气动弹性结合了空气动力学和固体力学，是一门跨学科的问题。在高层建筑和航空航天的工程应用中都是极其重要的问题。在沿海地区，大风天气下的大跨度桥梁与高层建筑都会产生气流引起的振动。在航空航天科学中，气动弹性的问题就更加突出，由于飞行器的高速飞行，其控制舵面由于高速气流甚至激波的脉动会产生振动，这也是气动弹性要解决的关键问题。今天我们就通过一个实例展示高速纹影技术在高超声速气动弹性中的应用，以及它的优势。

最近，澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales）在网站上发布了一个高超音速气动弹性研究的高速纹影视频。我们就通过这个公开的资料展示纹影技术在气动弹性问题中的应用。

一 · 流动问题简介

我们先把视频中的流动现象简单介绍一下。如下图所示，模型主要包括两部分，在主流中有一个二维楔形体，楔角为20度，来流马赫数为5.8，已经在高超音速范畴。在楔形体下方布置了一个平板，厚度为2mm，以悬臂梁支撑，在平板尾部安装了一个位移传感器。在实验过程中，楔形体会被机械机构驱动，以一定周期振动（Harmonic Oscillation），进而引起气流的周期性脉动。这个实验的目的就是观察悬臂平板在来自外部气流和激波激励下的振动。

原始视频中纹影图片的分辨率是412x412像素，总共包含518张纹影图片，可惜的是拍摄帧率并没有标记出来。我们这里要演示的就是如何分别提取出楔形体和平板振动频率。

二 · 纹影图片处理

步骤1-纹影亮度提取

为了获得物体的振动信息，我们需要把物体的边界信息显示出来。在这里我们分别提取x=30Pixel和x=330Pixel处沿高度方向的纹影亮度，然后沿时间方向将他们平铺。提取过程如下图所示。

步骤2-振动曲线提取

提取出的亮度沿时间变化云图如图3所示。选择X=30Pixel和X=330pixel这两个地方是因为他们分别代表了楔形体和平板的运动。很显然图3中标记出的黑色和红色脉动曲线分别代表楔形体和平板的振动轨迹。

根据纹影亮度提取出的振动曲线如图4所示。需要指出的是两条曲线均做了居中化处理。根据振动图线可以发现楔形体的振动（黑色）基本按照正弦曲线，其振幅逐渐减小，从开始的12Pixel减小到最后8Pixel。平板的振动（红色）振幅均小于5Pixel，振幅也略有减小。

步骤3-频谱分析

在获得振动曲线的基础上，我们可以进一步进行频谱分析，频谱计算的结果如图5所示。由于图像采集帧率未知，频谱曲线的横轴是图片的数量。从频谱曲线中我们可以发现，楔形体和平板在f=10处均有一个幅值，说明平板跟随楔形体的激励频率脉动。但是平板在f=20处出现第二个幅值，这个二阶幅值对应的脉动其实在平板的振动曲线中也可见。这个二阶频率正是科研工作者想要捕捉到的，也是这项研究的重点。

三·纹影在气弹研究中应用总结

通过UNSW的这个气动弹性的纹影视频，我们对模型的振动进行了定量化处理，成功计算出了被激励平板振动的主频和更高阶频率。由于高阶频率产生的原因较多，比如激波边界层干扰，在此就不仔细分析了。

通过高速纹影分析气动弹性问题可以量化振动，进行频谱分析。相比接触式传感器，纹影技术具有如下重要优势

• 纹影为非接触式测量，对测量无干扰；

• 避免了传感器安装，导线布置的繁琐过程；

• 一次测量可以获得全场数据，避免使用多个传感器，成本低。

希望本文帮助您在学习和研究中拓宽思路，提供线索。

参考文献：

UNSW视频原文链接：https://www.unsw.adfa.edu.au/newsroom/news/unsw-canberra-hypersonics-experiment-selected-international-workshop）