Analisi della risoluzione spaziale della tecnica background oriented schlieren (BOS)

This thesis focuses on the analysis of the spatial resolution of the Background Oriented Schlieren (BOS) technique, to evaluate its influence on the measurements and its dependence on the optical and geometrical configuration of the experimental system. The BOS technique is an optical technique that provides a quantitative measure of density in a transparent inhomogeneous medium. To provide measurements with BOS technique, a digital camera, a background, in front of which the flux to analyze is posed, and a software for the analysis of the image are needed. The first part of the experimental phase was characterized by preliminary analysis on the camera-lens system that will be used in subsequent tests. In these analyzes the effect of diffraction on the background display was examined and the curves of the Modulation Transfer Function (MTF) were extracted. These curves give indications about the contrast and the optical resolution. Both diffraction and optical resolution affect the spatial resolution of the BOS technique. Subsequently, experimental tests were carried out with the aim of studying the behavior of the anomalies that are recorded when the BOS is used to examine a transition zone between two regions with different densities. By varying the lens aperture, which is a fundamental parameter in the spatial resolution analysis, we wanted to verify if the anomalies could undergo changes. Finally, it was studied how the spatial resolution variation could condition the measurements, using the BOS technique for the analysis of an under-expanded jet.

Questo lavoro di tesi si focalizza sull’analisi della risoluzione spaziale della tecnica Background Oriented Schlieren (BOS), per valutare la sua influenza sulle misurazioni e la sua dipendenza dalla configurazione ottica e geometrica del sistema sperimentale. La tecnica BOS è una tecnica ottica che fornisce una misura quantitativa della densità in un mezzo otticamente trasparente non omogeneo. Per effettuare delle misurazioni con tecnica BOS, sono necessari solamente una telecamera, uno sfondo (background), cui di fronte è posto il flusso da analizzare, e infine un software per l’analisi delle immagini registrate. La prima parte della fase sperimentale è stata caratterizzata da delle analisi preliminari sul sistema telecamera-obiettivo che sarà utilizzato nei test successivi. In queste analisi è stato esaminato l’effetto della diffrazione sulla visualizzazione dello sfondo e sono state estratte le curve della Modulation Transfer Function (MTF), che danno indicazioni riguardo il contrasto e la risoluzione ottica. Sia la diffrazione che la risoluzione ottica influiscono sulla risoluzione spaziale della tecnica BOS. Successivamente, sono state realizzate delle prove sperimentali con lo scopo di studiare il comportamento delle anomalie che si registrano quando la BOS viene usata per esaminare una zona di transizione tra due regioni con densità differenti. Facendo variare l’apertura del diaframma dell’obiettivo, che è un parametro fondamentale nell’analisi della risoluzione spaziale, si è voluto verificare se le anomalie potessero subire dei cambiamenti. Infine, è stato studiato come la variazione di risoluzione spaziale potesse condizionare le misurazioni, sfruttando la tecnica BOS per l’analisi di un getto sottoespanso.