课题成员：周小圆、蔡博文、张水森 指导老师：苏卫锋

Problem No. 8 “Visualising density”

Schlieren Photography is often used to visualise density variations in a gas. Build a Schlieren setup and investigate how well it can resolve density differences.

实验思路.docx

分光镜成像系统组成：
平行光源：由2倍焦距上的点光源发出
聚焦元件：透镜
光学停止：放置在聚焦原件焦点上的剃刀实现
相机：挡板后面，配有合适的镜头

刀片用于阻挡那些不与声场相互作用的光线进入镜头，对于那些因密度梯度而使得光路改变的光线，可以绕过刀片到达镜头，产生点状图样；不均匀导致光线被折射后难以精确地经过焦点，而是有所偏差。焦点在刀片边缘时，则能够确保因密度不均而发生折射的光线只有一个方向的能够到达镜头，而另一个方向的则无法。刀片边缘应截取清晰图像的3/4，这样才能观察到气流的流动。

光源应越小越好！
凹面镜焦距越长越好。且镜子必须是像望远镜一样是光学级的。
底座应确保尽量平稳不会产生较大变形和振动。
效果图：左边是热水杯；右边是冷水杯。

第二套装置：

参见http://www.instructables.com/id/DIY-Schlieren-Flow-Visualization/

内容：
将装置搭建起来，并尝试用DV机找到实验现象，但是效果不理想。

问题：
可能的原因:
1.光源还不是点光源。
2.凹透镜焦距还是太小，光线没有机会散开。
3.相机的操作有问题，亮度调得还不够低。

内容：
初步用现有的装置（f=12cm的凹面镜、0.75W的白色LED灯珠、3V纽扣电池）做出了初步的现象。
确认了装置搭建的可行性。

结果：

问题：
1.调试相机和凹面镜得出现象的过程较为繁琐。
2.凹面镜聚焦点不够小。
3.成像条纹的明暗对比不够明显。

分析：
可能影响成像对比度的三个参数：
1.密度梯度的大小。通过影响光线的折射程度控制进入镜头光的多少。密度梯度越大，光线折射越强，偏离聚焦点越多，被刀片挡掉的光越多，对比度越高。
2.密度梯度与刀片的距离。距离越大，折射光偏离聚焦点的距离被放大，对比度越大。
3.光线聚焦点的面积。聚焦点面积越大，发生偏折的光线越不容易被挡住，对比度越小。
4.透镜的焦距。焦距越大，光线偏折的更多，对比度越大。

下一步计划：
1.准备焦距更大的凹面镜重复实验。
2.尝试第二套装备的可行性。
3.考虑使用视频截图分析明暗对比度。

内容： 1、使用第二套装置（即一组凸透镜），探究光源（LED光源和卤素光源），热源（蜡烛和酒精灯），热源位置（位于远离相机的透镜和靠近相机的透镜），拍照设备（手机和相机），透镜组焦距（20cm和50cm）。
2、使用第一组装置（凹面镜）。

结果: 1、卤素光源太亮，导致成像视野全亮，观察不到现象；LED光源（0.5w）成像可以较理想，观察到较清晰的预期的明暗条纹。说明：光源亮度需适宜，太亮无法观察成像，太暗无法成可观察到的像
2、酒精灯火焰不稳定，不停跳动，不利于观察；蜡烛火焰稳定，成像利于观察。说明：蜡烛火焰温度在周围气体产生的密度梯度已满足实验要求。
3、位于远离相机的透镜和靠近相机的透镜对成像差别不大。说明：由于只取了两点，更细致的研究仍需给出。
4、手机比相机成像效果好。说明：以后用手机比较好。
5、20cm焦距透镜成像模糊，条纹不清晰，再火焰剧烈抖动时成像才较清晰；50cm焦距透镜成像理想，可观察到清晰的明暗条纹。说明：焦距对成像效果影响大，且长焦距效果更好。
6、第一套装置效果与第一次实验无较大进步。
图片：

问题 1、成像背景色会改变，不利于后面分析明暗程度。要分析不同照片的明暗程度，应该使背景色相近。
2、第一套装置效果不理想，对比第二套装置，可能是焦距太小。但现在不能拿到长焦距的凹面镜。
3、热源位置对成像影响不大，与预期判断不符。
4、第二套装置可以直接将聚焦光线投射到像屏上而不必需要手机。
计划 1、用第二套装置探究热源位置，像距对成像影响。
2、尝试对成像照片量化垂直条纹的一条线段上的明暗程度分布，并确定一个合适的计算方法评估成像效果。
3、继续尝试能否在不换凹面镜的情况下提高成像效果。

（待充实）

（待充实）

（待充实）

华师方面可以做到用烧红的铁棒在气体中写字，你们现在做到哪一步啦？ — 栗子 2017/06/10 16:20