Акустическая голография

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 17:19, 14 ноября 2016.


Акустическая голография – интерференционный способ получения изображения с помощью акустических волн, формально во многом аналогичный оптической и радиоголографии. Ряд особенностей акустической голографии заставляет рассматривать ее отдельно от оптической и радиоголографии.

Акустическая голография

По сравнению с другими известных способами получения звуковых изображений акустическая голография не требует применения специальных устройств для формирования акустических линз, зонных пластинок и т.д., дает принципиальную возможность получать объемные изображения предметов.

Основной принцип получения акустических голографических изображений аналогичен оптической голографии: сначала регистрируется картина, полученная в результате интерференции двух звуковых волн – рассеянной предметом и опорной, а затем по полученной записи – акустической голограмме – восстанавливается либо исходное изображение, либо структура рассеянного этим предметом поля на некотором расстоянии от него.

Рис. 1.1. Голографирование точечного объекта

В акустической голографии особенно в ультразвуковом диапазоне частот, восстановление исходного поля по акустической голограмме обычно производится с помощью когерентного света подобно тому, как восстанавливается оптическая голограмма. Для того, чтобы оптически восстановить голограмму, ее надо сделать видной. Оптическое изображение акустической голограммы может быть зафиксирована на фотопленке или с помощью фазовооптического регистратора и затем восстановлено в когерентном свете. Голографический метод, обладая целым рядом особых преимуществ, таких как трехмерность восстановленного изображения, высокая помехоустойчивость, возможность апостериорной обработки сигналов. Рассмотрим, как осуществляется голографирование точечного объекта А (см. рис.1.1).

Кратчайший путь от этой точки до плоскости голограммы определяется перпендикуляром Примем в точке угловое значение фазу нулевым. По мере удаления от точки до точки , путь световой волны будет удлиняться на величину Если удаление значительно меньше расстояния до голограммы , то Это означает, что приращение расстояния до соответствующей точки голограммы от излучателя, а значит и изменение фазы сигнала на голограмме становится более резким по мере удаления от точки .

Рис. 1.3

Габор предложил помимо основного луча пучка световых лучей, падающих на голограмму от предмета (этот пучок в оптической и радиоголографии называют предметным) направлять на ту же поверхность голограммы другой пучок световых лучей, называемый опорным. Опорный пучок лучей должен иметь постоянную фазу на всей поверхности голограммы. В оптической голографии свет лазера разделяется на 2 пучка, из которых один направляется на освещение голографического объекта, а после отражения от него на голограмму. Второй пучок направляется на голограмму в качестве опорного, равномерно освещая поверхность голограммы.

В параксиальном приближении предметный пучок от точечного источника создает на поверхности голограммы примерно постоянную интенсивность и плавно изменяющуюся фазу. Поскольку светочувствительные материалы, как и светочувствительные приборы, реагируют только на интенсивность света и не воспринимают изменение фазы, то восприятие одного лишь предметного пучка не позволяет зафиксировать всю необходимую информацию об объекте, содержащуюся в световой волне. Суммирование предметного пучка с опорным позволяет получать изменение интенсивности света, распределенного по голограмме.

Выберем на поверхности голограммы две точки: первой примем точку кратчайшего расстояния до объекта , в качестве второй точку , удаленную от на малое расстояние, которое соответствует изменению расстоянии в сравнении с расстоянием на половину длины волны .

Рис. 1.2

Пусть в точке фазы опорного и предметного пучков отличались на половину периода. Это показано на рис. 1.2а, где 1 – опорная, а 2 – предметная волны. При равенстве интенсивности эти волны, суммируясь, гасят друг друга – линия 3. Это означает, что вблизи точки голограмма не будет засвечена. В действительности, интенсивность опорной волны в оптической голографии выбирается большей, чем интенсивность предметной волны. Поэтому в реальных голограммах в точках, где происходит суммирование опорной и предметной волн в противофазе, результирующая интенсивности будет уменьшено не до нуля, а до некоторого минимума, но эти детали несущественны.

В точке предметная волна вследствие удлинения проходимого ею пути на половину длины волна изменит свою фазу на противоположную. Это изображено на рис. 1.2б. Ввиду сложения в фазе амплитуда суммарной волны 3 будет максимальной.

Это приведет к максимальной засветке и соответственно к максимальному почернению фотослоя голограммы. По мере удаления от точки фаза предметного пучка будет продолжать изменяться. Так при некотором расстоянии окажется, что фазовый сдвиг между опорной и предметной волнами снова достигнет половины периода. Это значит, что как и в точке предметная и опорная волны опять погасят друг друга.

