СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF THE MOVING OBJECT CHARACTERISTICS DETERMINING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике оптической регистрации, а именно, к технике лазерного зондирования и фотоэлектрической регистрации обратно отраженного излучения, преимущественно быстропротекающих процессов, и позволяет определять массовые характеристики (удельную массу и объемную плотность) движущихся объектов.
Массовые характеристики определяются путем измерения скорости движения контактного экрана, ускоряющегося в процессе оседания на него исследуемого движущегося объекта, по величине доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, обратно отраженного от контактного экрана и регистрируемого с помощью фотодиода и осциллографа. Вычисление характеристик движущихся объектов происходит с помощью доплеровских методов определения скорости движения, включая аппаратно-программные комплексы (АПК) VIZAR (А.П. Кузнецов, С.А. Колесников, А.А. Голубев и др., «Лазерный интерферометр для измерения массовой скорости веществ в ударно-волновых экспериментах на протонографической установке ТВН-ИТЭФ» // ж. «Приборы и техника эксперимента» // 2011, №3, с. 116-125.) и PDV (оптогетеродинное определение скорости движущихся объектов) (О.Т. Strand, D.R. Goosman, С. Martinez, T.L. Whitworth, W.W. Kuhlow, «Compact System for High Speed Velocimetry Using Heterodyne Techniques)) // Rev. Sci. Instr. 77, 083108, 2006), с использованием второго закона Ньютона для тела переменной массы и закона сохранения импульса, применяемым к контактному экрану и движущемуся объекту до и после их взаимодействия. Исследуемыми движущимися объектами могут быть: облако летящей пыли, слой откола и его фрагменты, пуля, осколки взрыва, ударная волна в газе и др.
2
Известны способ и устройство определения массовых характеристик движущихся объектов с помощью пьезодатчиков (А.Л. Михайлов, В.А. Огородников, B.C. Сасик и др. (всего 29 соавторов), «Экспериментальное исследование процесса выброса частиц с ударно-нагруженной поверхности» / Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. // Сборник докладов на международной конференции «XV Харитоновские, тематические, научные чтения // с. 564-571, Саров 2013 г.), в которых механические усилия, образующиеся при ударе микрочастиц облака пыли с контактной поверхностью датчика, установленного на пути движения облака, вследствие пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрический сигнал, регистрируются осциллографом, и с помощью программы численной обработки зарегистрированных сигналов определяются: объемная плотность потока частиц, налетающего на торец пьезодатчика; удельная масса потока частиц, налетающего на единицу поверхности датчика; суммарный импульс налетающего потока частиц, скорость потока частиц. В качестве контактной поверхности применялся латунный экран, под которым располагалась пластина из пьезокерамики. Чувствительная зона датчика имела диаметр 5 мм и площадь ~ 0,2 см. Для измерения массовых характеристик облака движущихся микрочастиц выполнялась предварительная калибровка датчиков. импульсами давления, имевшими амплитудно-временные параметры, близкие к измеряемым пылевым потокам. Относительная погрешность определения удельной массы движущегося облака пыли составила ±30%.
Недостатком данного способа и устройства являются: наличие электрического напряжения в датчике, что ограничивает его применение в опасных условиях и требует организации определенных мер безопасности; недостаточная точность пространственного разрешения, связанная с большими габаритами датчика; ограничение возможности многоканальной регистрации, связанное с большим размером датчика и сложным техническим оснащением каждого канала; большая погрешность измерений и необходимость предварительной калибровки на специально оснащенном стенде.
Наиболее близкими к заявляемым являются способ и устройство определения характеристик движущегося объекта («Ejection of material from shocked surfaces», J.R. Asay, L.P. Mix, F.C. Perry // Applied Physics Letters, Vol. 29, No. 5, 1 September 1976, p. 284-287), в котором на пути движущегося облака микрочастиц, выброшенного с тыльной поверхности ударно нагруженной пластины, на определенном расстоянии от тыльной поверхности устанавливают непрозрачный контактный экран известной удельной массы, на тыльную сторону которого (с помощью оптического коллиматора) непрерывно во времени направляют лазерное излучение и непрерывно во времени регистрируют обратно отраженную от контактного экрана часть лазерного излучения, по величине доплеровского сдвига частоты с помощью АПК VIZAR непрерывно во времени определяют скорость движения контактного экрана, возникающую под действием осаждающегося на нем облака микрочастиц, по известной во времени скорости движения контактного экрана определяют момент начала его движения, соответствующий моменту прилета облака микрочастиц к контактному экрану, и, деля известное расстояние между ударно нагруженной пластиной и контактным экраном на время движения облака микрочастиц в этом пространственном промежутке, определяют среднюю скорость облака микрочастиц, движущегося на контактный экран, и далее с помощью известных зависимостей скорости и массы (по второму закону Ньютона для тела с переменной массой и закону сохранения импульса), примененных к контактному экрану и движущемуся облаку микрочастиц до и после их взаимодействия, непрерывно во времени определяют усредненную по площади экрана объемную плотность исследуемого объекта в момент взаимодействия с контактным экраном, а также удельную массу исследуемого объекта, осевшего на единице площади контактного экрана.
