Звуковидение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Звуковидение - получение оптически видимых изображений предметов с помощью акустич. волн. В зависимости от назначения и используемого диапазона частот применяют устройства 3., основанные на след. принципах. Линзовое 3., при к-ром для построения акустич. изображения предмета используется звуковая оптика (линзы акустические). Предмет 3 "освещается" звуковым полем от излучателя 2 (рис. 1), а акустич. линза 4 создаёт звуковое изображение предмета в нек-рой плоскости, где устанавливается пространств. детектор 5, преобразующий распределение поля давлений либо непосредственно в оптич. изображение, либо в электрич. сигнал с последующим преобразованием в оптич. изображение.

Рис. 1. Принцип линзового звуковидения: 1 - УЗ-генератор; 2 - излучатель; 3 - предмет; 4 - акустическая линза (объектив); 5 - акустический пространственный детектор с электрическим или оптическим преобразованием сигнала.

Рис. 2. Принцип голографического звуковидения: 1 - УЗ-генератор; 2, 3 - излучатели; 4 - предмет; 5 - акустический пространственный детектор.

Голографическое 3. использует принцип голографии (рис. 2) и не нуждается в звуковой оптике. Помимо рассеянного предметом поля р' на плоскость пространств. детектора 5 направляется т. н. опорная звуковая волна р₀. Возникающая интерференц. картина стоячих волн (акустич. голограмма) регистрируется пространств. детектором. Восстанавливается изображение предмета либо методами с использованием когерентного света, либо электронными методами, обычно цифровыми (см. Голография акустическая). Локационное Звуковидение основано на принципах эхолокации и заключается в том, что излучающее устройство (часто оно же и приёмное) "освещает" предмет узким звуковым лучом, сканирующим по пространству в одной или двух плоскостях. Изображение предмета строится по отражённым от него сигналам последовательно, в соответствии с выбранным законом сканирования. Обычно используется импульсное облучение предмета, к-рое даёт возможность разрешения по продольной координате (дальности). Для преобразования пространств. распределения давления в звуковом поле в видимое оптич. изображение используются разнообразные методы визуализации звуковых полей, осуществляющие либо непосредственное акустооптич. преобразование, либо с промежуточным преобразованием акустич. сигналов в электрические и далее в оптические.

Рис. 3. Схема линзового звуковиденип с электронным сканированием: 1 - УЗ-генератор; 2 - излучатель; 3 - предмет; 4 - акустическая линза (объектив); 5 - мозаика пьезоэлектрических преобразователей; 6 - электронный коммутатор; 7 - электронно-лучевая трубка.

Для акустооптич. преобразования широко применяются методы поверхностного рельефа, а в последнее время - жидкокристаллич. преобразователи. Акустооптич. эффект в жидких кристаллах основан на способности их молекул изменять заданную ориентацию под воздействием УЗ-поля. Изменение ориентации молекул вызывает либо поглощение проходящего света, либо его рассеяние (при работе на отражение), благодаря чему и получается видимое изображение предмета. Наиб. применение в 3. получили методы визуализации, основанные па промежуточном преобразовании акустич. сигналов в электрические с помощью пьезоэлектрич. датчиков, поскольку эти методы обладают самой высокой чувствительностью. Такое преобразование используется в линзовом и локац. звуковидение (рис. 3), для чего в плоскости формирования акустич. изображения устанавливается двумерная матрица пьезоэлектрических преобразователей; сигналы с них считываются с помощью электронного коммутатора и подаются на модулятор, управляющий яркостью луча электроннолучевой трубки, сканирование к-рого по экрану осуществляется синхронно с работой коммутатора. Этот же принцип используется и в голографич. 3. с оптич. восстановлением голограмм, с тем отличием, что сигналы с электронного коммутатора подаются на пространственно-временной модулятор когерентного света и управляют либо его локальным коэф. поглощения, либо коэф. преломления. При этом модулятор выполняет роль оптич. голограммы, восстановление изображения но к-рой происходит с помощью когерентного света (рис. 4). В основе теоретич. описания всех принципов 3. лежит аналитич. зависимость между полем источника и(х)и полем и(х')на нек-ром расстоянии R от него (интеграл Кирхгофа). При R>>l и D>>l (где l - длина волны звука, D - входная апертура) поле и(х)и поле и(х')связаны соотношением (преобразование Френеля):