При дальнейшем удалении наступит положение, когда волны снова окажутся в фазе, и т.д. В результате после освещения и проявления голограммы изображение на ней примет вид, показанный на рис. 1.3а. Это так называемая зонная решетка Френеля.

После прохождения через голограмму опорный пучок фактически превращается в предметный. Есть возможность преобразовать световой поле опорной волны практически в точную копию световой волны, испускаемой голографируемым объектом. Для этого нужно выполнить отбеливание голограммы, сущность которого заключается в следующем.

На рис. 1.3б показано центральное сечение для голограммы точечного объекта. Дело в том, что в обычных фотоматериалах увеличение почернения достигается увеличением толщины поглощающего слоя.

Иными словами, чем меньше почернение в фотографиях, тем меньше величина фотослоя после окончания фотохимических процессов.

Отбеливание представляет собой превращение почерневшего фотослоя в прозрачный. В обычном белом свете отбеленная голограмма кажется прозрачной. Однако при пропускании монохроматического света влияние прозрачного фотослоя очень существенно. Дело в том, что скорость света в материале фотоэмульсии несколько ниже, чем в воздухе. Поэтому световая волна запаздывает при прохождении через фотослой. Если подобрать толщину прозрачного слоя так, чтобы в точках голограммы, в которых фазовый сдвиг должен составлять половину периода, запаздывание световой волны достигало именно такой величины и чтобы при других значениях сохранялись пропорциональность, то после прохождения опорного пучка постоянной фазы через голограмму на выходе ее будет наблюдаться такое же соотношение фазовых сдвигов, которое было в плоскости ее расположения у светового пучка, отраженного голографическим объектом. А это фактически означает, что от голограммы исходит тот же световой сигнал, что и от голографируемого объекта.

Особенности распространения звуковых волн, используемые в акустической голографии

Для среды с постоянным можно принять, что акустические волны от точки возбуждения до точки приема распространяется по прямой линии, называемой, как и в оптике, лучом.

Если среда имеет плоскую границу отражения, то в точку приема отраженная волна приходит так, если бы она была возбуждена в сплошной среде в точке, расширенной зеркально к источнику.

При прохождении из среды со скоростью звука , в среду со скоростью , изменение направления лучей подчиняется закону синусов:

Все закономерности, удовлетворяющие одному общему принципу, показаны выше, основаны на принципе наименьшего времени Ферма.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что акустические волны, отраженные от объекта с , которое отличается от среды распространения, характеризуют этот объект и могут быть использованы для получения изображения этого объекта.

Вся современная техническая акустика основывается на процессах преобразования энергии электрических колебаний в энергию звуковых или механических колебаний и обратно. Такие устройства называются электроакустическими и электромеханическими преобразователями.

Электрические преобразователи механических колебаний можно разделить на два класса: обратимые и необратимые (вентильные).

Типичным примером вентильного приемника является угольный микрофон.

К наиболее распространенным обратимым электромеханическим преобразователям относится пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические, электростатические преобразователи.

В преобразователях предназначенных для излучения монохромного сигнала используется явление резонанса: они работают на одном собственных колебаниях механической системы, на частоту которых настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь.

К основным характеристикам излучателей относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения.

Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота и ширина полосы пропускания , где - добротность.

Также характеризуются чувствительностью, электроакустическим к.п.д. и собственным электрическим импедансом.

Обратимые преобразователи в режиме приема акустического сигнала позволяет воспроизводить временную форму сигнала и, следовательно, получить сведения о его фазе, частоте и спектре.

Приемники, размеры которых много меньше длины волны, так называемые точечные, позволяют получить сложную пространственную структуру акустического поля.

Итак, акустические волны, излученные какими-либо источниками, могут проходить через оптически непрозрачные тела, отражаться от инородных включений, имеющихся в них, и достигать внешней поверхности тел.

Их распространение в однородной и неоднородной среде аналогично распространению световых волн.

При облучении плоской волной точечный объект, согласно принципу Гюйгенса-Френеля, рассеивает сферическую волну (рис. 2.1). Если одновременно послать другую, опорную волну , когерентную первой, то в плоскости , поставленной на пути этих волн, будет иметь место интерференционная картина. Располагая в плоскости акустически пространственных квадратичный детектор, реагирующий на звуковое давление изменением оптической прозрачности, получим распределение оптической прозрачности на плоскости детектора в соответствии с формулой:

где , амплитуды,
, фазы предметной и опорной волн соответственно.

