Голография акустическая

ГОЛОГРАФИЯ АКУСТИЧЕСКАЯ, интерференционный способ записи, воспроизведения и преобразования звуковых полей. Основной принцип получения акустических голограмм аналогичен оптической голографии: сначала регистрируется поле, образованное интерференцией двух акустических волн - опорной и рассеянной предметом, а затем по полученной картине (акустической голограмме) восстанавливается исходное изображение предмета.

Методы получения и восстановления акустических голограмм. В отличие от оптики, где детекторы света всегда квадратичные, т. е. регистрируют только интенсивность светового поля, в акустике приёмники звука могут быть как линейными, реагирующими на звуковое давление или колебательную скорость, так и квадратичными, реагирующими на интенсивность звуковой волны. Способы регистрации и восстановления акустических голограмм определяются видом используемых приёмников.

В диапазоне инфразвуковых, звуковых и низких УЗ-частот для получения акустических голограмм чаще всего применяются электроакустические преобразователи: микрофоны, вибродатчики, гидрофоны, преобразующие звуковое давление в электрический сигнал. Восстановление голограмм, т. е. получение акустических изображений, может осуществляться оптическим либо электронным способом.

Оптическое восстановление основано на различных оптических методах визуализации звукового поля, из которых наибольшее применение получили метод поверхностного рельефа, метод динамической голографии и метод с использованием пространственной модуляции света.

Метод поверхностного рельефа состоит в том, что звуковая волна, рассеянная находящимся в жидкости (воде) объектом, создаёт на поверхности воды давление звукового излучения, пропорциональное интенсивности звука. Если на эту же поверхность направить и опорную волну той же частоты, произойдёт интерференция волн с образованием поля стоячих волн. При освещении деформированной поверхности когерентным светом возникает фазовая модуляция отражённого света, по которой можно восстановить исходное изображение, как и в обычной оптической голографии.

Метод динамической голографии, как и метод поверхностного рельефа, основан на деформации поверхности, но эта деформация зависит от звукового давления не квадратично, а линейно. При прохождении звука, например, через тонкую звукопрозрачную плёнку, он не оказывает на неё давления звукового излучения, однако плёнка участвует в движении среды и её отклонения пропорциональны амплитуде колебательного смещения. Если нанести на плёнку отражающее свет покрытие, то такая деформация также может быть преобразована в фазовую модуляцию отражённого света (оптическую голограмму). Опорный сигнал при этом не требуется.

Оптические модуляционные методы голограммы акустической основаны на использовании для восстановления голограммы пространственных модуляторов света - фотоплёнок, электрооптических и магнитооптических кристаллов, термопластических плёнок и др.

Электронные методы восстановления акустических голограмм основаны на электронной обработке электрических сигналов (как правило, цифровым способом). Распределение сигналов подвергается преобразованиям типа двумерных преобразований Фурье-Френеля, в результате которых формируется восстановленное изображение.

Качество акустических голографических изображений определяется, прежде всего, волновым размером приёмной акустической апертуры или эквивалентным числом независимых точек приёма по площади голограммы. В оптической голографии пластинка размером 50 х 50 мм на длине волны света 0,5 мкм может содержать около 2,5·10⁹ отдельных «приёмников» - зёрен фотоэмульсии. Даже на достаточно высоких У3-частотах волновые размеры приёмных апертур при оптическом восстановлении акустических голограмм на несколько порядков меньше, а при электронном методе восстановления число независимых точек приёма, т. е. отдельных электроакустических преобразователей, не превышает 5·10⁴.

Кроме того, при оптических методах восстановления акустических голограмм возникают геометрические искажения изображений, связанные с тем, что запись голограммы производится на длине волны звука λ_aк, а восстановление - на длине волны света λ_св и их отношение в большинстве практических случаев велико: μ =  λ_ак/λ_св >> 1. Изображение восстанавливается в неискажённом виде только в том случае, если полученную акустическую голограмму уменьшить точно в μ раз. Однако из-за того, что размеры такой голограммы слишком малы, уменьшение голограмм осуществляется с неким коэффициентом m, меньшим, чем μ. При этом поперечные размеры восстановленного объекта уменьшаются в m раз, а продольные размеры - в m²/μ раз. По этой причине наблюдение восстановленных трёхмерных акустических изображений становится невозможным.

Для наблюдения трёхмерных изображений используются только электронные методы получения и восстановления акустических голограмм с излучением короткого импульсного сигнала, что позволяет получать голограммы на различных расстояниях от приёмной апертуры. Каждая из таких голограмм восстанавливает двумерное изображение (сечение) предмета на определённой дальности, а трёхмерное изображение предмета отображается в виде набора таких сечений. Такая схема получения и восстановления голографических изображений ничем не отличается от методов получения звуковых изображений с помощью фазированных антенных решёток.

Почти все применяемые на практике методы получения голографических акустических изображений основаны на использовании матричных (одномерных или двумерных) антенных решёток с большим числом звукоприёмников и электронных цифровых методов обработки сигналов с этих приёмников. Это связано, прежде всего, с высокой чувствительностью и большим пространственным разрешением таких методов. Применение оптических методов получения и восстановления акустических голограмм (метода поверхностного рельефа или метода динамической голографии) крайне ограничено из-за технологических трудностей создания акустооптических преобразователей с большими приёмными апертурами и высокой чувствительностью. Однако только такие методы позволяют получать акустические изображения, по качеству приближающиеся к оптическим.

Применение акустической голографии. Методы голографии акустической используются в звуковидении - получении изображений предметов с помощью акустических волн, для получения амплитудно-фазовой структуры отражённых и рассеянных полей, измерения характеристик направленности акустических антенн, пространственно-временной обработки акустических сигналов.

На инфразвуковых и низких звуковых частотах методами голографии акустической можно получить информацию о структуре земной коры и дна океана, выявить наличие неоднородностей в естественных средах. На звуковых и низких У3-частотах методы голографии акустической применяются в подводном звуковидении, бесконтактной диагностике машин и механизмов по их собственному шумоизлучению, при изучении полей различных колебательных конструкций и т.п. В диапазоне высоких УЗ-частот голография акустическая используется в различных областях науки и техники, например, в акустической микроскопии, в устройствах медицинской УЗ-диагностики, неразрушающем контроле (дефектоскопии).

Лит.: Применения голографии. М., 1973; Акустическая голография. Л., 1975; Свет В. Д. Методы акустической голографии. Л., 1976; Ультразвук: Маленькая энциклопедия. М., 1979.