Положительным качеством данного способа, относительно аналога, является отсутствие предварительной калибровки на специальном стенде, моделирующим характеристики исследуемого облака пыли, и отсутствие в датчике электрического напряжения, ограничивающего возможность безопасного использования.
Недостатком данного способа и устройства являются: приближенное определение значения скорости объекта, налетающего на контактный экран, которое вычисляется как среднее значение на пути движения от ударно нагруженной пластины до контактного экрана, и, как следствие этого, в результате измерений получается приблизительная оценка усредненной по площади экрана плотности исследуемого объекта в момент взаимодействия с контактным экраном, а также удельной массы исследуемого объекта, осевшего на единице площади контактного экрана.
Известно, что при движении в атмосфере или каком-либо другом газе облако микрочастиц испытывает гидродинамическое торможение. При этом, чем более мелкие частицы присутствуют в облаке пыли, тем более сильное торможение они испытывают, и тем более значительно среднее значение скорости движения микрочастиц на каком-либо отрезке движения будет отличаться от мгновенной скорости в конце пути.
Кроме того, если облако микрочастиц состоит из жидких капель, то при движении в воздухе или каком-либо другом газе крупные капли могут дробиться на существенно более мелкие, что может происходить в любой части своего пути, включая и конечный отрезок, и мгновенная скорость движения вновь образованных более мелких капель в конце пути будет существенно меньше среднего значения скорости движения капель, определяемого на всем пути.
Задачей изобретения является создание способа и устройства определения характеристик движущихся объектов с более высокой достоверностью характеристик движущихся объектов, получаемых в результате измерений.
Технический результат заявляемого способа и устройства заключается в повышении достоверности результатов измерений путем замены в вычислениях средней скорости движения исследуемого объекта, налетающего на контактный экран, определяемую косвенным способом по времени его движения на заранее определенном расстоянии, на мгновенную скорость его движения, экспериментально определяемую по доплеровскому сдвигу частоты в зондирующем лазерном излучении перед моментом взаимодействия с контактным экраном и, как следствие этого, увеличение достоверности определения характеристик исследуемого объекта.
Технический результат достигается тем, что в предполагаемом способе определения характеристик движущихся объектов, включающем неупругое взаимодействие исследуемого объекта с лицевой стороной установленного на пути его движения контактного экрана известной удельной массы, непрерывное во времени облучение тыльной стороны контактного экрана лазерным излучением, регистрацию части лазерного излучения, обратно отраженной от тыльной стороны контактного экрана, непрерывное во времени определение скорости его движения по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, отличающийся тем, что часть лазерного излучения пропускают через контактный экран на движущийся исследуемый объект, дополнительно регистрируют часть лазерного излучения, обратно отраженного от исследуемого объекта, определяют мгновенную скорость движения исследуемого объекта по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении с помощью известных взаимозависимостей скорости и массы, примененных к контактному экрану и исследуемому объекту до и после их взаимодействия, с использованием значения экспериментально определенной мгновенной скорости движения исследуемого объекта, определяют непрерывно во времени усредненную по площади экрана объемную плотность исследуемого объекта в момент взаимодействия с контактным экраном, а также удельную массу исследуемого объекта, осевшего на единице площади контактного экрана.
