Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Стартовая страница
О системе
Технические требования
Синтез
Обучающий модуль
Справка по системе
Контакты
Искать:
  Расширенный   Формализованый   По связи разделов
 А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я 
Общий каталог эффектов
Голография акустическая
Интерференционный способ получения объемного изображения предметов с помощью акустических волн

Анимация

Описание

Основной принцип получения изображений при акустической голографии (АГФ) аналогичен оптической голографии (ОГФ): сначала регистрируется картина, полученная вследствие интерференции двух звуковых волн - рассеянной предметом и опорной, а затем по полученной записи - акустической голограмме (АГМ) - восстанавливается или исходное изображение предмета, или структура рассеянного предметом поля на некотором расстоянии от него. В АГФ с использованием частот ультразвукового (УЗ) диапазона восстановление исходного поля по АГМ обычно производится с помощью когерентного света, как и при восстановлении оптической голограммы.

Рассмотрим физические основы формирования АГМ. При облучении плоской волной точечный объект, согласно принципу Гюйгенса - Френеля, рассеивает сферическую волну US (рис. 1).

 

Схема образования акустической голограммы точечного источника при плоской опорной волне

 

 

Рис. 1

 

Если одновременно послать другую, опорную волну U0, когерентную первой, то в плоскости Р на пути этих волн будет иметь место интерференционная картина. Располагая в плоскости Р акустический пространственный квадратичный детектор, реагирующий на звуковое давление изменением оптической прозрачности, получим распределение оптической прозрачности на плоскости детектора в соответствии с формулой:

 

U 2 = US2 + U02 + 2USU0cos(ФS - Ф0),

 

где US, U0 - амплитуды;

ФS, Ф0 - 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 наз. акустической голограммой. Интерференционная картина плоской и сферической волн (рис. 1) имеет вид концентрических окружностей, причем разность фаз для двух соседних окружностей равна 2p. Это т.н. зонная решетка или зонная линза Френеля (в акустике ее иногда называют пластинкой Сорэ).

Для восстановления голограмму освещают плоской волной от источника когерентного света, при этом ее можно рассматривать как обычную дифракционную решетку, рис. 2.

 

Схема восстановления голографического изображения точечного объекта

 

 

Рис. 2

 

АГМ протяженного предмета представляет собой совокупность многих точек, поэтому каждая из них, являясь источником сферической волны, при интерференции с плоской опорной волной создает свою зонную линзу 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 поэтому плоская АГМ при восстановлении передает глубину предмета и позволяет получать объемные изображения.

Различные методы получения и восстановления АГМ.

В оптической голографии фотопластинка является пространственным детектором с практически неограниченными волновыми размерами и громадным числом отдельных приемников - зерен фотоэмульсии, которые, кроме того, являются устройствами долговременной памяти. В акустике (АГФ) отдельные функции фотопластинки выполняют различные устройства, прежде всего распределенная система электроакустических преобразователей - приемников звука (микрофонов, гидрофонов и пр.). В области высокочастотного УЗ существуют другие способы регистрации. Используются также устройства преобразования АГМ в ОГМ, которая затем восстанавливается в когерентном световом потоке лазера.

При использовании системы линейных преобразователей, позволяющих передать фазу сигнала, можно отказаться от акустического опорного сигнала и заменить его электрическим. Интерференция в этом случае осуществляется путем суммирования принятых каждым из приемников сигналов с опорным электрическим. При преобразовании АГМ, зафиксированной системой приемников звука, в ОГМ можно применить любой способ модуляции светового потока, например, соединить выходы каналов каждого приемника с лампочками и сфотографировать полученную картину. Однако при таком способе число отдельных акустических приемников должно быть очень велико - до десятков и сотен тысяч.

В случае, когда не требуется быстродействие, систему приемников можно заменить одним приемником, сканирующим звуковое поле в заданной плоскости Р (рис. 3).

 

Схема получения АГМ механическим сканированием поля одиночным приемником

 

 

Рис. 3

 

Обозначения:

1 - задающий генератор;

2,3 - излучатели звука;

4 - предмет;

5 -сканирующий приемник;

6 - плоскость сканирования;

7 - электроннолучевая трубка;

8 - фоторегистратор.

 

С приемника звука 5 сигнал после необходимой обработки поступает на модулятор яркости луча ЭЛТ 7. Пятно луча перемещается по экрану синхронно с движением сканирующего приемника, и на экране последовательно высвечивается АГМ. На этом этапе происходит масштабное преобразование, обычно с коэфф. уменьшения 200-500. С экраном ЭЛТ совмещен фоторегистратор 8, в плоскости изображения которого установлена фотопластинка. После того, как приемник просканирует всю заданную площадь, затвор регистратора закрывается, и пластинка обрабатывается обычным образом.

Полученную АГМ восстанавливают с помощью оптической установки (рис. 4), состоящей из источника когерентного света 1 - лазера, работающего в непрерывном режиме генерации, коллиматора 2, создающего параллельный пучок света, плоскости голограммы 4, линзы или объектива 6 для увеличения восстановленного изображения и плоскости регистрации 9.

