Инфракрасная термография быстропротекающих процессов

При поддержке программы развития МГУ на кафедре молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества получило развитие новое научное направление — инфракрасная (ИК) термография быстропротекающих процессов. Новое не только для нашей страны, но в значительной степени и для мировой науки. Традиционно объектом ИК термографии за последние 50 лет становилось распознавание дефектов в твердых средах, утечки газов и жидкостей, энергосбережение; исследовались тепловые свойства материалов, биологические объекты. Сегодня масса медицинских фирм рекламирует тепловизионную диагностику заболеваний, строительных и ремонтных фирм — диагностику неполадок в системах электроснабжения, отопления и вентиляции. Важнейшее применение термография нашла в технологиях двойного назначения: к примеру, для выявления на местности объектов, имеющих отличные от фона излучательные и отражательные свойства в ИК диапазоне (неслучайно не все подобные приборы доступны для свободной продажи).

Между тем, за последние годы появились качественно новые классы цифровых термографических приборов, позволяющих перевести термографию в мощный инструмент научных исследований широкого спектра. Раздвинулся на порядок (до 15 мкм) доступный для высокоскоростной визуализации диапазон шкалы электромагнитных колебаний. Сегодня борьба идет за терагерцовый диапазон, но смежный с ним инфракрасный — не менее интересен с точки зрения фундаментальной и прикладной науки. Именно в этом диапазоне лежат основные тепловые потоки, излучаемые человеком и животными, конденсированными и газовыми средами. В то время, как инженеры традиционно продолжают эксплуатировать лишь пространственную и температурную чувствительность тепловизоров, задача физиков — открыть новые эффекты (и отнюдь не только тепловые) на основе возможностей новой высокоскоростной термографии. На стыке физики и механики, физики и психологии, физики и медицины, физики и технологий, при экстремальных воздействиях на вещество.

На кафедре традиционно развивались самые передовые методы визуализации быстропротекающих процессов: теневые и интерферометрические (Шугаев Ф.В, Сысоев Н.Н., Знаменская И.А.), голография (Штеменко Л.С.), интерферометрическая спектроскопия (Рязин А.П., Соколов А.), жидкие кристаллы (Петрова Г.П., Сысоев Н.Н.). Один из первых собранных на физфаке лазеров был использован для диагностики ударных волн. В эпоху цифровой визуализации регистрация ударно-волновых и плазменных процессов в оптическом диапазоне осуществляется высокоскоростной камерой со скоростью регистрации до полумиллиона кадров в секунду. Динамика тепловых процессов предполагает, конечно, несколько меньшие скорости. Но круг таких процессов — значительно шире.

На базе современного тепловизора FLIR SC7000, приобретенного в рамках программы развития МГУ в 2011 году, на кафедре уже сегодня исследуются следующие быстропротекающие тепловые процессы:

• турбулентные пульсации пограничного слоя воды при неизотермическом перемешивании (совместно с АО «ОКБМ Африкантов»)

• динамика нагрева сверхзвуковой гидроабразивной струи (совместно с МГТУ)

• бесконтактный мониторинг психофизических реакций (совместно с факультетом психологии МГУ)

• термопластический эффект (совместно с ИРЭ РАН)

• импульсное высокоэнергетическое воздействие на материалы.

На основе получаемых экспериментальных данных отрабатываются численные модели нестационарных процессов в сплошных и молекулярных средах на собственных и готовых вычислительных пакетах.

Некоторые из разработок описаны ниже.

Бесконтактный мониторинг психофизических реакций

В последние годы резко возрос интерес к развитию новых методов и технологий надежного бесконтактного мониторинга основных биофизических показателей организма. Методы, основанные на использовании ИК термографии, с этой точки зрения представляются весьма перспективным. Собственное излучение кожи человека приходится, в основном, на диапазон волн 4–50 мкм, с максимумом спектральной плотности на длине волны порядка 10 мкм. Благодаря высокому (до 0.98) коэффициенту излучения, изменения температуры кожи приводят к значительному изменению мощности регистрируемого тепловизором ИК излучения, на которое практически не влияет отраженное излучение от окружающих объектов. Изменение поверхностного распределения температуры происходит в процессе терморегуляции организма вследствие изменения внешних условий, физической или эмоциональной нагрузки, различных внешних воздействий. Такие биофизические параметры, как сердечный пульс, потоотделение, частота дыхания, являются наиболее важными показателями физического и психоэмоционального состояния человека.

На кафедре предложена технология комплексной регистрации и анализа активности центральной и периферической нервной системы с использованием тепловизора на основе трех типов динамических тепловых полей в области лица: выдыхаемые газы, пульсации кровеносной системы, динамика потовыделения. Получено, что в случае равномерного, спокойного дыхания регистрации полей ИК излучения течение 20 с при частоте съемки от 5 Гц достаточно, чтобы исследовать эволюцию и частотные характеристики дыхания с высокой точностью. Разработанная методика позволяет обнаруживать нерегулярные паттерны в дыхании, которые можно рассматривать в качестве маркеров для анализа психологического или физиологического стресса. В частности, показаны изменения несущей частоты дыхания при испуге и физических нагрузках. На Рис. 1 правый спектр, полученный в условиях стресса, демонстрирует отсутствие базовой частоты дыхания.

Рис. 1. Динамика температуры и спектральная характеристика дыхательного сигнала: 1. в отсутствие стресса; 2. в условиях стресса.