Технический результат достигается также тем, что в заявляемом устройстве для определения характеристик движущегося объекта, включающем в себя по меньшей мере один источник лазерного излучения и последовательно расположенные по ходу распространения лазерного излучения по меньшей мере один коллиматор, контактный экран известной массы и исследуемый объект, причем контактный экран установлен с возможностью перемещения его в сторону коллиматора из-за взаимодействия с налетающим на него исследуемым объектом, а также по меньшей мере один аппаратно-программный комплекс определения скорости движущегося объекта по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, новым является то, что контактный экран выполнен из прозрачного материала, пропускающего через себя часть лазерного излучения в прямом и обратно отраженном от исследуемого объекта направлениях, аппаратно-программный комплекс выполнен на основе оптогетеродинного определения скорости движущегося объекта по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, удельная масса контактного экрана выбрана в диапазоне 1÷100 раз больше удельной массы исследуемого объекта, а расстояние между коллиматором и контактным экраном выбрано больше или равно длине продольного размера исследуемого объекта.
Кроме того, контактный экран выполнен из однородного материала, оптически прозрачного для лазерного излучения.
Толщина контактного экрана выбрана из условия, что время пробега акустической волны по его толщине от 10 до 100 раз меньше времени оседания исследуемого объекта на контактном экране.
Контактный экран выполнен из перфорированного материала, например, решетки или сетки.
К имеющемуся перфорированному контактному экрану добавлен по меньшей мере один перфорированный контактный экран, установленный по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и имеющимся перфорированным контактным экраном.
Дополнительно по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и добавочным по меньшей мере одним перфорированным контактным экраном установлен контактный экран, выполненный из однородного материала.
Контактный экран разделен на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами.
Контактный экран разделен на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, расположенные на цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом цилиндрической формы, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактного экрана по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров.
Контактный экран выполнен перфорированным и дополнен по меньшей мере еще одним перфорированным контактным экраном с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы, расположенными на цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом, и установленным по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и имеющимся перфорированным контактным экраном, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактных экранов по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров.
Дополнительно по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и дополнительным по меньшей мере одним перфорированным контактным экраном, установлен контактный экран, выполненный из однородного материала с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы и расположенными на цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом.
Контактный экран разделен на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, расположенные на сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом сферической формы, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактного экрана по радиальным направлениям сферической поверхности.
Контактный экран выполнен перфорированным и дополнен по меньшей мере еще одним перфорированным контактным экраном с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы, расположенными на сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактных экранов по радиальным направлениям сфер.
Дополнительно по ходу движения исследуемого объекта установлен контактный экран, выполненный из однородного материала с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы и расположенными на сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом.
Использование эффекта частичного пропускания лазерного излучения через контактный экран на исследуемый движущийся объект по сравнению с глухим обратным отражением от контактного экрана, использованном в прототипе, позволяет увеличить достоверность получаемых результатов, так как при вычислении характеристик исследуемого объекта с использованием второго закона Ньютона для тела переменной массы и закона сохранения импульса вместо приблизительного значения скорости движущегося объекта, равного среднему значению скорости движения на заранее измеренном расстоянии до взаимодействия с контактным экраном, применяется более точное экспериментально определенное мгновенное значение скорости движущегося объекта, полученное с помощью лазерного излучения, пропущенного через контактный экран, непосредственно в момент перед взаимодействием с контактным экраном.
Использование в вычислениях массовых характеристик исследуемого объекта мгновенной скорости его движения, экспериментально определенной непосредственно перед моментом взаимодействия с контактным экраном, по сравнению со средней скоростью движения исследуемого объекта, определенной в прототипе, на заранее измеренном отрезке движения, позволяет увеличить достоверность определяемых значений массовых характеристик движущегося объекта, из-за меньшей величины погрешности одного из параметров, участвующих в вычислениях, а именно, скорости движения исследуемого объекта до взаимодействия с контактным экраном.
Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта АПК PDV, по сравнению с АПК VIZAR, примененным в прототипе, позволяет увеличить достоверность значений массовых характеристик, получаемых в результате измерений, в виду того, что АПК PDV способен одновременно определять скорости движения нескольких объектов по частотам доплеровского сдвига в обратно отраженном лазерном излучении, и, конкретно, в нашем случае, одновременно экспериментально определять скорость движения исследуемого объекта перед взаимодействием с контактным экраном и скорость движения контактного экрана в результате оседания на нем движущегося объекта, в отличие от прототипа, где АПК VIZAR, способный определять скорость движения лишь одного объекта, был задействован для определения скорости движения контактного экрана при взаимодействии с исследуемым объектом, а скорость движения исследуемого объекта до взаимодействия с контактным экраном, вынужденно определялась расчетным путем, как среднее значение скорости движения с большей величиной погрешности.
Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана, толщина которого выбрана из условия, что время пробега акустической волны по его толщине от 10 до 100 раз меньше времени оседания исследуемого объекта на контактном экране, позволяет увеличить достоверность массовых характеристик, получаемых в результате измерений, в виду того, что при этом: становятся мало заметными газодинамические движения акустической волны по толщине контактного экрана, лицевая и тыльная поверхности контактного экрана приобретают одинаковую скорость движения; более точно соблюдаются условия применимости закона сохранения импульса и по скорости движения тыльной стороны контактного экрана, определяемой по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, с меньшей погрешностью определяются массовые характеристики исследуемого объекта.
Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана из перфорированного материала, например, сетки или решетки, с известным коэффициентом проницаемости для движущегося исследуемого объекта (например, облака пыли) позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае реализуется возможность непрерывной регистрации во времени, одновременно, и скорости движения исследуемого объекта, прошедшего через контактный экран, и его массовых характеристик в месте постановки контактного экрана. В этом случае увеличивается объем регистрируемой информации об исследуемом объекте, что увеличивает достоверность характеристик исследуемого объекта, получаемых в результате измерений.
Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта нескольких контактных экранов, установленных по ходу движения исследуемого объекта на некотором расстоянии один от другого, где наиболее близкие к исследуемому объекту выполнены из перфорированного материала, позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае возникает возможность определения с более высоким пространственным разрешением массовых и кинематических характеристик исследуемого объекта в местах постановки контактных экранов вдоль трассы его движения. Эти измерения представляют интерес, когда исследуемый объект изменяет свои характеристики в процессе движения. Например, при движении облака насыщенного пара какого-либо вещества, когда часть его массы теряется из-за оседания на стенках канала или выпадения в осадок в виде дождя.
Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана, разделенного на отдельные участки с одинаковыми или различными удельными массами, позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае реализуется возможность определения характеристик в различных точках поперечного сечения объекта и увеличивается пространственная разрешающая способность этих измерений.
В случае, если исследуемый объект по своему поперечному сечению однородный, то применение контактного экрана, разделенного на отдельные участки с различными удельными массами, увеличивает динамический диапазон регистрации его массовых характеристик, что более точно определяет их значения. Или, наоборот, когда исследуемый объект является неоднородным по своему сечению, то применение контактного экрана, разделенного на отдельные участки с одинаковыми удельными массами, уменьшает относительную погрешность определения его массовых характеристик и увеличивает пространственное разрешение выполняемых измерений.
Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана, разделенного на отдельные участки с одинаковыми или различными удельными массами, установленными на цилиндрической (сферической) поверхности, позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае реализуется возможность более точного определения в пространстве массовых характеристик объекта сложной геометрической формы, включая определение пространственно-временной симметрии его движения.
Массовые характеристики движущегося объекта определяют путем применения второго закона Ньютона для тела переменной массы, который в частном случае трансформируется в решение дифференциального уравнения Мещерского, описывающее движение контактного экрана с изменяющейся массой, а также при использовании закона сохранения импульса для замкнутой системы, включающей в себя исследуемый движущийся объект (например, облако пыли) и контактный экран до и после их взаимодействия.
Уравнение Мещерского, описывающее движение тела с переменной массой, имеет следующий вид:
o
ио
о
ио
где m(t)=m+m(t) - удельная масса контактного экрана m с осажденной на нем удельной массой исследуемого объекта m;
ио
э
ио
э
U(t)=V-V(t) - скорость исследуемого объекта V относительно скорости контактного экрана V(t).
ио
э
ио
Уравнение (1) имеет аналитическое решение, когда мгновенная скорость налетающего исследуемого объекта много больше скорости движения контактного экрана V>>V(t), то есть U(t)≈V.
ио
ио
Выражая удельную массу исследуемого объекта, осажденную на контактном экране m(t) через объемную плотность налетающего исследуемого объекта ρ(x,t), уравнение (1) трансформируется в дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными для скорости движения контактного экрана
Анализируя выражение (2) можно сказать, что производная по времени от скорости движения контактного экрана пропорциональна величине мгновенной плотности налетающего исследуемого объекта, выраженной в относительных единицах полной массы экрана в рассматриваемый момент времени.
Общее решение уравнения (2) имеет следующий вид:
0
где V=0 - начальная скорость контактного экрана при t=0.
В общем случае, когда плотность исследуемого объекта описывается сложной функцией, интеграл (3) определяется численным интегрированием.
