JP2879358B2 - 流れ場の流動粒子の観測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は例えば空調用ダクト内における空気の流れを
観測する装置、詳しくは流れ場の所要の平面内における
流動粒子の微少な時間間隔での位置変化を捕えたスペッ
クル写真を得るための、流れ場の流動粒子観測装置に関
するものである。

［従来の技術］ 微少な時間間隔で流動粒子の散乱光を多重露光させた
スペックル写真で、流動粒子の位置変化（移動量）が僅
かなものであれば、スペックル写真からヤング縞法によ
り所定平面上の所定時間内の流動粒子の移動方向と移動
量が求まり、これにより例えば空調用ダクト内部におけ
る平面的な気流の状態（流れ場の流速分布）を解明でき
る。 なお、ヤング縞法とは微少な間隔を存して並ぶ２
つの通孔を通過した単波長の光をスクリーンに投影する
と、スクリーンに数条の干渉縞が現れるので、干渉縞の
並び方向と相互間隔から、通孔の並び方向と間隔が求ま
るという原理に基づく。

従来のスペックル写真を得る流れ場の流動粒子観測装
置は、単一のレーザ光を回転多面鏡の周面に形成した正
多角形の反射面に発射し、回転多面鏡の回転に伴う第１
の反射面からの反射光により流れ場の所要の平面を走査
し、流体に混合した流動粒子（粒径数μｍ）からの散乱
光を流れ場の平面と平行な感光面に露光させ、続く第２
の反射面からの反射光により同じ平面を走査し、流動粒
子からの散乱光を同じ感光面に露光させ、以下同様の走
査を繰り返して多重露光スペックル写真を得ている。

上述の流れ場の流動粒子観測装置では、回転多面鏡の
反射面の数をｎ、回転多面鏡の回転数をＮ（rpm）とす
ると、露光時間間隔ｔは ｔ＝60/Nn（sec） であり、スペックル写真上の同一流動粒子の間隔をｓ
（ｍ）、写真の縮小率を1/rとすると、流動粒子の速さ
ｖは、ｖ＝60rs/Nn（m/sec）で表される。

上述の流れ場の流動粒子観測装置では、測定可能な流
速の上限が反射光の走査周期ないし走査速度で決まる。
観測可能な流速の上限を上げるために、反射光の走査周
期を短縮すると、流動粒子に対する照明時間（反射光が
流動粒子を照射する時間で、反射光のビーム径と走査速
度で決まる）が短くなり、散乱光の強度が弱くなり、良
好なスペックル写真が得られなくなる。

特開昭63−85326公報に開示される流れ場の観測装置
は、同公報の符号を引用して説明すれば、注入管25から
流動粒子を入口21へ吹き出すとともに、風洞20の入口21
から流体Ｅを風洞20の内部へ送り、風洞20の内部の車両
模型Ｒの周囲の流れ場を観測するものである。風洞20を
通過した流体Ｅは出口23から外部へ排出される。風洞20
の両側の台34,33に１対の回転多面鏡（ポリゴンミラ
ー）27,26を配設するとともに、ねじ軸40の回転により
回転多面鏡27の台34を柱37、38に沿つて昇降させ、同様
にねじ軸39の回転により回転多面鏡26の台33を柱35,36
に沿つて昇降させる。一方、レーザ発振器28からのレー
ザ光Ｗをハーフミラー29によりレーザ光W1とレーザ光W2
に分光し、レーザ光W1を鏡30を経て回転多面鏡26へ照射
し、レーザ光W2を鏡31、32を経て回転多面鏡27へ照射す
る。