 

Оптическая схема восстановления АГМ

 

 

Рис. 4

 

Обозначения:

1 - лазер;

2 - коллиматор;

3 - слабая отрицательная линза;

4 - голограмма;

5 - пространственный фильтр;

6 - сферическая линза (объектив);

7 и 8 - восстановленные изображения;

9 - плоскость регистрации.

 

Описанный способ сканирования требует достаточно большого времени для съема голограммы - 5 - 10 минут, но благодаря простоте реализации он широко применяется в лабораторных исследованиях и в системах УЗ - дефектоскопии.

Вместо одиночного приемника можно использовать механические перемещения линейной протяженной антенны; при этом время съема информации по одной координате может быть сделано очень малым путем применения электронного опроса приемников антенны. В голографических устройствах с линейными антеннами для облучения предмета иногда используют импульсное излучение. Это позволяет отказаться от механического перемещения антенны и формировать АГМ в режиме "азимут - дальность"; при этом голограмма строится не в плоскостных координатах х, у, а в координатах угол - время.

Наибольшее быстродействие дают способы регистрации АГМ, основанные на применении приемной антенны в виде двумерной матрицы приемников (рис. 5); при этом опрос и обработка сигналов осуществляются электронным способом.

 

Схема голографического устройства с матричной двумерной антенной

 

 

Рис. 5

 

Обозначения:

1 - антенна;

2 - устройство отображения голограммы на трубке с мишенью из электрооптического кристалла;

3 - ЭЛТ;

4 - оптическая система восстановления изображения;

5 - индикатор;

6 - задающий генератор;

7 - излучатель;

8 - предмет.

 

Такие устройства позволяют получать изображения предметов в реальном времени. Для записи АГМ в них применяется не фотопленка, а специальные носители, не требующие никакой дополнительной обработки (термопластики, электрооптические кристаллы, жидкие кристаллы и т.п.). Описанные методы получения АГМ используют в основном в диапазоне звуковых и низких УЗ - частот от 1 до 300-500 кГц.

На более высоких частотах УЗ методы регистрации АГМ основаны нанекоторых способах непосредственной визуализации УЗ- полей без предварительной записи оптического изображения АГМ. Наибольшее распространение получили способы, основанные на методе поверхностного рельефа. Сущность его заключается в том, что звуковая волна, падающая на отражающую поверхность воды, создает в ней давление звукового излучения, пропорциональное интенсивности звука, и деформирует ее. Если такую деформированную поверхность осветить когерентным светом, то возникает фазовая модуляция отраженного света, которую для получения оптического изображения необходимо превратить в амплитудную. Это можно сделать, применяя теневой метод или метод фазового контраста Одной из разновидностей метода поверхностного рельефа является т.н. безлинзовая АГФ (рис. 6), при которой предмет располагают так, чтобы интерференционная картина на поверхности воды представляла собой его пространственный спектр; это достигается или с помощью акустической линзы, или путем размещения предмета на достаточно большом расстоянии от поверхности воды.

 

Схема безлинзовой УЗ-голографии

 

 

Рис. 6

 

Обозначения:

1 - излучатели;

2 - акустические линзы;

3 - предмет;

4 - кювета с водой;

5 - полупрозрачное зеркало;

6 - оптическая система восстановления;

7 - плоскость регистрации изображения.

 

Существуют и другие методы АГМ, основанные также на деформации поверхности. Так, в динамической УЗ АГФ деформация зависит от звукового давления не квадратично, а линейно. Этот метод применяется, например, для визуализации колебаний поверхности твердого тела, граничащей с газовой фазой.

 

Ключевые слова

 

Области техники и экономики

 

Применение эффекта

Наиболее широко методы АГФ используются в медицине для визуализации внутренних органов. Для биологических исследований созданы голографические УЗ-микроскопы с разрешением 10 - 15 мкм. В УЗ-дефектоскопии с помощью АГФ можно обнаружить дефекты размером до 1 мм. Получение более высокой разрешающей способности ограничено отсутствием мощных широконаправленных УЗ-излучателей для равномерного облучения образцов. В гидролокации созданы специальные голографические устройства для подводного наблюдения.

Например, система, содержащая приемную антенну из 10 000 приемных элементов с электронной коммутацией и с записью голограмм на ЭЛТ из электрооптического кристалла. Быстродействие такой системы - 16 кадров в секунду, угловое разрешение - несколько минут. Метод позволяет получать фокусируемые изображения дна в режиме "азимут-дальность".

Реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Один из наиболее простых методов получения акустической голограммы продемонстрирован на рис. 3. Сигнал с микрофона, позиционирование которого осуществляется электромеханической системой, управляемой сигналами горизонтального и вертикального отклонения ЭЛТ, - поступает на усилитель яркости луча ЭЛТ. Картина на экране, являющаяся требуемой голограммой, фиксируется на фотопленку.

Литература

1. Ультразвук / Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Советская Энциклопедия, 1979. - С. 400.

Формализованное описание Показать

Стартовая страница  О системе  Технические требования  Синтез  Обучающий модуль  Справка по системе  Контакты 
Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина