Акустическая голография

пучок используется в сочетании с линейным приемником. При этом, если квадратичный приемник звука осуществляет одновременно прием колебаний, их детектирование (усреднение по времени с выделением низкочастотной составляющей сигнала), то линейный приемник осуществляет лишь их прием. Таким образом, выбор того или иного типа приемника в акустической голографии определяет и возможную последовательность операций при голографировании. В одном случае (квадратичный приемник) требуется сначала сложить опорную и рассеянную объектом волну, а затем зарегистрировать результат их интерференции; для линейного приемника звука порядок операций может быть либо таким же, либо иным. Можно сначала зарегистрировать рассеянную объектом волну, и уже после этого сложить ее с опорной. Благодаря этому обстоятельству реальный опорный акустический пучок можно заменить соответствующим образом преобразованным сигналом в электромагнитных цепях после приема объектной волны.

Пусть акустическая голограмма регистрируется путем постоянного сканирования точечным линейным приемником 1 в некоторой плоскости 2 (рис.3), тогда выходное напряжение на приемнике , пропорционально потенциалу рассеянного объектом 3 поля .

~

где и - амплитуда и фаза рассеянной объектом волны, - угловая частота колебаний , и - векторные координаты объекта и голограммы с началом в точке соответственно.

Опорная волна может быть также представлена в виде электрического сигнала:

~

где и - амплитуда и фаза опорной волны, , - векторная координата опорного источника.

Если в качестве опорной используется плоская монохроматическая волна, падающая под углом к оси Х, вдоль которой производится сканирование, то формула * примет простой вид:

**

где , - длина волны, - некоторая начальная фаза колебаний, а , где - скорость сканирования вдоль оси Х.

Таким образом, как следует из выражения **, для электрической имитации плоской опорной волны, падающей под углом к плоскости сканирования, необходимо создать сигнал, частота которого будет отличаться от первоначального на величину:

.

При этом, в результате сложения полученного таким образом электрического сигнала с приемника будет достигаться полный эффект интерференции предметной и опорной акустических волн.

Следовательно, для электрической имитации сферической опорной волны необходимо либо изменить скорость сканирования пропорционально координатам Х и Y, либо, что более удобно, слегка «качать» частоту колебаний по отношению к первоначальной, в зависимости от положения фиктивного волнового фронта.

Следует упомянуть и такой способ имитации опорной волны, как поворот плоскости голограммы на некоторый угол по отношению нормали к объекту, предложенный в работе. Такой поворот плоскости регистрации означает просто изменение ракурса объекта, при котором первоначально голографируемым *** объекта (до поворота) соответствуют более высокие пространственные частоты. При этом в качестве опорного сигнала используется неизменная частота от генератора, используемого для возбуждения излучателей.

Электрическое сложение соответствующих сигналов исключает необходимость иметь реальный акустический опорный источник, в качестве опорного сигнала можно использовать и соответственно измененный сигнал от генератора, питающего облучающий объект преобразователь. На выходе суммирующего усилителя в результате интерференции электрических сигналов появится электрически созданный образ акустического поля.

Другая интересная особенность акустической голографии – возможность получения голограмм с помощью неподвижного точечного приемника при непрерывном облучении исследуемого объекта точечным излучателем, а также возможность синтезирования голограмм посредством сканирования излучателем. Эти свойства являются проявлением более общего принципа – принципа взаимности, справедливого для любой линейной системы. Согласно этому принципу, величина воздействия на любой элемент линейной системы не изменятся, если в системе произвести замену этого элемента источником энергии. В данном случае это свойство позволяет заменить точечный сканирующий приемник точечным сканирующим излучателем, и, таким образом, регистрировать голограмму в единственной точке при непрерывном облучении объекта движущимся точечным излучателем; полученная подобным методом голограмма не будет отличаться от голограммы, полученной обычным методом сканирования.

