first physical quantity;
In parallel with the image acquisition step, a reference data acquisition step of measuring the second physical quantity at or near the surface of the measurement object over time;
A fluctuation extracting step of extracting a fluctuation of the second physical quantity having a predetermined frequency based on a time change of the second physical quantity measured in the reference data acquisition step;
A phase determination step for obtaining a phase of each image in a variation period of the second physical quantity extracted in the variation extraction step based on a time at which each image is acquired in the image acquisition step.
Characteristic variation image analysis method.
1周期を複数の位相帯に分割し、前記位相決定ステップで求められた各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得る画像平均処理ステップを有することを、特徴とする請求項1記載の変動画像解析方法。   One period is divided into a plurality of phase bands, each image is allocated to each phase band based on the phase of each image obtained in the phase determination step, and a plurality of images included in each phase band are averaged. The variation image analysis method according to claim 1, further comprising an image averaging process step of obtaining an averaged image for each phase band. 前記第1物理量は圧力から成り、
前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、
前記第2物理量は圧力、音、流速、力または変位から成り、
前記変動抽出ステップは、前記第2物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第2物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出することを、
特徴とする請求項1または2記載の変動画像解析方法。
The first physical quantity comprises pressure,
The measurement object is formed by applying a pressure-sensitive paint on the surface,
The second physical quantity comprises pressure, sound, flow velocity, force or displacement,
In the fluctuation extracting step, the second physical quantity is applied with a bandpass filter having the predetermined frequency as a center frequency, or the second physical quantity is time-differentiated to obtain the first physical quantity having the predetermined frequency. 2 Extracting fluctuations in physical quantities
The variation image analysis method according to claim 1 or 2, characterized in that:
前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記画像平均処理ステップで得られた平均化画像に基づく前記第1物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記変動抽出ステップで抽出された前記第2物理量の変動からの位相のずれを求める位置変動決定ステップを有することを、特徴とする請求項2記載の変動画像解析方法。   Of the variation of the first physical quantity based on the averaged image obtained in the image averaging processing step at that position for an arbitrary position of the measurement object, the amplitude of the variation at the predetermined frequency, and 3. The variation image analysis method according to claim 2, further comprising a position variation determination step for obtaining a phase shift from the variation of the second physical quantity extracted in the variation extraction step. 第1物理量の変化によって表面の発光の強さが変化する測定対象の画像を経時的に連続して取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段による画像の取得と併行して、前記測定対象の表面または近傍での第2物理量を経時的に測定する基準センサと、
前記基準センサで測定された前記第2物理量の時間変化に基づいて、所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出し、前記画像取得手段で各画像を取得した時刻に基づいて、各画像の、前記第2物理量の変動周期における位相を求める解析手段とを有することを、
特徴とする変動画像解析システム。
Image acquisition means for continuously acquiring, over time, images of a measurement object in which the intensity of light emission on the surface changes due to a change in the first physical quantity;
In parallel with the image acquisition by the image acquisition means, a reference sensor that measures the second physical quantity at or near the surface of the measurement object over time,
Based on the time variation of the second physical quantity measured by the reference sensor, the variation of the second physical quantity having a predetermined frequency is extracted, and each image is obtained based on the time when each image is obtained by the image obtaining means. Having an analysis means for obtaining a phase in a fluctuation period of the second physical quantity,
Characteristic variation image analysis system.
前記解析手段は、1周期を複数の位相帯に分割し、各画像の位相に基づいて各画像を各位相帯に配分し、各位相帯に含まれる複数の画像を平均化して各位相帯ごとの平均化画像を得ることを、特徴とする請求項5記載の変動画像解析システム。   The analysis unit divides one cycle into a plurality of phase bands, distributes the images to the phase bands based on the phase of each image, averages the plurality of images included in each phase band, and The fluctuation image analysis system according to claim 5, wherein an averaged image is obtained. 前記第1物理量は圧力から成り、
前記測定対象は表面に感圧塗料を塗って形成されており、
前記基準センサは、圧力センサ、マイクロフォン、流速センサ、力センサまたは変位センサから成り、
前記解析手段は、前記第2物理量に対して前記所定の周波数を中心周波数とするバンドパスフィルタを適用して、または、前記第2物理量を時間微分して、前記所定の周波数を有する前記第2物理量の変動を抽出することを、
特徴とする請求項5または6記載の変動画像解析システム。
The first physical quantity comprises pressure,
The measurement object is formed by applying a pressure-sensitive paint on the surface,
The reference sensor comprises a pressure sensor, a microphone, a flow rate sensor, a force sensor or a displacement sensor,
The analysis means applies the bandpass filter having the predetermined frequency as a center frequency to the second physical quantity, or time-differentiates the second physical quantity to have the second frequency having the predetermined frequency. Extracting the fluctuations in physical quantities,
The fluctuation image analysis system according to claim 5 or 6, characterized in that
前記解析手段は、前記測定対象の任意の位置に対して、その位置での前記平均化画像に基づく前記第1物理量の変動のうち、前記所定の周波数での変動の振幅、および、前記第2物理量の変動からの位相のずれを求めることを、特徴とする請求項6記載の変動画像解析システム。
The analysis means, for an arbitrary position of the measurement object, among the fluctuations of the first physical quantity based on the averaged image at the position, the amplitude of the fluctuation at the predetermined frequency, and the second The fluctuation image analysis system according to claim 6, wherein a phase shift from a change in physical quantity is obtained.
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