Величину погрешности численных расчетов определим с помощью закона сохранения импульса для замкнутой системы, включающей в себя исследуемый объект и контактный экран до и после их взаимодействия, представляемый формулами:
Согласно правилам оценки погрешностей результатов эксперимента, относительная погрешность удельной массы исследуемого объекта, являющейся функцией нескольких параметров, определяется следующим выражением
ио
о
э
ио
где δm, δm, δV, δV - относительные погрешности физических величин (4), (5).
ио
ио
э
э
о
ио
ио
ио
э
Анализируя параметры выражения (6), можно считать, что наибольшую относительную погрешность имеет мгновенная скорость исследуемого объекта δV, определяемая перед моментом столкновения с контактным экраном. Ввиду, как правило, значительного разброса скоростей, имеющегося в облаке микрочастиц исследуемого объекта, ее можно оценить как δV≈ ±10%. Относительную погрешность скорости движения контактного экрана δV, определяемую с помощью АПК PDV, следует определить как δV≈ ±0,5%, и относительную погрешность удельной массы экрана δm, измеряемую аналитическими весами, можно считать пренебрежимо малой - на уровне 0,1%. То есть относительная погрешность массы исследуемого объекта δm в экспериментах будет определяться, в значительной мере, отношением V/(V-V)
ио
ио
ио
э
δm=0,001+[V/(V-V)]⋅(0,01+0,2),
которое в зависимости от отношения удельной массы контактного экрана к удельной массе исследуемого объекта, согласно (5), может принимать различные значения.
ио
ио
Для определенности рассмотрим сначала условие, когда удельная масса контактного экрана равна удельной массе налетающего на экран исследуемого объекта. В этом случае, по закону сохранения импульса (5), максимальная скорость движения контактного будет равна половине скорости движения исследуемого объекта и относительная погрешность удельной массы пыли будет, где δm=2⋅δV
ио
Уменьшение удельной массы экрана относительно удельной массы исследуемого объекта приведет к приближению скорости его движения к скорости исследуемого объекта, что, согласно (6) будет увеличивать погрешность δm и не желательно.
ио
ио
При увеличении удельной массы экрана относительно исследуемого объекта, согласно (5) и (6), относительная погрешность определения удельной массы пыли приближаться к относительной погрешности скорости ее движения δm→δV.
о
ио
э
ио
п
э
При этом будет уменьшаться максимальное значение скорости движения контактного экрана. Например, при m=100⋅m скорость движения экрана уменьшится до V≈0,01⋅V и при V=1 км/с составит V=10 м/с. Для АПК PDV определение таких скоростей движения не вызывает затруднений. То есть для регистрации массовых характеристик исследуемого объекта с минимальной погрешностью удельной массы пыли удельная масса контактного экрана должна быть в диапазоне
При этом, в крайнем случае, когда удельная масса контактного экрана равна удельной массе исследуемого объекта, при которой максимальная скорость его движения будет равна половине скорости движения исследуемого объекта в момент контакта с экраном, для полной регистрации процесса оседания исследуемого объекта на контактном экране расстояние между контактным экраном и коллиматором должно быть не меньше половины длины исследуемого объекта вдоль направления движения.
Для обеспечения большей надежности и достоверности выполняемых измерений расстояние между контактным экраном и коллиматором следует выбирать не меньше полной длины исследуемого объекта.
На фиг. 1 представлена оптическая схема способа определения характеристик движущегося объекта и устройство для его осуществления, где
1 - источник лазерного излучения;
2 - лазерное излучение, распространяющееся по оптоволоконному световоду;
3 - коллиматор, выводящий лазерное излучения из световода в свободное пространство и направляющий его на исследуемый объект вдоль направления движения, а также фокусирующий в световод часть обратно отраженного излучения, попавшего в его апертуру;
4 - контактный экран;
5 - исследуемый объект;
6 - часть лазерного излучения, выходящая из коллиматора и облучающая контактный экран с тыльной стороны;
7 - часть лазерного излучения, обратно отраженная от контактного экрана и частично попадающая в апертуру коллиматора;
8 - часть лазерного излучения, выходящая из коллиматора, проходящая через контактный экран и облучающая исследуемый объект;
9 - часть лазерного излучения, обратно отраженная от исследуемого объекта, проходящая через контактный экран и частично попадающая в апертуру коллиматора;
10 - лазерное излучение, сфокусированное коллиматором в световод и направленное к АПК PDV;
11 - АПК PDV, определяющий оптогетеродинным методом скорости движущихся объектов по частоте доплеровского сдвига в излучениях, обратно отраженных от исследуемых объектов.
На фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1, при по меньшей мере одном контактном экране, выполненном из перфорированного материала, установленном по ходу движения исследуемого объекта, и одном контактном экране, выполненном из оптически однородного материала, расположенном между коллиматором и по меньшей мере одним контактным экраном, выполненном из перфорированного материала, где
4.1 и 4.2 - контактные экраны, выполненные из перфорированного материала;
4.N - контактный экран, выполненный из оптически однородного материала;
6.1 - 6.N - части лазерного излучения, выходящего из коллиматора и облучающие контактные экраны с тыльных сторон;
7.1 - 7.N - части лазерного излучения, обратно отраженные от контактных экранов и попадающие в апертуру коллиматора.
На фиг. 3 - то же, что и на фиг. 1, при контактном экране, разделенном на отдельные части с различными или одинаковыми удельными массами, где
3.1 - 3.N - коллиматоры, направленные на отдельные части контактного экрана;
4.1 - 4.N - отдельные части контактного экрана с одинаковыми или различными удельными массами;
6.1 - 6.N - части лазерного излучения, выходящие из коллиматоров и облучающие с тыльных сторон отдельные части контактного экрана;
7.1 - 7.N - части лазерного излучения, обратно отраженные от отдельных частей контактного экрана и попадающие в апертуры соответствующих коллиматоров;
8.1 - 8.N - части лазерного излучения, выходящие из коллиматоров, проходящие через соответствующие им части контактного экрана и облучающие различные участки исследуемого объекта;
9.1 - 9.N - части лазерного излучения, обратно отраженные от различных участков исследуемого объекта, проходящие через соответствующие части контактного экрана и частично попадающие в апертуры соответствующих коллиматоров.
На фиг. 4 - то же, что и на фиг. 2, при по меньшей мере одном контактном экране, разделенном на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, установленными на по меньшей мере одной цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом цилиндрической формы, а лазерное излучение направлено по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана, где
3.1 - 3.N - коллиматоры, направленные по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;
4.11 - 4.NN - отдельные части контактного экрана с одинаковыми или различными удельными массами, установленные на по меньшей мере одной цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом;
6.11 - 6.NN - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора и облучающие с тыльных сторон отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;
8.1 - 8.N - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора, проходящие через соответствующие им отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана и облучающие различные участки внутренней поверхности исследуемого объекта цилиндрической формы;
5 - исследуемый объект, цилиндрической формы, радиально сжимающийся при движении к своей оси;
12 - ось исследуемого объекта цилиндрической формы;
13 - цилиндрическая обечайка, расположенная коаксиально с исследуемым объектом и фиксирующая по меньшей мере один коллиматор по радиальному направлению перпендикулярно общей оси цилиндров, направленному на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;
14.1 - 14.N - цилиндрические обечайки, расположенные коаксиально с исследуемым объектом и фиксирующие отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана соосно и перпендикулярно лазерным излучениям, выходящим из соответствующих коллиматоров.
На фиг. 5 - то же, что и на фиг. 2, при по меньшей мере одном контактном экране, разделенном на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, установленными на по меньшей мере одной сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом сферической формы, а лазерное излучение направлено по радиальным направлениям на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана, где
3.1 - 3.N - коллиматоры, направленные по радиальным направлениям от общего центра сфер на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;
4.11 - 4.NN - отдельные части контактного экрана с одинаковыми или различными удельными массами, установленные по меньшей мере на одной сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом;
6.11 - 6.NN - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора и облучающие с тыльных сторон отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;
8.1 - 8.N - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора, проходящие через соответствующие им отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана и облучающие различные участки внутренней поверхности исследуемого объекта сферической формы;
5 - исследуемый объект, сферической формы, радиально сжимающийся при движении к своему центру;
15 - центр исследуемого объекта сферической формы;
16 - сферическая обечайка, расположенная концентрично с исследуемым объектом и фиксирующая по меньшей мере один коллиматор по радиальному направлению от общего центра сфер, направленному на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;
17.1 - 17.N - сферические обечайки, расположенные концентрично с исследуемым объектом и фиксирующие отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана соосно и перпендикулярно лазерным излучениям, выходящим из соответствующих коллиматоров.
