Голография акустическая. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Голография акустическая - интерференционный метод записи, воспроизведения и преобразования звуковых полей. Методы Г. а. используются в звуковидении - получении изображений объектов с помощью акустич. волн, для получения амплитудно-фазовой структуры отражённых и рассеянных полей, измерения характеристик направленности акустич. антенн, пространственно-временнбй обработки акустич. сигналов.

Физические принципы акустической голографии. Осн. принцип Г. а. аналогичен оптич. голографии: вначале регистрируется интерференц. структура (картина) двух волн (полей), опорной и рассеянной предметом, а затем по полученной записи (акустич. голограмме) осуществляется восстановление либо изображения предмета, либо изображения рассеянного этим предметом поля на нек-ром расстоянии от него.

Так, напр., если объект в виде точечного источника звука О (рис. 1) создаёт сферич. волну U_S с длиной волны

и одновременно излучается другая, опорная волна U₀, когерентная U_S, т. е. с той же длиной волны

, то в плоскости P возникает интерференц. картина, образованная взаимодействием двух волн U_S и U₀ и имеющая вид концентрич. окружностей (зонная картина Френеля, или кольца Френеля). Это т. н. акустич. голограмма точечного источника. В оптич. голографии такую картину можно зарегистрировать только с помощью квадратичного детектора, поскольку в оптич. диапазоне длин волн линейных детекторов не существует.

Наличие в акустике как нелинейных (квадратичных) приёмников, реагирующих на интенсивность звуковой волны, так и линейных (микрофонов и гидрофонов), реагирующих на мгновенные значения звукового давления или колебат. скорости, а также относительно малая скорость распространения звука существенно отличают Г. а. от оптич. голографии как по методам регистрации и восстановления акустич. голограмм, так и по способам их практич. применения. В частности, для получения акустич. голограмм можно обойтись без опорной акустич. волны. Для линейных детекторов, позволяющих передать фазу сигнала, акустич. опорный сигнал можно заменить электрическим, к-рый суммируется с акустич. сигналом после преобразования последнего в электрический. В нек-рых схемах Г. а. можно вообще обойтись без опорной волны, если скорость регистрации акустич. поля много больше скорости звука; мгновенное распределение акустич. поля в данном случае является голограммой. Акустич. голограммы можно регистрировать, используя и некогерентное акустич. поле - т. н. методы пассивной Г. а.

Восстановление акустич. голограмм может осуществляться как оптическими, так и чисто электронными средствами. При оптич. восстановлении акустич. голограмму нужно преобразовать в эквивалентную оптич. голограмму, к-рую затем осветить когерентным светом от лазера. При электронных методах восстановления акустич. голограммы её преобразуют в последовательность электрич. сигналов, к-рые обрабатывают по нек-рому алгоритму с применением ЭВМ.

Получение и регистрация акустических голограмм. Методы получения и регистрации акустич. голограмм зависят от используемого диапазона частот и от области применения методов Г. а.

В диапазоне инфразвуковых, звуковых и низких УЗ-частот чаще всего для получения акустич. голограмм применяются электроакустические преобразователи: микрофоны, вибродатчики и гидрофоны, к-рые преобразуют звуковое давление (колебат. смещение) в эквивалентный электрич. сигнал. Поскольку для получения изображения акустич. детектор должен быть пространственным, то возможны неск. способов регистрации акустич. голограмм с помощью электроакустич. преобразователей.

Для регистрации акустич. голограммы можно использовать либо одиночный сканирующий по плоскости P приёмник звука, либо линейку приёмников, перемещаемую по плоскости. Методы с использованием одиночного приёмника или линейки приёмников более просты и доступны, однако они не обладают достаточным быстродействием, поэтому во многих случаях неприемлемы из-за наличия в среде амплитудно-фазовых флуктуации звука: если время съёма голограммы при механич. сканировании больше, чем характерное время изменения фазы сигнала, то интерференц. картина (голограмма) может быть частично или полностью разрушена, что приведёт к потере качества восстановленного изображения. Можно, наконец, использовать матрицу

приёмников, сигналы с к-рых опрашиваются электронным образом, напр. с помощью электронного коммутатора. Такая двумерная матрица звукоприёмников обеспечивает наиб. быстродействие.

Рис. 1. Принцип получения акустической голограммы точечного источника.

Способы дальнейшего преобразования принятых электрич. сигналов определяются способом восстановления акустич. голограмм. При оптич. восстановлении эти сигналы необходимо преобразовать либо в эквивалентную оптич. прозрачность для получения амплитудной голограммы, либо в эквивалентное изменение показателя преломления к--л. оптич. среды для получения фазовой оптич. голограммы.

В методах с механич. сканированием часто используется синхронное перемещение приёмника звука и точечного источника света (лампочки или луча электронно-лучевой трубки), яркость к-рого управляется электрич. сигналом, полученным от приёмника звука. Регистрация распределения яркости осуществляется обычно на фотопластинке, к-рая после экспозиции и хим. обработки и является эквивалентной оптич. амплитудной голограммой.

