Hintergrundschlieren - Methode

(engl.: Background Oriented Schlieren Method, BOS)

Die Hintergrundschlieren-Methode ist ein sehr einfaches Verfahren zur Sichtbarmachung von Dichtegradienten, das auf der Ablenkung von Lichtstrahlen aufgrund von Brechungsindexgradienten beruht. Die Messtechnik kann zur Bestimmung aller Arten von Brechungsindexgradienten eingesetzt werden. Schon sehr schwache Dichtegradienten führen zu sicher detektierbaren Brechungsindexgradienten. So ist z.B. die Konvektion von Luft über einer warmen Hand in normaler Raumatmosphäre ebenso nachweisbar, wie die promille-genaue Bestimmung von Heliumkonzentrationen in Luft.

Skizze eines typischen BOS-Aufbaus bestehend aus einem Hintergrund und einer Kamera (hier dargestellt durch eine Linse und eine Bildebene). Die ansteigende Dichte stellt das zu untersuchende Dichtefeld dar.

Mit der Hintergrundschlieren-Methode können Brechungsindexgradienten sichtbar gemacht werden.

Brechungsindexgradienten treten z.B. über einer Kerzenflamme oder über einer heißen Straße im Sommer auf. Tatsächlich führt die inhomogen erwärmte und bewegte Luft dazu, dass die von dem Hintergrund reflektierten Lichtstrahlen durch diese Luft in das Auge des Beobachters fallen und den Hintergrund verzerrt darstellen. Da der Hintergrund selbst dabei absolut ruhig bleibt, muss die Lichtstrahlablenkung in der Luft geschehen.

Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung der Luft oder eine Mischung der Luft mit einem anderen Gas führen zu einer lokalen Dichteänderung. Die optische Eigenschaft des Mediums - der Brechungsindex - wird damit lokal geändert.

Heliumkonzentrationsfeld über einer Düse in Luft. Die Linien stellen Isokonzentrationslinien von Helium dar.
zum Bild Heliumkonzentrationsfeld über einer Düse in Luft. Die Linien stellen Isokonzentrationslinien von Helium dar.

Die scheinbare Hintergrundpunktbewegung wird mit der Hintergrundschlieren-Methode vermessen indem erst ein Bild des Hintergrundes aufgenommen wird, ohne dass der zu untersuchende Brechungsindexgradient sich zwischen Hintergrund und Kamera befindet. Dieses Bild wird als Referenzbild verwendet. Die Punkte des Hintergrundes werden innerhalb eines Konus’ – in der Skizze durch die schwarzen Linien dargestellt – abgebildet. Das zweite erforderliche Bild – das Messbild – wird mit dem zu untersuchenden Brechungsindexgradienten (wie z.B einer Kerzenflamme) zwischen Hintergrund und Kamera aufgenommen. Die Abbildung der Hintergrundpunkte erfolgt jetzt entsprechend der roten Linien in der Skizze. Die Hintergrundpunkte sind im Vergleich zum Referenzbild auf eine andere Stelle des Bildes abgebildet. Die Verschiebung der Hintergrundpunkte zwischen den beiden Bildern kann mit der so genannten Kreuzkorrelation exakt bestimmt werden, wenn der Hintergrund ein unregelmäßiges Punktemuster mit deutlichem Kontrast aufweist. Das Ergebnis der Kreuzkorrelation stellt ein Verschiebungsfeld zwischen Punkten auf dem Referenzbild und Punkten auf dem Messbild dar. Aus diesem Verschiebungsfeld kann mit Kenntnis des Ablenkungsortes auf den Ablenkungswinkel geschlossen werden. Der Ablenkungswinkel ist bei Kenntnis der Wellenlänge des Lichtes direkt mit der optischen Eigenschaft des untersuchten Mediums – der Brechungsindexvariation – verknüpft. Wenn der in dem Referenzbild herrschende Brechungsindex des untersuchten Volumens bekannt ist, können mit der Hintergrundschlieren-Methode die örtlichen Dichtewerte innerhalb des untersuchten Volumens räumlich bestimmt werden und so z.B. auch die Heliumkonzentrationen über einer Düse lokal bestimmt werden.


Kontakt
Dr.rer.nat. Reinhard Geisler
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Experimentelle Verfahren
E-Mail: Reinhard.Geisler@dlr.de
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