Таким образом, прозрачность в разных местах пространственного детектора будет переменной: на нем будут видны чередующиеся темные и светлые полосы. Зарегистрированная картина плоской и сферических волн (рис. 2.1) имеет вид концентрических окружностей равна Это так называемая зонная решетка, или зонная линза Френеля; в акустике ее иногда называют пластинкой Сорэ.

Рис. 2.1

Как отмечалось ранее, для восстановления голограмму освещают плоской волной от источника когерентного света; при этом ее можно рассматривать как обычную дифракционную решетку (рис.2.2). Если прозрачность решетки изменятся по синусоидальному закону, то волны порядка выше 1-го отсутствуют. Углы, под которым распространяются волны 1-го порядка, увеличиваются при переходе от центра данной решетки к ее краям. Все лучи +1-го порядка пересекаются в одной точке, а все лучи -1-го порядка исходят из одной точки, то есть лучи первых порядков образуют две сферических волны – сходящуюся и расходящуюся. Точка, из которой расходится волна и точка, в которой она сходится, расположены симметрично по обе стороны голограммы, образуя мнимое и действительное изображение источника.

Голограмма протяженного предмета представляет собой совокупность многих точек, поэтому каждая из них являясь источником сферических волн, при интерференции с опорной волной (плоской) создает свою зонную решетку Френеля на пространственном детекторе. Восстановленные изображения этих точечных источников образуют изображение протяженного предмета. Чем ближе точка предмета к плоскости регистрации, тем чаще чередуются кольца ее зонной решетки, и, наоборот, более удаленная точка создает более редкую структуру колец. Именно плоская голограмма при восстановлении передает глубину предмета и позволяет получать объемные изображения.

Как было сказано выше, суть голографического метода состоит в одновременной регистрации пространственного распределений амплитуды и фазы рассеянной объектом волн. Способы же регистрации зависят от свойств приемника звука и всего приемного тракта в целом. В зависимости от постоянной времени реального приемника и характера регистрируемой им величины последний зафиксирует а либо усредненную по времени величину, пропорциональную квадрату амплитуды волны (квадратичный приемник с большой постоянной времени).

Первый случай характерен для электромагнитных колебаний оптического диапазона, где вследствие крайне высокого номинала несущей частоты колебаний Гц не существует приемников с малой постоянной времени; более того безинерционные изменения в оптике принципиально неосуществимы. Это ограничение сужает круг используемых приемников до среднеквадратичных (глаз, ортопластинка, фотоприемник, и так далее), а единственным способом регистрации фазы становится интерферометрический метод.

Иная ситуация имеет место в акустике, где помимо квадратичных приемников существуют также удобные линейные приемники звука. В связи с этим в акустике имеется возможность раздельного измерения компонент, входящих в вектор Умова-Пойтинга либо в виде среднеквадратичных, что существенно расширяет возможность голографического метода и приводит к возникновению ряда интересных особенностей, не имеющих аналогов в оптике.

Рис. 2.2

В случае регистрации голограммы квадратичным приемником акустическая голография с опорным пучком аналогична соответственному оптическому методу. Специфика ультразвука начинает проявляется тогда, когда опорный 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. 2.2), 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 , вдоль которой производится сканирование, то формула примет простой вид:

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

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 имитации сферической опорной волны необходимо либо изменить скорость сканирования пропорционально координатам и , либо, что более удобно, незначительно менять 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 голографируемому объекту (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 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».

Применения акустической голографии

Основная задача акустической голографии – построение изображения объектов в случаях, когда применение оптической и радиоголографии неэффективно или невозможно. 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. Вследствие большой разницы в длинах волн имеющих место при голографировании и восстановлении, изображение будет фокусироваться на большом удалении. Для этого необходимо использовать телескопические оптические системы. Более перспективным является способ восстановления изображения с голограмм с помощью ЭВМ, основанный на методах цифровой голографии.

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

В данном курсе рассматриваются методы акустической голографии, которые находят применение в гидролокации.

Примером может служить система, содержащая синтезированную приемную акустическую антенну из десяти приемных элементов с электронной коммутацией, с записью голограмм на электронно-лучевой трубке, обладающей мишенью из электрооптического кристалла. 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.

См. также