Анализ показывает, что сигнал на приемнике инвариантен к замене точечного приемника точечным излучателем. Необычность регистрации голограммы со сканирующим излучателем состоит в том, что получаемая голограмма представляет собой результат интерференции непрерывно изменяющихся волновых фронтов, ни в один из моментов времени не совпадающих с реальным волновым фронтом, который имел бы место при облучении объекта неподвижным излучателем.

Рассмотренное свойство позволяет до некоторой степени обойти трудности, возникающие из-за отсутствия акустических приемников с большим числом элементов разрешения путем регистрации голограмм в одной точке и облучения объекта движущимся излучателем (или группой сфазированных между собой излучателей).

Следует отметить еще одну особенность акустической голографии, являющуюся следствием сравнительно малой скорости распространения звука. Имея в своем распоряжении малоинерционный линейный приемник звука, можно вообще отказаться от опорного пучка (реального или имитированного), поскольку в этом случае каждый момент времени регистрируется мгновенная картина – мгновенная «фотография» акустического поля. В отличие от интерферометрического метода фаза объектной волны регистрируется не по отношению к фазе опорной волны, а по отношению к некоторому определенному моменту времени - моменту времени регистрации. Полученная картина поля представляет собой так называемую голограмму «с временным репером».

Применении акустической голографии.

Исследование строения Земли – одно из самых первых практических применений звуковых волн для изучения внутреннего устройства оптически непрозрачных объектов. Голографические методы при изучении недр Земли призваны расшифровать картину отраженных сейсмических волн, поэтому за ними укрепляется название «сейсмической голографии».

Основная задача – построение изображения объектов в сложных случаях. Однако она используется и в более простых ситуациях для определения плоской границы при малом коэффициенте отражения, когда акустические свойства соприкасающихся пород сравнительно мало различаются. В этом случае наилучшие результаты получаются при восстановлении изображения с помощью ЭВМ.

Для получения изображения объекта с шероховатой поверхностью разработан метод, который получил название Д-преобразования или «импульсной голографии».

Акустическая голография находит применение в технической дефектоскопии. Один из способов получения голографического изображения заключается в помещении исследуемого объекта и двух источников акустических сигналов, основного и опорного, в ванну с жидкостью. На поверхности которой получают акустическую голографическую картину.

Восстанавливают изображения объекта с помощью подсветки пучком когерентных звуковых волн лазера. К сожалению из-за большой разницы в длинах волн имеющих место при голографировании и восстановлении, изображение будет фокусироваться на большом удалении. Зрительный инструмент должен иметь телескопическую приставку.

Более перспективным является способ восстановления изображения с голограмм с помощью ЭВМ.

При комбинированном способе сканирования, используются механическое перемещение и электрическая коммутация группы приемных элементов, расположенных линейно. Все параметры акустических полей вводятся в ЭВМ построчно.

Наиболее широко методы акустической голографии используются для целей медицинской ультразвуковой диагностики: визуализация кровеносных сосудов, злокачественных образований, получения изображения внутренних органов. Голографические методы позволяют получить информацию о внутриутробном развитии человека.

Для биологических исследований выпускаются голографические ультразвуковые микроскопы с разрешением ~ 10-15 мкм.

Методы акустической голографии находят применение в гидролокации.

Примером может служить система, содержащая приемную антену из десяти приемных элементов с электронной коммутацией, с записью голограмм на электронно-лучевой трубке, обладающей мишенью из электрооптического кристалла. Быстродействие такой системы – 16 кадров в секунду, угловое разрешение – несколько минут.

Методы акустической голографии используются и для решения различных задач пространственно-временной обработки гидроакустической информации, в частности для формирования характеристик направленности, корреляционного и спектрального анализа, согласованной фильтрации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тюлин В.Н. «Введение в теорию излучателя и рассеяния звука»

2. Свердлин Г.М. «Прикладная гидроакустика»

3. Гик Л.Д. «Акустическая голография»

4. Ультразвук / под редакцией Голямина И.П.