爆炸衝擊波的傳播速度，快則超過聲速十倍以上——普通相機什麼都拍不到，只有一閃而過的光和煙霧。要真正「看見」衝擊波的結構與傳播路徑，必須依靠數萬甚至數十萬幀每秒的高速攝影機，搭配微秒等級的精準觸發。以下整理東茂在協助台灣研究機構建立爆炸測試系統時積累的實務經驗。
爆炸衝擊波的物理特性
爆炸產生的衝擊波（Shock Wave）不是普通音波，而是介質被急速壓縮後形成的不連續壓力前緣。其物理特性依爆炸當量、距離與介質密度而有顯著差異：
- 近端自由場（距爆炸源 1 公尺以內）：超壓峰值可達數十至數百大氣壓，波速遠超聲速，達 2,000–8,000 m/s
- 中遠端（5–50 公尺）：衝擊波逐漸衰減並趨近聲速（約 340 m/s），超壓也進入可量測範圍
- 爆轟波（Detonation Wave）：炸藥內部反應前緣的傳播速度為 6,000–8,500 m/s，是最難被捕捉的對象
這些速度直接決定了拍攝所需的幀率。以 1 mm 空間解析度目標為例，要追蹤 340 m/s 的衝擊波前緣移動，每幀的時間解析度必須在 3 微秒（μs）以內，換算幀率就是 340,000 fps 以上。高速攝影在爆炸研究中不是輔助工具，而是基礎量測手段。
拍攝爆炸衝擊波需要多少 fps？
| 場景 | 典型速度 | 建議幀率 | 建議曝光時間 |
|---|---|---|---|
| 爆炸火焰前緣與初期燃燒 | 50–300 m/s | 10,000–50,000 fps | 2–10 μs |
| 空氣中衝擊波傳播（中遠端） | 340–1,500 m/s | 100,000–500,000 fps | <1 μs |
| 防護材料衝擊變形 | 10–100 m/s | 5,000–30,000 fps | 5–50 μs |
| 彈道試驗（子彈／破片飛散） | 300–1,800 m/s | 100,000+ fps | <1 μs |
| 爆破工程岩石破碎 | 1–50 m/s | 2,000–10,000 fps | 20–100 μs |
選型時，幀率只是其中一個維度。感光元件的動態範圍（爆炸現場光差極大）、觸發延遲的準確度、以及低光環境下的感光能力，同樣是關鍵考量。
Schlieren 紋影 + 高速攝影的搭配優勢
在純可見光環境下，空氣中的衝擊波是透明的——一般相機根本看不到。Schlieren 紋影光學系統正是為了解決這個問題而存在。Schlieren 系統利用氣體密度梯度對光線折射率的影響，將空氣中的密度變化轉換為可見的明暗對比。衝擊波通過時，兩側的密度突變使光路產生偏折，在影像上形成清晰的邊界線條，也就是衝擊波的「光學影子」。
- 可視化衝擊波結構：衝擊波前緣、反射波、馬赫莖（Mach Stem）等細節均可清晰呈現
- 非接觸量測：不干擾流場，補充壓力感測器點量測的不足
- 直接計算波速：從連續幀的衝擊波位移可推算實際傳播速度，無需額外量測儀器
東茂推薦機型
DITECT HAS-EX（超高速首選）：全解析度下可達 40,000 fps，是東茂代理機型中幀率最高的選項，適合爆炸火焰前緣、防護材料衝擊測試、Schlieren 紋影搭配應用。日本 DITECT 製造，觸發與同步介面完整。降解析度後幀率可大幅提升，滿足更極端的高速需求。
DITECT HAS-D71（工作型選項）：VGA 解析度下可達 8,000 fps，適合爆破工程現場或預算有限的實驗室，用於拍攝岩石破碎、防護構件變形等速度相對較慢的爆炸相關現象。
Mega Speed MS180K V2（加拿大製）：現行型號（前型號 MS160K 已停產 EOL）。高靈敏度感光元件在低光或戶外環境下表現突出，適合需要機動性的爆破工程現場或遠距拍攝需求。搭配長觸發線纜與防護掩體，是現場爆破測試的實用選項。
安全距離與觸發同步要點
爆炸高速攝影最特殊的挑戰，不只是「相機要多快」，而是「相機要放哪裡、什麼時候開始錄」。
安全距離規劃
- 現場測試中，相機通常放置在防爆掩體後方，透過觀測口或防彈玻璃進行拍攝