На фиг. 6 - то же, что и на фиг. 1, при реализации конкретного применения заявляемого способа и устройства, где
5 - исследуемый объект в виде облака пыли, образованного при ударно-волновом воздействии на плоскую мишень;
18 - капсюль электродетонатора;
19 - навеска из взрывчатого вещества (ВВ);
20 - метаемый ударник плоской формы из тантала толщиной 100 мкм;
21 - ударно нагружаемая мишень в виде пластины свинца толщиной 1 мм.
На фиг. 7 показана полученная с помощью АПК PDV зависимость скорости движения облака пыли во времени, образовавшегося при контакте ударника с лицевой стороной мишени, где
п
V(t) - скорость движения облака пыли во времени до момента образования на тыльной стороне мишени до контакта с защитным стеклом коллиматора (мгновенная скорость движения облака пыли в интервале времени от момента образования - 2,8 мкс до момента взаимодействия с защитным стеклом коллиматора - 7,9 мкс).
На фиг. 8 и фиг. 9 показаны скорости движения облака пыли до момента взаимодействия с контактным экраном и скорости движения контактных экранов, изготовленных из боросиликатного стекла толщиной 180 мкм, где
п
V - мгновенные скорости движения облаков пыли до взаимодействия с контактными экранами в моменты, соответственно, 2,78 мкм и 5,04 мкс;
1
V(t) - скорость движения контактного экрана во времени, установленного на расстоянии 1 мм от тыльной стороны мишени;
2
V(t) - скорость движения контактного экрана во времени, установленного на расстоянии 2,7 мм от тыльной стороны мишени.
На фиг. 10 показаны расчетные (в виде точек) и полученные экспериментально (в виде линий) графики скоростей движения контактных экранов, установленных на расстоянии 1,0 мм и 2,7 мм от мишени, а также расчетные значения объемной плотности облаков пыли, вызывающих движение этих экранов, где
1
2
V(t) и V(t) - скорости движения контактных экранов во времени, установленных на расстоянии 1,0 мм и 2,7 мм от тыльной стороны мишени;
1
2
ρ(t) и ρ(х) - расчетные графики объемной плотности облаков пыли на расстоянии 1,0 мм и 2,7 мм от тыльной стороны мишени.
Устройство работает следующим образом.
Включается источник лазерного излучения 1, который по оптоволоконному световоду направляет лазерное излучение 2 к коллиматору 3. Коллиматор 3 выводит лазерное излучение в свободное пространство и направляет его навстречу движения исследуемого объекта 5 через контактный экран 4, установленный на пути движения исследуемого объекта 5. При этом одна часть лазерного излучения 6 попадает на тыльную поверхность контактного экрана 4, обратно отражается от нее в виде диффузно рассеянного излучения 7, частично попадает в апертуру коллиматора 3, фокусируется обратно в оптоволоконный световод и направляется на АПК PDV 11 в виде лазерного излучения 10 с доплеровским сдвигом частоты, определяющим скорость движения контактного экрана 4. Другая часть лазерного излучения 8, выходящая из коллиматора 3, проходит через контактный экран 4 и попадает на исследуемый объект 5, обратно отражается от него в виде диффузно рассеянного излучения 9, проходит через контактный экран 4, частично попадает в апертуру коллиматора 3, фокусируется в оптоволоконный световод и направляется на АПК PDV 11 в виде лазерного излучения 10 с доплеровским сдвигом частоты, определяющим скорость движения исследуемого объекта 5. АПК PDV регистрирует суммарное пришедшее к нему лазерное излучение 10, определяет скорости движения контактного экрана 4 и исследуемого объекта 5, передает эти данные в программу численной обработки результатов измерений, применяющей в своих вычислениях второй закон Ньютона для тела переменной массы и закон сохранения импульса. Численно обработанные результаты измерений выдаются в виде непрерывного во времени графика усредненной по площади контактного экрана объемной плотности исследуемого объекта, налетающего на контактный экран; мгновенной скорости движения исследуемого объекта в момент контакта с экраном и численного значения удельной массы исследуемого объекта 5. Все характеристики исследуемого движущегося объекта, определенные в эксперименте, привязываются в пространстве к местоположению контактного экрана 4.
Осуществление изобретения было продемонстрировано на примере определения параметров слоя откола в плоской мишени из свинца, образующегося при ударе по ней быстролетящей пластиной из тантала.
Принцип действия заявляемого способа и устройства поясняется схематическим эскизом экспериментального стенда, показанным на фиг. 6, а также графиками, описывающими движение исследуемого объекта и контактного экрана, показанными на фиг. 7-10.
