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第 37 卷 第 5 期 廉国选等： 液电冲击波在液固介质中的传播观测 703

使其与起偏器不垂直 (偏振方向 1 和2，夹角为 80 )， 相机难以精确避开电火花的强光，因此无法对其
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有部分照射光得以透射。透射光遵从纹影法成像原 后的冲击波拍照。本系统使用日本 Photron 公司的
理，可对水中冲击波进行暗场成像；未透射的部分仍 FASTCAM SA1.1 高速摄像机，拍摄速度最快可到
旧遵从动态光弹法成像原理，对固体中的应力波场 675000 帧/s，快门速度最高可达 370 ns，可通过控
进行亮场成像。由于使用的是部分偏振光，减弱了 制同步信号避开电火花的强光干扰，对冲击波的纹
纹影成像的照射光强度，还增加了动态光弹法的背 影图像和动态光弹图像进行拍摄。另外，即使摄像
景光，虽然能够实现液固介质中波动场的一次成像， 机在最高帧率和最高快门速度模式工作，介质中的
但降低了系统的观测灵敏度或图像对比度。 声波也有毫米级的行程，不能够对陡峭的冲击波波
传统的纹影法或者动态光弹法由于需要 “冻 前进行清晰成像，因此在使用高速摄像机的同时，系
结” 快速传播的声波，一般单独采用高速相机或者 统采用脉冲宽度为 7.6 ns、峰值功率达到兆瓦级的
脉冲光源。在本文的实验中，由于电火花的发光 脉冲激光器进行照射，瞬时“冻结” 快速传播的冲击
时刻与冲击波之间存在毫秒级的时间间隔，普通 波，实现纹影-动态光弹法的清晰成像。

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图 2 纹影 -动态光弹观测系统
Fig. 2 Schlieren-photoelastic observation system
的电火花放电方式，相对于固定电极有更好的一致
4 实验结果
性和重复性，但因为充电电压的误差以及铜丝搭接
采用上文所述的高压电火花放电装置和纹影 - 的紧密程度的差异，致使空泡体积及其溃灭时间产
动态光弹法冲击波观测系统，我们对电火花空泡产 生微小的差异，整个过程存在约微秒级的时间误差，
生的冲击波在液体和固体中的传播现象进行了观 即使采用高精度的同步延时电信号将激光与放电
测。实验采用两根 0.05 mm 的导电铜丝搭接，放电 过程同步，也难以准确地重复实验，因此需要进行
电容的充电电压设置为 500 V，瞬时放电电流可达 多次重复试验，才能在冲击波产生后抓取到所需时
到上万安培。图 3 是一个典型的电火花空泡的膨 刻的图像。同时由于脉冲激光器的重复频率只有
胀和溃灭过程，其中图 3(a) 是电火花空泡产生、溃 10 Hz，单次实验也只能拍摄一张图像。后期考虑采
灭、回弹和产生一次与二次冲击波的时间历程示意 用多脉冲激光器或至少两路可控延迟同步脉冲激
图，对应的高速摄影图像如图 3(b) 所示，拍摄帧率 光器，类似于多点序列电火花光源的照射方式，对一
为20000 帧/s。电火花放电后在空泡迅速膨胀初期， 次冲击波进行多次拍摄。
形成一次冲击波，空泡在惯性力的作用下继续膨胀 图4为经过多次重复实验获得的电火花空泡第
到最大体积(1.10 ms，直径约 9 mm)，然后在空泡内 一次溃灭时产生的冲击波传播图像，每幅图像拍摄
外压差的作用下迅速坍缩，在溃灭到最小体积时产 的是各自的放电空泡产生的冲击波，并不是一次冲
生二次冲击波 (1.95∼2.05 ms)。因为放电火花的强 击波不同时刻的传播图像。电火花放电位置位于图
光干扰，难以对一次冲击波进行有效拍摄，本实验将 像上边缘的中心处，图像中间位置的水平黑线是上
对空泡溃灭时产生的二次冲击波进行拍摄。 方水介质和下方 K9玻璃的界面。K9 玻璃中有一个
值得说明的是，虽然实验中采用导电铜丝搭接 人工裂缝缺陷。图4(a)、图4(b)是冲击波产生后在