- 需搭配長焦鏡頭（100–400 mm 或以上）以在安全距離下維持足夠的畫面放大率
- 觸發控制線纜需足夠長（通常 30–100 公尺以上），使操控端遠離危險區
觸發同步方式
- 電氣觸發（雷管同步）：從起爆電路引出同步信號，延遲可精確計算，是現場應用中最常用的方式
- 壓力感測器觸發：在爆炸源附近放置壓電感測器，偵測到衝擊波後立即送出 TTL 觸發信號
- Pre-trigger Buffer（預錄緩衝）：高速攝影機持續循環錄製，觸發後保留觸發前 N 幀的影像。在爆炸測試中非常關鍵，確保觸發延遲不會讓你錯過事件開頭
台灣爆炸衝擊波研究與應用
國防與安全研究：相關國防研究機構在彈藥效能評估、爆炸防護、裝甲材料測試等領域有長期需求。這類應用對設備的穩定性與可重複性要求高，通常需要完整的觸發整合方案與現場技術支援。
學術研究（成大航太、中央、台大）：成功大學航太系在超音速氣動力學與衝擊波研究方面有多年積累，Schlieren 紋影高速攝影是標準實驗配備。中央大學與台大機械、材料等系所也有縮尺模型衝擊波傳播的研究需求，關注點包含衝擊波與結構物的交互作用。
工研院與爆破工程應用：工研院在新型防爆材料開發中，使用高速攝影觀察材料在衝擊荷載下的變形破壞過程。爆破工程方面（礦山、隧道、拆除），高速攝影用於分析炸藥能量分佈與岩石破碎效率，協助優化裝藥設計，提高施工安全性。
煙火與火工品測試：台灣煙火製造業有燃燒速率、噴射角度、火工品解序動作等測試需求。這類應用幀率要求相對較低（1,000–10,000 fps），但對觸發可靠性的要求同樣高，不容許漏拍。
常見問題 FAQ
DITECT HAS-EX 能直接拍到空氣中的衝擊波嗎？
單靠可見光是無法看到空氣中衝擊波的。HAS-EX 必須搭配 Schlieren 紋影系統或 Shadowgraph 背景光學配置，才能將衝擊波的密度梯度差異轉換為可見影像。若是觀察爆炸火焰、碎片飛散等本身有發光或實體的現象，則可以直接拍攝，不需要額外光學系統。
爆炸現場的強烈閃光會讓高速攝影機過曝嗎？
這是爆炸高速攝影最常見的問題之一。處理方式包含：縮短曝光時間、加裝 ND 減光濾鏡、縮小光圈，以及選用動態範圍較大的感光元件。部分場合也採用窄頻帶濾光片，只通過特定波長的光，以排除寬頻強光對畫面的干擾。
觸發延遲多長才算夠用？
只要相機的 Pre-trigger Buffer 設定足夠長，觸發延遲本身不是絕對限制。實務上，大多數測試將觸發延遲控制在 1 ms 以內，Pre-trigger 設為總錄製時間的 20–50%，以確保事件開頭不被遺漏。
Mega Speed MS180K V2 適合戶外爆破工程現場使用嗎？
MS180K V2 的高靈敏度感光元件在戶外自然光下拍攝爆破岩石破碎（速度相對較低）是可行的。戶外使用時需搭配防護箱或掩體保護機體，並規劃足夠長的觸發線纜。建議在選型前先說明現場環境與測試條件，讓我們提供完整的系統配置建議。
一台高速攝影機可以同時用於 Schlieren 紋影和一般爆炸拍攝兩種模式嗎？
可以。同一台相機可在不同光學配置下切換使用。Schlieren 系統的主要額外投資是光學元件（大口徑反射鏡、點光源、刀口遮光板），而非相機本身。如果實驗室同時需要兩種拍攝模式，一台高速相機搭配可拆卸的 Schlieren 光路，在預算效益上遠優於購置兩套獨立系統。
需要爆炸衝擊波高速攝影系統評估？
東茂儀器代理 DITECT、Mega Speed 等品牌，提供機型選型、觸發整合與 Schlieren 紋影光學配置諮詢。請直接聯繫我們，說明您的測試場景與需求。
電話：04-8857599 | Email：service@hsc.tw
作者：陳聖鑫 Alex Chen
東茂儀器科技有限公司｜業務窗口
10 年高速攝影機產業經驗，代理 AOS Technologies（瑞士）、SinceVision SSZN（中國）、DITECT（日本）、Mega Speed（加拿大）四大品牌，服務台灣半導體、汽車測試、學術研究客戶。