Для повышения быстродействия и лучшего использования светового потока применяют другие способы, основанные на использовании электрооптич., магнитооптич. и термопластич. материалов, наз. пространственно-временными модуляторами света. В устройстве, с использованием одного из таких модуляторов на основе электрооптич. кристалла ДКДП (рис. 2), имеется двумерная решётка звукоприёмников, сигналы с к-рых, последовательно опрошенные электронным образом, управляют лучом спец. электронно-лучевой трубки, экран к-рой выполнен из электрооптич. материала. Попадание электронного луча на к--л. место экрана вызывает локальное изменение показателя преломления материала экрана. После электронного сканирования структура экрана представляет собой фазовую оптическую голограмму, восстановление к-рой может осуществляться в проходящем или отражённом когерентном свете.

Рис. 2. Получение акустических голографических изображений с помощью матричного приёмника: 1 - объект; 2 - излучатель; S - задающий генератор; 4 - устройство формирования сигнала голограммы; 5 - двумерная решётка приёмников; 6 - пространственно-временной модулятор света на основе ДКДП; 7 - лазер и коллиматор; 8-проекционное оптическое устройство; 9 - видеокон; 10 - TV-монитор.

При использовании электронных методов восстановления, как правило цифровых, электрич. сигналы с приёмников звука преобразуются в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (рис. 3) и поступают в оперативное запоминающее устройство ЭВМ. Затем сформированный массив данных подвергается обработке по алгоритму Фурье - Френеля и восстановленное изображение выводится на полутоновой дисплей.

Рис. 3. Цифровой метод восстановления акустической голограммы: 1 - излучатель; 2 - двумерная решётка приёмников; 3 - задающий генератор; 4 - объект; 5 - устройство формирования сигнала голограмм; 6 - аналого-цифровой преобразователь; 7 - оперативное запоминающее устройство; 8 - спецпроцессор (процессор); 9 - дисплей.

В диапазоне высоких УЗ-частот для получения и регистрации акустич. голограмм используются разнообразные методы визуализации звуковых полей, а их восстановление в подавляющем большинстве случаев осуществляется оптич. способами. Наиб. распространение в Г. а. получили методы, основанные на пондеромоторных эффектах,- деформации поверхности раздела двух сред, изменения ориентации частиц в звуковом поле и т. д. Наиб. часто используется метод поверхностного рельефа, основанный на способности жидкости деформироваться под воздействием радиац. давления (рис. 4). В этом методе два расходящихся пучка УЗ-волн (один - опорный, а другой - рассеянный предметом) пересекаются на свободной поверхности жидкости и деформируют её, образуя поверхностную стоячую волну. Возникающая при этом картина ряби на поверхности является аналогом фазовой оптич. голограммы. Если на неё направить когерентное оптич. излучение под нек-рым углом, то в отражённых световых волнах можно получить восстановленное изображение предмета. Метод поверхностного рельефа имеет множество модификаций; в частности, для устранения влияния паразитных вибраций на поверхность раздела накладывают прозрачную термопластич. плёнку, толщина к-рой изменяется в зависимости от величины радиац. давления и созданного им локального разогрева термопластич. материала.

Рис. 4. Метод поверхностного рельефа: 1 и 2 - излучатели; 3 - объект; 4 - поверхность раздела жидкость - газ; 5 - луч лазера; 6 - проекционная оптика; 7 - восстановленное изображение; 8 - генератор.

Для получения акустич. голограмм в диапазоне высоких УЗ-частот начинают применяться нематич. и холестерич. жидкие кристаллы .Один из используемых в них для этой цели эффектов состоит в том, что под воздействием УЗ нарушается первоначальная ориентация молекул, что приводит к локальному увеличению рассеяния света, освещающего этот кристалл, и на нём формируется голограмма.

Качество акустических топографических изображений. Качество акустич. голограмм и восстановленных по ним изображений зависит от большого числа факторов. К ним относятся: чувствительность акустич. гологра-фич. системы, угловое разрешение, разрешение по глубине (по продольной координате), наличие геом. и частотных искажений. Чувствительность

- мин. (пороговое) звуковое давление, воспринимаемое приёмной частью голографич. системы; обычно выражается в единицах

. У лучших голографич. систем

. Угловое разрешение

- мин. угловое расстояние между двумя точечными источниками, различаемыми раздельно на голограмме; зависит от волнового размера приёмной апертуры акустич. голограммы (отношения геом. размера к длине волны) и определяется, как и в оптике, выражением

, где

- длина волны звука, D - линейный размер приемной апертуры.

Важным параметром, характеризующим качество акустич. голограмм, является точность измерения угловою параметра

, где

- функция, зависящая от выходного отношения сигнал/шум (по энергии); конкретный вид функции f зависит от алгоритма обработки и статистич. характеристик сигнала и шума (напр., для гауссовых помех эта функция равна корню из энергетич. отношения сигнал/шум).

