Development of an innovative laser velocimetry without tracer particles and its application for various flow fields

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K18820
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 早川 晃弘 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (90709156)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2022-03-31
• Keywords: LITGS / 流速計測 / ヘテロダイン検出 / ドップラーシフト

Outline of Annual Research Achievements

２０２１年度は，LITGSによる流速計測において生じる信号光の微小な周波数変調を計測するために，継続してヘテロダイン検出系の構築と実証を実施した．
まず，２０２０年度に構築したアセトン蒸気を噴射する実験装置に対して，レーザー線幅の狭いアルゴンイオンレーザーをプローブレーザーとして採用したLITGS光学系を構築して流速計測を行った．噴流速度が200 m/sにおいて信号を取得し，その解析を行った．
次に，この噴流実験によって得られた信号の確からしさを検証するために，任意の周波数変調を与え，それをヘテロダイン検出によって確認ができるような光学系を構築した．すなわち，音響光学変調器（AOM）を新たに導入し，これによる周波数シフトをヘテロダイン検出系で検出することを試みた．流速計測時に予想されるドップラーシフトと同程度のオーダーである20 MHzの周波数変調をかけて検討を行ったが，このAOMによる周波数変調を本研究で構築したヘテロダイン検出系では計測できなかった．この原因として，ヘテロダイン検出系の構築が不十分である事が挙げられる．例えばわずかな光路差によって周波数のビートが明確に現れなかった可能性が考えられる．高精度流速計測を行うためには更なる光学系の高度化が必要であることが明らかとなった．
さらに，信号処理方法を高度化するために，信号強度のピーク同士の間隔から振動周期を介して信号の振動周波数を求める方法とFFT法とを比較して，解析手法よる信号の振動周波数の評価結果の違いなどについて検討を行った．