Звуковидение

ЗВУКОВИДЕНИЕ, получение изображений объектов, находящихся в различных средах, с помощью акустических волн. Принципы звуковидения во многом аналогичны оптическим принципам получения изображений. Наиболее точной аналогией является линзовое звуковидение, при котором для построения изображения объекта используется акустическая линза (смотри Фокусировка звука). Объект «освещается» акустическим полем от излучателя (рис. 1), часть рассеянных и отражённых от него волн проходит через акустическую линзу, которая создаёт звуковое изображение объекта. В плоскости изображения линзы устанавливается приёмник акустических сигналов, преобразующий пространственное распределение звукового давления в соответствующие электрические сигналы с целью их последующего преобразования в оптическое изображение.

Поскольку действие акустических приёмников, как правило, основано на линейных преобразованиях, функции акустических линз могут быть реализованы с помощью электронных (в том числе цифровых) устройств. Такие устройства звуковидения получили название акустических фазированных антенных решёток. Звуковые сигналы (рис. 2) сначала принимаются акустическим приёмником, преобразуются им в электрические сигналы, которые затем подвергаются пространственно-временной обработке в процессоре и визуализируются. В качестве акустических приёмников в основном используются матрицы из отдельных пьезоэлектрических преобразователей (например, гидрофонов), число которых соответствует числу требуемых точек разрешения (пикселов) в акустическом изображении по пространственным координатам х, у.

Устройства звуковидения позволяют получать не только двумерные (в координатах х, у), но и трёхмерные акустические изображения. Для их построения используется импульсный режим излучения. По моменту излучения звукового сигнала, скорости распространения звука в среде можно с высокой точностью определить время прихода импульсов с различных расстояний и измерить расстояния до точек объекта, построив тем самым трёхмерное изображение.

Основными параметрами, определяющими качество акустических изображений в звуковидении, являются величины пространственного разрешения по поперечным координатам х, у и расстоянию до объекта (продольная координата) R. Пространственное (линейное) разрешение по поперечной координате зависит от частоты сигнала f, размеров приёмной антенны D_x,у и расстояния R: Δ_х,у = CR/fD_x,у = λR/D_x,у, где С и λ - скорость и длина звуковой волны соответственно. Разрешение тем выше, чем меньше Δ_х,у. Величина δ =λ/D_x,у получила название углового разрешения антенны.

В матричных антеннах отдельные акустические приёмники располагаются, как правило, с шагом d = λ/2. Т.о., число приёмников в двумерной антенной решётке составляет: N_x·N_y = 4D_x·D_y/λ². Для определения R помимо импульсного режима излучения и приёма звуковых сигналов возможно использование пространственной фокусировки антенны (как в оптике). Разрешающая способность по продольной координате при фокусировке антенны определяется формулой: ΔR ≈ 3λ(R/D_x,у)², то есть для получения высокого разрешения требуются очень большие размеры антенн и, как следствие, большое число приёмных элементов. Высокое разрешение по расстоянию (дальности, глубине) в звуковидении достигается применением временной обработки сигналов и импульсного излучения. При этом разрешение определяется либо длительностью излучаемого узкополосного сигнала, либо шириной полосы, если используется корреляционная обработка излучаемых широкополосных сигналов: δR = СТ/2 - для узкополосных сигналов и δR =  С/2ΔF - для широкополосных сигналов, где Т - длительность, а ΔF - ширина полосы сигнала.

Создание двумерных пьезоэлектрических матриц с большим числом приёмных элементов является сложной технологической проблемой, особенно на высоких частотах, поэтому в большинстве устройств звуковидения используются одномерные антенные решётки, позволяющие получать акустические изображения объектов в координатах х, R. Для создания трёхмерного изображения в координатах х, у, R, как правило, применяют механической угловое или линейное сканирование одномерной антенны.

Звуковидение  наиболее широко применяется в медицине (У3-диагностика), в подводных исследованиях (получение изображений морского дна, поиск затонувших предметов, осмотр подводных сооружений и др.), в неразрушающем УЗ-контроле (рис. 3-5). Современные УЗ-системы медицинской диагностики, работающие в диапазоне частот от 2 до 15 МГц, позволяют получать высококачественные изображения внутренних органов на глубинах до 15 см с разрешающей способностью до долей миллиметра. В подводных исследованиях диапазон частот звуковидения ниже и обычно составляет от 300 кГц до 2 МГц, а пространственное разрешение - от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров на расстояниях от единиц до сотен метров. Смотри также Акустическая томография.

Рис. 4. Изображение затонувшего судна, полученное с помощью гидролокатора бокового обзора С-5000 («Klein sonar Inc») на частоте 500 кГц.

Рис. 5. Изображение стаи лососей, полученное с помощью акустической линзовой камеры «Didson» на частоте 1,7 МГц.

Лит.: Грегуш П. Звуковидение. М., 1982.