各回転多面鏡26、27は同レベル（高さ）で両側から風
洞20へ平面（シート状）状に照射されるので、その平面
での流動粒子の流れが上方のテレビカメラ42により撮像
され、この撮像信号は画像処理部45で処理され、解析演
算部46からデーターメモリ48へ記録される。次いで、パ
ルスモータ41によりねじ軸39,40を同期回転し、回転多
面鏡26、27を所定の高さだけ上昇させる。以下同様にし
て所定間隔（高さ）ごとの平面での流動粒子の流れがカ
メラ42により撮像され、各平面上のデータがメモリ44へ
順次記憶され、さらに画像処理部45、解析演算部46を経
てメモリ48へ記録される。メモリ48のデータに基づき車
両模型Ｒの構造解析などがなされる。上述した流れ場の
観測装置は、単一のレーザ光では車両模型Ｒに遮られ
て、車両模型Ｒの周囲の流体の流れを観察できないの
で、位置の異なる２つの回転多面鏡からのレーザ光によ
り同一平面を走査するものにすぎない。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、照明時間を短くしないで、より短い
時間間隔のスペックル写真が得られる、流れ場の流動粒
子観測装置を提供することにある。

［問題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の構成は流れ場の
所要の平面に対し垂直な軸の周りに回転する回転多面鏡
と、回転多面鏡の周面に備えた反射面のほぼ同一点へ向
けて、前記平面内で互いに微少な交差角を有する複数の
レーザ光を連続して発射するレーザ発振器と、回転多面
鏡の回転に伴つて前記平面を走査する回転多面鏡からの
反射光により照射された流動粒子の散乱光に感光する前
記平面と平行な感光面を有する写真撮影機とを備えたこ
とを特徴とする。

［作用］ 微少な交差角をもつ複数のレーザ光を回転多面鏡の反
射面のほぼ同一点に発射して、僅かな時間的ずれをもつ
複数の反射光で流れ場の観測面内を走査する。反射光が
流動粒子を照射する時間間隔は、レーザ光の交差角によ
り調整されるので、走査速度に影響されない、より微少
な時間間隔で、流動粒子の位置変化を捕えた、高速流れ
場のスペックル写真が得られる。

［発明の実施例］ 第１図は空調用ダクト内の気流のスペックル写真を得
る本発明の実施例を示す平面図、第２図は同側面断面図
である。透明な材料から形成した好ましくは断面長方形
の空調用ダクト９の気流は、左右に分岐された断面長方
形の空調用ダクト9a,9bへ分れる。流体としての空気
に、光散乱を起す流動粒子として適量の例えばベビーパ
ウダが混合される。12はその流動粒子を示す。代表的な
流動粒子12a,12b,12cは所定時間経過後に×印で示す位
置へ移動する。実際には、流動粒子12の移動量はヤング
縞法により求めるものであるから、数10μｍ程度のもの
であり、例えば気流の流速が5m/secの場合には、流動粒
子12を照射する時間間隔は数10μsecとなる。

流れ場の所要の平面（図示の実施例では紙面と同じ）
に対し垂直な軸８に、矢印方向へ回転する回転多面鏡７
が、流れ場に隣接して配設される。回転多面鏡７の周面
は正多角形とされ、６〜16個程度の反射面10a,10b,…が
備えられる。反射面10の数は多いほどよいが、多くする
と反射光の走査範囲（走査角α）が狭くなる。

回転多面鏡７の反射面10のほぼ同一点へ２つのレーザ
光5,6を発射するために、公知の例えばアルゴンレーザ
などの連続レーザ発振器２が流れ場に隣接して配設され
る。レーザ発振器２から発射されたレーザ光３はシヤツ
タ2aを経て光分割器（スプリツタ）４のハーフミラー4a
を透過し、1/2量のレーザ光５となつて反射面10aへ発射
され、残る1/2量のレーザ光はハーフミラー4aで屈折し
て反射鏡4bに当り、レーザ光６となつて反射面10aの同
一点へ発射される。したがつて、回転多面鏡７の反射面
の同一点へ、交差角θを有する２つのレーザ光5,6が照
射される。交差角θは反射鏡4bの位置と向きにより調整
される。

回転多面鏡７の反射面10aへ照射されたレーザ光5,6
は、反射光15,16として流れ場の透明な空調用ダクト9a,
9,9bへ照射され、回転多面鏡７の矢印方向の回転に伴つ
て、流れ場の所要の平面（観測面）を線15a,16a、線15
b,16bで示すように走査する。

