研究目的
利用自由表面合成纹影法实验演示并可视化水面波中的三波共振现象，同时避免添加添加剂以确保对水的性质影响最小。
研究成果
该研究利用FS-SS方法成功展示了水面波的三波共振现象，实验结果与理论预测高度吻合。该方法无需使用扩散剂来改变水的性质，具有可重复性且能使用市售设备实现低成本操作。未来工作可优化分辨率并考虑表面污染物因素。
研究不足
FS-SS方法由于数字互相关中采用8×8的询问窗口，导致空间分辨率降低至3.22毫米/像素。随着时间推移，水面不可避免地会受到污染物污染，这可能影响测量结果。该方法仅适用于特定波频和水槽尺寸，在较低频率下会因分辨率限制而出现偏差。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用自由表面合成纹影法（FS-SS）进行非侵入式三维波高测绘，利用表面波对随机点阵图案的透镜效应。理论模型包括重力-毛细波色散关系及三波共振条件。
2：样本选择与数据来源：
以水为介质，在特定尺寸（内部290毫米×290毫米，高度70毫米）的方形波浪水槽中进行实验。通过两个扬声器驱动的造波器激发指定频率的表面波。
3：实验设备与材料清单：
透明亚克力（厚度12.7毫米）制成的方形波浪水槽、造波桨叶（亚克力板，尺寸70毫米×100毫米，厚度6.35毫米）、照明用发光二极管、GoPro Hero 4银色相机、随机点阵图案，以及软件（PIVlab用于速度场计算，MATLAB用于数据处理）。
4：7毫米）制成的方形波浪水槽、造波桨叶（亚克力板，尺寸70毫米×100毫米，厚度35毫米）、照明用发光二极管、GoPro Hero 4银色相机、随机点阵图案，以及软件（PIVlab用于速度场计算，MATLAB用于数据处理）。 实验流程与操作步骤：
4. 实验流程与操作步骤：搭建装配造波器和点阵图案的水槽。使用GoPro相机以120帧/秒和1280×720分辨率拍摄波浪演化的俯视视频。通过PIVlab计算位移矢量场，再积分获取波高梯度并重建三维表面波形。针对指定三重频率组合进行时域与空域功率谱密度分析。
5：数据分析方法：
采用汉宁窗的Welch方法处理时域频谱，二维FFT配合汉宁窗处理空间频谱，并通过频谱积分可视化波传播方向。将结果与理论预测值进行对比验证。
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GoPro Hero 4 Silver
Hero 4 Silver
GoPro
Capturing overhead videos of wave evolution for 3D surface wave reconstruction.
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PIVlab software
Computing velocity field vectors from video data using digital particle image velocimetry.
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Acrylic wave tank
Holding water for surface wave experiments.
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Wavemaker paddles
Inducing surface waves on the air-water interface.
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Light-emitting diodes
Illuminating the wave tank from below for visualization.
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Random dot pattern
Used in FS-SS method to compute displacement vector fields from lensing effects.
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