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水中衝撃波の挙動のBOS解析-株式会社ノビテック

水中衝撃波の挙動のBOS解析

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水中衝撃波の挙動のBOS解析

水中衝撃波の挙動のBOS解析

  

水中衝撃波の挙動のBOS(Background Oriented Schlieren)解析事例です。超高速度カメラKiranaでフレームレート500万fpsにて924x768の高解像度で撮影することで、解析精度が高まりました。また照明は可視化用レーザ照明Caviluxを用いて、パルス幅20nsで照射することでブレなく現象を捉えられ、解析可能となりました。

Kirana CaviluxSmart

衝撃波とは、音速以上の速さで伝わる強烈な圧力変化の波です。爆発による圧縮波や、航空機が音速を超える際に発生する弾頭波等です。特に水中の衝撃波は非常に速く、1500m/sにも及びます。速度が速いだけでなく、圧力変化の波のため、可視化のためにシュリーレン光学系等が必要です。今回はBOS法を用いて可視化に成功しました。BOS法で撮影した画像に、画像相関法を用いることで衝撃波挙動を解析します。画像相関法(Digital Image Correlation)は,物体表面(背景画像)に描かれた変形前後のランダムパターン画像を比較し,物体表面の移動量・変位を調べる手法です。

画像相関法を用いる際に重要なのは、カメラの解像度です。高解像度の方が解析精度は高くなるためです。本撮影では、超高速度カメラKiranaで500万fpsという撮影速度において、924x768の高解像度での撮影に成功しました。ただ、Kiranaの露光時間200nsでは、衝撃波がブレてしまうため、可視化用レーザ照明caviluxを用いて、1パルス20nsで照射しました。それにより鮮明な画像が取得でき、衝撃波の挙動解析に成功しました。

BOS法とは

BOS(Background Oriented Schlieren=背景指向シュリーレン)法は、カメラで背景画像を撮影し 被写体による光学的な歪み(密度勾配)を検出することにより、衝撃波や流れ場を可視化する手法です。必要機材はハイスピードカメラと光源、背景画像と、比較的シンプルでリーズナブルに行えます。撮影画像を画像相関法にて解析することで、衝撃波の挙動を捉えることに成功しました。

使用機材

超高速度ビデオカメラKirana

Kirana

撮影条件

・撮影速度:500万コマ/秒
・画素数: 924×768ピクセル
・露光時間:200n秒

可視化用レーザー照明CAVILUX Smart

レーザー照明Cavilux

撮影条件

・出力:400W
・波長:640nm
・パルス幅:20n秒

結果説明

 

撮影協力:東京農工大 亀田・田川研究室様

水中衝撃波をKiranaでBOS(Background Oriented Schlieren)撮影しました。BOSでの解析には画像相関法を用いるので、カメラ性能には高い解像度が必要になります。Kiranaの924×768ピクセルの高解像度により、500万コマ/秒の超高速撮影でもBOS解析が可能になりました。照明は可視化用レーザ照明CAVILUXを背光で当てています。レーザの20ns短パルスにより、超高速の衝撃波面の動きブレずにきっちり捉えることができています。

ノビテックでは爆発現象の可視化に適したハイスピードカメラのラインナップ各種を取り揃えております。各種デモやオンラインでのご相談も承っておりますので、こちらよりお気軽にご相談ください。

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