Исследуемый объект 5 в виде быстролетящего облака свинцовой пыли получался при ударе пластины из тантала 20 толщиной 100 мкм, стабильно разгоняемой взрывом ВВ (взрывчатого вещества) 19 до скорости 3 км/с, по пластине из свинца 21 толщиной 1 мм. Лазерное излучение с длиной волны 1,55 мкм генерировалось оптоволоконным лазером 1 и через оптоволоконный световод 2 и коллиматор 3 направлялось навстречу движения образующемуся облаку пыли 5. Движение облака пыли регистрировалось с помощью АПК PDV 11.
На фиг. 7 показан характерный вид скорости движения облака пыли во времени при движении его от момента образования на тыльной стороне свинцовой пластины до столкновения с защитным стеклом коллиматора, удаленном от свинцовой мишени на расстояние 10 мм.
В случае если бы скорость исследуемого объекта определялась, как в прототипе, по интервалу времени между моментом образования облака пыли, равным 2,8 мкс, и моментом удара по защитному стеклу коллиматора, равным 7,9 мкс, то среднее значение скорости составило бы 1,95 км/с. В то же время, по методу определения АПК PDV, как видно на фиг. 7, мгновенная скорость движения облака пыли в момент столкновения с защитным стеклом коллиматора составила 1,75±0,1 км/с. То есть величина погрешности в определении скорости движения облака пыли по методу прототипа составила ~±11%.
1
2
После постановки между коллиматором и мишенью контактного экрана из боросиликатного стекла толщиной 180 мкм с помощью АПК PDV были зарегистрированы мгновенные скорости движения облаков пыли перед контактом с экранами, равные в обоих случаях 2 км/с, и непрерывные во времени скорости движения контактных экранов V(t) и V(t). На фиг. 8 расстояние между мишенью и контактным экраном составляло 1,0±0,1 мм, а на фиг. 9 - 2,7±0,1 мм.
На фиг. 8 и фиг. 9 видно, что динамика движения контактных экранов отличается и по переднему фронту набора скорости, и по достигнутому максимуму, хотя мгновенные значения скорости подлетающего облака пыли в обоих случаях были примерно одинаковыми, равные 2 км/с.
На фиг. 8 и фиг. 9 видно, что процесс взаимодействия контактного экрана с налетающим облаком пыли длится, соответственно, в основном 1 мкс и 2,5 мкс. При скорости звука в стекле 5080 м/с время пробега акустической волны по толщине экрана составляет 35 нс. То есть условие «акустической тонкости» контактного экрана относительно длительности исследуемого процесса было выполнено, и время пробега акустической волны по толщине экрана получилось, соответственно, в 28 и 71 раз меньше, чем время оседания исследуемого объекта на контактном экране.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 10 непрерывными линиями показаны оцифрованные графики V(t) и V(t) скорости движения контактных экранов, а графиками из точек - их расчетные зависимости, полученные методом численного моделирования скорости движения этих экранов путем подбора функций плотности пыли при численном решении интеграла (3). Численно подобранные функции ρ(t) и ρ(t) для расстояний от мишени 1,0 мм и 2,7 мм показаны под соответствующими графиками V(t) и V(t) на фиг. 10.
0
2
При численной обработке результатов измерений считалось, что удельная масса контактных экранов равнялась m=0,045 г/см, что предварительно взвешивалось на точных весах, и что скорость налетающих на экраны облаков пыли составляла 2 км/с. На фиг. 10 видно достаточно хорошее совпадение графиков V(t), полученных при численном моделировании и зарегистрированных в экспериментах.
1
2
2
2
В результате интегрирования во времени графиков ρ(t) и ρ(t) были определены соответствующие им удельные массы облака пыли, равные 38 мг/см, при зазоре свинец-контактный экран, равном 1,0 мм, и 33 мг/см - при этом зазоре, равном 2,7 мм.
На основании экспериментальных измерений скорости движения контактных экранов и результатов их численного моделирования можно сделать следующие выводы:
На расстоянии 1 мм от тыльной поверхности свинца основная масса облака пыли сосредоточена в слое толщиной 60 мкм. Эта величина близка к толщине слоя откола, вызванного ударником из тантала толщиной 100 мкм. При удалении от поверхности свинца на расстояние 2,7 мм наблюдается расплывание облака пыли до 280 мкм.