第２図に示すように、反射光15,16を受けて観測面の
流動粒子12が反射する散乱光25,26は、空調ダクト9,9a,
9bの上側へ配設した写真撮影機18の感光面18aに多重露
光される。写真撮影機18は普通の写真機であつて、感光
フイルムは流れ場の観測面と平行に配置される。

次に、本発明による流れ場の流動粒子観測装置の作動
について説明する。回転多面鏡７が矢印方向へ回転され
る時、各反射面10a,10b,…ヘレーザ光5,6が照射される
間だけ（反射面が変るごとに）シヤツタ2aが開く。反射
面10aで反射した反射光15,16は、回転多面鏡７の回転に
伴つて線15a,16a、線15b,16bで表す向きへ連続的に変化
し、この間に反射光15が気流の流動粒子12に当ると、流
動粒子12の散乱光25が写真撮影機18の感光面18aに露光
される。

反射面10aの回転に伴い、反射光15,16による流れ場の
平面が走査されると、空調用ダクト内部の各流動粒子12
の反射光15による散乱光25と反射光16による散乱光26と
が感光面18aに露光され、各流動粒子12が二重写しに感
光面18aに写る。

反射光15,16の走査角（厳密にはレーザ光5,6が反射面
10aに当り始めてから次の反射面10bへ当るまでの反射光
15,16の向きの変化）をα、レーザ光5,6の交差角をθ、
回転多面鏡７の反射面10の数をｎ、回転多面鏡７の回転
数をＮ（rpm）とすると、反射光15,16が各流動粒子12を
照射する時間間隔（時間差）ｔは次式で表される。

ｔ＝60θ/2πNn（sec） で表され、従来の装置よりも時間間隔がθ/2πに短縮さ
れ、それだけ高速の流動粒子12の位置変化を観測でき、
結果としてより高速の気流の流れの状態を解明できる。

なお、上述の実施例は、微少な時間間隔の２時点での
流動粒子の位置変化を捕えたスペックル写真を得るもの
であるが、それぞれの交差角がθである３つまたは多数
のレーザ光を用いれば、多時点での流動粒子の位置変化
を捕えたスペックル写真が得られる。

本発明によると、反射面が１つだけの単面回転多面鏡
により、微少な時間間隔での流動粒子の位置変化を捕え
たスペックル写真が得られるから、高価が回転多面鏡を
必要とせず、従来よりも速い気流に適用可能な流動粒子
観測装置が安価に得られる。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、流れ場の所要の平面に対し垂
直な軸の周りに回転する回転多面鏡と、回転多面鏡の周
面に備えた反射面のほぼ同一点へ向けて、前記平面内で
互いに微少な交差角を有する複数のレーザ光を連続して
発射するレーザ発振器と、回転多面鏡の回転に伴つて前
記平面を走査する回転多面鏡からの反射光により照射さ
れた流動粒子の散乱光に感光する前記平面と平行な感光
面を有する写真撮影機とを備えるから、複数のレーザ光
を回転多面鏡の１つの反射面に照射するだけで、従来の
回転多面鏡を用いた流動粒子観測装置に比べて走査周期
が短くなり、流動粒子を照射する時間は同じであるから
散乱光の強度が低下しない。したがつて、より高速の気
流に対応し得る良好なスペックル写真が得られ、高速流
れ場の平面的流速分布を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流れ場の流動粒子観測装置の概略
構成を示す平面図、第２図は同側面図である。 2:レーザ発振器、4:光分割器、7:回転多面鏡、10a:反射
面、9,9a,9b:空調用ダクト、12:流動粒子、18:写真撮影
機、18a:感光面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01P 13/00 G01P 5/20 G01N 15/00 - 15/14

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流れ場の所要の平面に対し垂直な軸の周り
   に回転する回転多面鏡と、回転多面鏡の周面に備えた反
   射面のほぼ同一点へ向けて、前記平面内で互いに微少な
   交差角を有する複数のレーザ光を連続して発射するレー
   ザ発振器と、回転多面鏡の回転に伴つて前記平面を走査
   する回転多面鏡からの反射光により照射された流動粒子
   の散乱光に感光する前記平面と平行な感光面を有する写
   真撮影機とを備えたことを特徴とする、流れ場の流動粒
   子観測装置。