カトウ光研株式会社

衝撃波とは

HOME可視化技術の見える化 > 衝撃波とは
可視化事例集

衝撃波とは

衝撃波(shock wave)は衝突や爆発のような物理現象が起きた際に媒質の急激な圧力変化により生成されます。
物体が音速よりも大きく移動する超音速流(マッハ数>1)で発生する圧力波の一種です。
通常の波のように媒質中のエネルギーを伝播します。

  大気中の衝撃波は常に超音速であり、音の速さ(約340m/s高度0m 気温15℃時)より高速で伝播します。
水中の衝撃波は音の伝播速度に倣い(約1500m/s 水圧、温度、塩分濃度によって変化)それ以上の速度で伝播します。

音速を超えて飛行する戦闘機
音速を超えて飛行する戦闘機
衝撃波が伝播するイメージ
衝撃波が伝播するイメージ

「シュリーレン法」で衝撃波を可視化する

「シュリーレン法」は衝撃波の可視化に最も一般的に使用される技術の1つです。
その適用の容易さから、航空宇宙工学などの研究に幅広く使用されています。

衝撃波は通常目に見えないものですが衝撃波が発生するような密度変化が媒質に生じた場合、それに起因し媒質の屈折率が変化します。
この小さな屈折率の変化を観測し、画像を取得することにより衝撃波を可視化できます。

衝撃波は超音速現象であり、一般のカメラでは捉えきれない速度で伝播するため、伝播状態の詳細に観測するにはハイスピードカメラが最適です。

クラウドキャビテーションの衝撃波を可視化
キャビテーションの気泡群から連続的に発生する衝撃波を30万fpsで撮影した様子です。
撮影に使用したハイスピードカメラ   超高速フラッグシップモデル Phantom  TMX

「シュリーレン法」とは?

透明な媒質中の光学的不均一性のことをいい、ドイツ語で「ムラ」を意味します。
透明体の中に屈折率のわずかに異なる部分があるとき、光線の進行方向の変化を利用してその部分が明確に見えるようにする光学的手法です。
媒質中を伝播する衝撃波や超音波の進行状況を観察することができます。

航空機モデル周りの衝撃波
  • 衝撃波_航空機01
  • 衝撃波_航空機02
  • 衝撃波_航空機03
撮影協力︓東洋大学 理工学部機械工学科 藤松先生
斜め衝撃波の伝播
オブジェクトを配置して、衝撃波の伝播する様子を可視化した映像です。
斜め衝撃波が伝播する様子とオブジェクトに衝突して反射する衝撃波の様子をハイスピードカメラで撮影しています。
また、シュリーレン専用画像処理ソフト「SS Viewer」で画像処理を行うことでより鮮明に現象を捉えています。

衝撃波を可視化することで何がわかる?

「シュリーレン法」で衝撃波を可視化することでさまざまな流動現象や空気密度の変化の理解に役立っています。

  • 航空機における騒音の要因
  • キャビテーションが圧壊する時に発生する衝撃波 →ポンプ輸送能力の低下となる原因解明
  • 音速まで流れを加速できるラバールノズルの評価

近年では医療における応用も行われており、体外から衝撃波をあて結石を破砕する医療法(体外衝撃波治療)なども存在し、シュリーレン法による衝撃波の可視化が先進技術の向上に役立つ可能性があります。

斜め衝撃波の反射形態を可視化【シュリーレン法~ノイマン・パラドクス】
撮影強力:豊田工業高等専門学校 機械工学科 小谷 明 先生
超音速で伝播する衝撃波をシュリーレン法で可視化しました。
衝撃波は通常目に見えない波ですが、光学的な可視化手法であるシュリーレン法であれば観測することができます。
実験装置で発生させた衝撃波をオブジェクトに衝突させ、反射する様子をとらえています。
【キャビテーション】秒速1650m 圧力波の可視化実験【シュリーレン法】
撮影協力︓JAXA 坂本 勇樹 先生
キャビテーション気泡が崩壊する時に発生する圧力波を可視化しました。
可視化には「シュリーレン法」を用いて
圧力波(衝撃波)が伝播する様子を鮮明にとらえています。

使用機材
*「シュリーレン法」による衝撃波の可視化事例をこちらでも紹介しています。   カトウ光研の可視化技術を紹介「可視化事例集」

衝撃波の可視化 関連製品

システムシュリーレンSSシリーズ
システムシュリーレンSSシリーズ-関連製品
手軽なシュリーレン撮影を実現した省スペース光学システム
レンズ式シュリーレンレンズ式シュリーレン
レンズ式シュリーレン-関連製品
原理把握が容易で教育用にも最適なベーシックモデル
シュリーレン凹面鏡2面対向式 凹面鏡2面対向式
シュリーレン用凹面鏡- 関連製品
凹面鏡の特性により無収差な平行光が特徴の光学システム
ハイスピードカメラk5 ハイスピードカメラk5
ハイスピードカメラk5-関連製品
高速流体に対応した撮影速度を誇る超高感度USBモデル
カタログダウンロード