где х₁ и x₂ - область существования и(х). При R>> D²/l. это соотношение переходит в преобразование Фурье:

Эти соотношения лежат в основе всех принципов 3., и в частности в методе цифрового восстановления изображений, где для ускорения вычислений используются алгоритмы быстрого Фурье преобразования. Качество звуковых изображений в 3. зависит от характера взаимодействия звуковых волн с предметом, от размеров входных апертур D и используемых длин волн l. В общем случае длины УЗ-волн, используемых в звуковидении, гораздо больше, чем длины оптпч. волн. и поэтому акустич. изображение предметов будет более "грубым" и содержать гораздо меньше мелких деталей, чем оптическое. Для устранения эффекта бликовой структуры в звуковидении используют широкополосное излучение (аналог белого света) и освещение предмета со многих ракурсов (аналог диффузного освещения в фотографии).

Рис. 4. Схема голографического звуковидения с оптическим восстановлением изображения; 1 - УЗ-генератор; 2,3 - излучатели; 4 - предмет; 5 - набор пьезопреобразователей; 6 - коммутатор; 7 - пространственно-временной модулятор света с электронным управлением; 8 - световой поток от лазера; 9 - проекционная оптич. система; 10 - плоскость наблюдения.

Разрешающая способность в звуковидении по поперечной координате dх зависит от волновых размеров В приёмных пространств. детекторов и определяется по ф-ле: dx=lR/D = R/B, где R - расстояние _до{до} предмета, B=D/l. Разрешение тем лучше, т. е. dх тем меньше, чем больше В. В практич. 3. величина B~300-400 (в то время как в оптике B~10⁴-10⁵ и более). По этой причине линзовое 3. имеет огранич. применение, т. к. звуковые линзы больших волновых размеров тяжелы, громоздки и вызывают большое затухание УЗ. Разрешение по продольной координате (глубине, дальности) dR также зависит от волновых размеров и расстояния: dR=lR²/D²=R²/BD. Оно ухудшается пропорц. квадрату расстояния, поэтому измерение продольных координат осуществляется обычно на расстояниях порядка R~D, т. е. в непосредств. близости от плоскости приёма. В тех ситуациях, когда объект расположен на расстоянии R>>D, прибегают к импульсному облучению, и в этом случае разрешение по дальности (глубина) тем лучше, чем короче длительность сигнала, а при излучении широкополосных сигналов - чем шире полоса излучаемых частот. Диапазон частот, применяемых в 3., весьма широк, и соответственно разные системы звуковидения могут существенно различаться по разрешающей способности (табл.). В зависимости от частоты и области применения в 3. используют разл. типы приёмных п излучающих антенн. На частотах 0,1-2 МГц обычно применяют пьезоэлектрич. керамич. приёмники и излучатели (последние с электронным управлениом характеристикой направленности). В системе подводного 3. на частотах единиц и десятков кГц пользуются наряду с пьезокерамич. излучателями магнитострикционными. В сейсмич. голографии в качестве излучателей используют вибраторы, пневматич, излучатели и просто взрывы, а в качестве приёмников - гидрофоны и геофоны. Характеристики систем звуковидения

3. применяется в океанологии для получения изображений морского дна и природных структур, поиска затонувших предметов, обеспечения подводной навигации, осмотра подводных сооружений и др. В дефектоскопии 3вуковидение используется при УЗ-контроле для обнаружения скрытых дефектов в разл. материалах и конструкциях (раковины, трещины, инородные включения и др.). В медицине оно применяется для получения информации о структуре внутр. органов (сердца, печени, почек), сосудов и др. благодаря тому, что УЗ хорошо поглощается мягкими тканями, в отличие от рентг. излучения, и практически безопасен для пациента.

Литература по звуковидению

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.