Линейное разрешение по поперечным координатам

- мин. расстояние по соответствующим координатам между двумя точечными источниками, различаемыми на голограмме; выражается соотношениями

, где R-расстояние от объекта до плоскости регистрации акустич. голограммы, D_x, D_y-линейные размеры апертуры голограммы, в общем случае

. Разрешающая способность по глубине

- мин. расстояние в продольном направлении объект - плоскость регистрации между двумя точечными источниками, различаемыми на голограмме; она равна

При оптич. методах восстановления акустич. голограмм возникают масштабные искажения в восстановленном изображении. Если запись акустич. голограммы осуществляется на длине волны звука

, а восстановление - на длине волны света

, то неискажённое изображение можно получить только в том случае, когда перед восстановлением оптич. голограмма уменьшена точно в

раз. Как правило, это осуществить невозможно из-за очень больших величин

(напр.,

= 1-2 см,

=0,63 мкм,

=3*10⁷), поэтому голограмму уменьшают не в

раз, а в

, где т

1. При этом поперечные размеры восстанавливаемого объекта изменяются в

раз, а продольные - в

раз, т. е. изображение предмета оказывается сильно сжатым по продольной координате, поэтому пока не удается получить неискажённое объёмное (трёхмерное) акустич. изображение. По этой же причине для получения разрешения по глубине (т. е. по дальности объектов) обычно прибегают к импульсному режиму работы излучателя. В этом режиме регистрируют акустич. голограммы разл. сечений предмета по глубине, а затем, используя томографич. методы, по восстановленным изображениям сечений предмета воссоздают его трёхмерное изображение. Такую обработку, как правило, выполняют на ЭВМ.

Перечисленные факторы, влияющие на качество акустич. голограмм и изображений, достаточно полно характеризуют гл. обр. техн. возможности самой голографич. системы, но не акустич. изображение. Дело в в том, что оптич. и акустич. изображения одного и того же предмета могут существенно отличаться друг от друга, поскольку механизмы взаимодействия звуковых и световых волн с веществом могут быть совершенно различными. Предмет может идеально отражать световые волны, но полностью поглощать акустические, и наоборот. На этом различии основано действие акустич. голографич. микроскопов, предназначенных для исследования структуры клеток, к-рые без введения контрастной жидкости прозрачны для световых волн, но хорошо поглощают УЗ-колебания.

Качество собственно акустич. изображений существенно зависит от механизма взаимодействия звука (УЗ) с веществом. С точки зрения указанных количеств. параметров звуковые изображения всегда "хуже" оптических, поскольку волновые размеры акустич. голограмм имеют порядок не более (100-1000), а в оптич. случае волновые размеры голограмм легко могут быть доведены до 10⁵-10⁶ (напр., фотопластинка размером 240*240 мм² при

=0,63 мкм имеет волновой размер 4*10⁵). Для того чтобы частично обойти эту трудность и получить изображение удовлетворит. качества, в Г. а. используют спец. приёмы, напр. многочастотное излучение, облучение предмета со многих сторон, накопление изображений.

Пассивная акустическая голография. Г. а. может быть использована не только для получения изображений предметов путём их облучения когерентной звуковой волной, но и для получения сведений о расположении "самозвучащих" объектов и их частотных спектрах; эти методы наз. методами пассивной Г. а., поскольку в этом случае акустич. голограмма регистрируется с помощью звуковых волн, к-рые излучает сам объект. Такими излучателями могут быть разл. механизмы, объекты живой природы, разнообразные подводные объекты и т. п. Одним из часто используемых является метод пассивной широкополосной Г. а. (рис. 5), при к-ром электрич. сигналы с электроакустич. преобразователей приёмной линейной системы 2 записываются в виде функций времени на фотоплёнке 4 или термопластике (возможно также использование любого пространственно-временного модулятора света). Полученная запись сигналов преобразуется затем в обычной оптич. схеме восстановления акустич. голограммы. Восстановленным на выходе изображением в этом случае является пространственно-частотный спектр излучаемых объектом сигналов.

Рис. 5. Устройство для записи в восстановления пассивных акустических голограмм. 1 - шумящий объект, 2 - приемная линейная апертура; 3 - многоэлементная светодиодная матрица, преобразующая звуковое давление в оптический сигнал; 4 - фотоплёнка, S - преобразующая оптика; 6 - плоскость восстановления и наблюдения, 7 - луч лазера; v - скорость протяжки плёнки.

Применение акустической голографии. На инфразвуковых и низких звуковых частотах методами Г. а. можно получить информацию о структуре земной коры, о подстилающей дно океана поверхности, выявить наличие крупномасштабных неоднородностей в естественных средах. В диапазоне звуковых и низких УЗ-волн методы Г. а. применяются в подводном звуковидении, бесконтактной диагностике машин и механизмов по собственному шумоизлучению, при изучении полей разл. колебат. конструкций и т. п. В диапазоне высоких УЗ-частот Г. а. используется для получения акустич. изображений в самых разл. областях науки и техники, напр. в микроскопии акустической для биол. исследований, в устройствах медицинской диагностики для получения информации о строении внутр. органов, в дефектоскопии для получения изображений внутр. дефектов материалов.

Литература по акустической голографии

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.