Проведены эксперименты по регистрации нестационарных тепловых процессов в области лица, соизмеримых со временем протекания эмоциональных реакций (1–4 с). При тепловизионной визуализации существенная пространственная неоднородность термограмм возникает за весьма короткие промежутки времени в процессе терморегуляции за счет потоотделения. Активность потовых желез связана с уровнем физической или эмоциональной нагрузки. В результате испарения капель пота происходит охлаждение кожи вблизи каналов потовых желез, что приводит к появлению темных (более холодных) точек на термограмме. На кафедре исследована возможность тепловизионной регистрации процесса потоотделения при моделировании стрессовых ситуаций синхронно с контактным измерением кожно-гальванической реакции (КГР). Обнаружено, что пики КГР соответствуют увеличению количества открытых потовых пор на термограмме, а также последующему понижению среднего значения температуры в областях интереса (зоны лба и носа). При этом характер расположения и активность потовых желез являются индивидуальными для каждого человека. Пример динамики температуры областей интереса и КГР сигнала представлен на Рис. 2.

Рис. 2. Динамика средней температуры в выделенных областях и КГР сигнала в ходе эксперимента: а — глубокий вдох; б — резкий звук; в — начало прохождения теста Струпа.

Динамика сверхзвуковой гидроабразивной струи

С помощью высокоскоростной регистрации изучен быстропротекающий процесс выхо да водной струи из фокусирующей трубки рабочей головки установки гидроабразивной резки. Получены количественные динамические характеристики образования и развития головной части струи на основе тепловизионной съемки с частотой до 415 Гц и теневой съемки камерой Photron FASTCAM с частотой до 1 МГц. Показано, что скорость ускоренно движущегося лидера струи меняется от 30 до 270 м/c. Тепловизором зафиксировано однократное колебание температуры при запуске струи с амплитудой порядка 2–3°С в интервале времени 0.1 с от начала включения, за которым следует выход на стационарный режим.

Время интеграции (экспозиции) тепловизора много больше времени экспозиции высокоскоростной камеры, таким образом, термографическое изображение можно представить как интегральное для некоторого количества изображений, полученных с помощью высокоскоростной камеры (Рис. 3). Исходя из оценки времени прохождения струей пути, попадающего в объектив высокоскоростной камеры, на отдельном кадре, полученном на тепловизоре, изображено усреднение по 100–300 кадров стартового процесса и 700–900 кадров стационарного процесса, полученных на высокоскоростной камере.

Рис. 3. Выход струи из сопла гидроабразивной резки: термограмма (слева) и теневое изображение, полученное наложением нескольких кадров высокоскоростной съемки (справа).

Турбулентные пульсации пограничного слоя воды

На основе высокоскоростной термографии, совместно с АО «ОКБМ Африкантов» предложен и запатентован новый метод измерения и анализа неизотермических турбулентных пульсаций жидкости в пограничном слое. Согласно методу, количественные энергетические характеристики пограничного слоя жидкости могут быть исследованы в широком спектральном диапазоне через стенку, прозрачную для ИК излучения, и идентифицированы на предмет анализа спектров турбулентности при использовании тепловизора с частотой кадров от 100 Гц. На основе метода проведены исследования неизотермических течений и нестационарных турбулентных пульсаций температур в пограничном слое жидкости на ряде моделей: выявлено наличие четко выделенных инерционных интервалов энергетических спектров, удовлетворяющих закону Колмогорова -5/3 в диапазонах частот от 1 до 40 Гц, обнаружен ряд интересных закономерностей, эффектов, недоступных для анализа другими методами.

На примере модели тройникового соединения показано, что в ряде неизотермических течений жидкости, сопровождающихся нестационарными турбулентными пульсациями температур, тепловые неоднородности играют роль пассивной примеси. Для таких случаях термографический метод эффективно использован для анализа пространственно-временных, частотных, спектральных характеристик турбулентного пограничного слоя жидкости (Рис. 4).

Рис. 4. Пример энергетического спектра пульсаций при неизотермическом смешении струй жидкости в тройниковом устройстве. Материал стенки — CaF2.

Работа по количественной термографии быстропротекающих процессов удостоена первого приза на международной конференции Quantitative Infrared Thermography в Польше в 2016 г (Grinzato Award-2016).

ПУБЛИКАЦИИ.

1. High speed imaging of a supersonic waterjet flowI. A. Znamenskaya, E. Y. Koroteeva, Y. N. Shirshov, A. M. Novinskaya, N. N. Sysoev // Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2017. — Online First.

2. Особенности спектров турбулентных пульсаций струйных затопленных течений воды / И.А. Знаменская, Е.Ю. Коротеева, А.М. Новинская, Н.Н. Сысоев // Письма в «Журнал технической физики». — 2016. — №13. — С. 51–57.

3. Термографическая визуализация и дистанционный анализ динамических процессов в области лица / И.А. Знаменская, Е.Ю. Коротеева, А.В. Хахалин, В.В. Шишаков // Научная визуализация. — 2016. — Т. 8, №5. — С. 1–8.

4. Psychophysiological diagnostics of human functional states: New approaches and perspectives / A.M. Chernorizov, S.A. Isaychev, I.A. Znamenskaya et al. // Psychology in Russia: State of the Art. — 2016. — Vol. 9, no. 4. — P. 23–36.

5. Dynamic characteristics of high-speed water jets in waterjet cutting machines / Я.Н. Ширшов, И.А. Знаменская, Н.Н. Сысоев et al. // Journal of Flow Visualization and Image Processing. — 2015. — Vol. 22, no. 4. — P. 165–173.

6. Большухин М.А., Знаменская И.А., Фомичев В.И. Метод количественного анализа быстропротекающих тепловых процессов через стенки сосудов при неизотермическом течении жидкости // Доклады Академии наук. — 2015. — Т. 465, №1. — С. 38–42.

профессор Н.Н. Сысоев, профессор И.А. Знаменская, с.н.с. Е.Ю.Коротеева

Изображения авторов получены в инфракрасном диапазоне.

Назад