звуковидение

ЗВУКОВИДЕНИЕ - получение оптически видимых изображений предметов с помощью акустич. волн. В зависимости от назначения и используемого диапазона частот применяют устройства 3., основанные на след. принципах. Линзовое 3., при к-ром для построения акустич. изображения предмета используется звуковая оптика (линзы акустические). Предмет 3 "освещается" звуковым полем от излучателя 2 (рис. 1), а акустич. линза 4 создаёт звуковое изображение предмета в нек-рой плоскости, где устанавливается пространств. детектор 5, преобразующий распределение поля давлений либо непосредственно в оптич. изображение, либо в электрич. сигнал с последующим преобразованием в оптич. изображение.

Рис. 1. Принцип линзового звуковидения: 1 - УЗ-генератор; 2 - излучатель; 3 - предмет; 4 - акустическая линза (объектив); 5 - акустический пространственный детектор с электрическим или оптическим преобразованием сигнала.

Рис. 2. Принцип голографического звуковидения: 1 - УЗ-генератор; 2, 3 - излучатели; 4 - предмет; 5 - акустический пространственный детектор.

Голографическое 3. использует принцип голографии (рис. 2) и не нуждается в звуковой оптике. Помимо рассеянного предметом поля р' на плоскость пространств. детектора 5 направляется т. н. опорная звуковая волна р₀. Возникающая интерференц. картина стоячих волн (акустич. голограмма) регистрируется пространств. детектором. Восстанавливается изображение предмета либо методами с использованием когерентного света, либо электронными методами, обычно цифровыми (см. Голография акустическая). Локационное 3. основано на принципах эхолокации и заключается в том, что излучающее устройство (часто оно же и приёмное) "освещает" предмет узким звуковым лучом, сканирующим по пространству в одной или двух плоскостях. Изображение предмета строится по отражённым от него сигналам последовательно, в соответствии с выбранным законом сканирования. Обычно используется импульсное облучение предмета, к-рое даёт возможность разрешения по продольной координате (дальности). Для преобразования пространств. распределения давления в звуковом поле в видимое оптич. изображение используются разнообразные методы визуализации звуковых полей, осуществляющие либо непосредственное акустооптич. преобразование, либо с промежуточным преобразованием акустич. сигналов в электрические и далее в оптические.

Рис. 3. Схема линзового звуковиденип с электронным сканированием: 1 - УЗ-генератор; 2 - излучатель; 3 - предмет; 4 - акустическая линза (объектив); 5 - мозаика пьезоэлектрических преобразователей; 6 - электронный коммутатор; 7 - электронно-лучевая трубка.

Для акустооптич. преобразования широко применяются методы поверхностного рельефа, а в последнее время - жидкокристаллич. преобразователи. Акустооптич. эффект в жидких кристаллах основан на способности их молекул изменять заданную ориентацию под воздействием УЗ-поля. Изменение ориентации молекул вызывает либо поглощение проходящего света, либо его рассеяние (при работе на отражение), благодаря чему и получается видимое изображение предмета. Наиб. применение в 3. получили методы визуализации, основанные па промежуточном преобразовании акустич. сигналов в электрические с помощью пьезоэлектрич. датчиков, поскольку эти методы обладают самой высокой чувствительностью. Такое преобразование используется в линзовом и локац. 3. (рис. 3), для чего в плоскости формирования акустич. изображения устанавливается двумерная матрица пьезоэлектрических преобразователей; сигналы с них считываются с помощью электронного коммутатора и подаются на модулятор, управляющий яркостью луча электроннолучевой трубки, сканирование к-рого по экрану осуществляется синхронно с работой коммутатора. Этот же принцип используется и в голографич. 3. с оптич. восстановлением голограмм, с тем отличием, что сигналы с электронного коммутатора подаются на пространственно-временной модулятор когерентного света и управляют либо его локальным коэф. поглощения, либо коэф. преломления. При этом модулятор выполняет роль оптич. голограммы, восстановление изображения но к-рой происходит с помощью когерентного света (рис. 4). В основе теоретич. описания всех принципов 3. лежит аналитич. зависимость между полем источника и(х)и полем и(х')на нек-ром расстоянии R от него (интеграл Кирхгофа). При R>>l и D>>l (где l - длина волны звука, D - входная апертура) поле и(х)и поле и(х')связаны соотношением (преобразование Френеля):

где х₁ и x₂ - область существования и(х). При R>> D²/l. это соотношение переходит в преобразование Фурье:

Эти соотношения лежат в основе всех принципов 3., и в частности в методе цифрового восстановления изображений, где для ускорения вычислений используются алгоритмы быстрого Фурье преобразования. Качество звуковых изображений в 3. зависит от характера взаимодействия звуковых волн с предметом, от размеров входных апертур D и используемых длин волн l. В общем случае длины УЗ-волн, используемых в 3., гораздо больше, чем длины оптпч. волн. и поэтому акустич. изображение предметов будет более "грубым" и содержать гораздо меньше мелких деталей, чем оптическое. Для устранения эффекта бликовой структуры в 3. используют широкополосное излучение (аналог белого света) и освещение предмета со многих ракурсов (аналог диффузного освещения в фотографии).

Рис. 4. Схема голографического звуковидения с оптическим восстановлением изображения; 1 - УЗ-генератор; 2,3 - излучатели; 4 - предмет; 5 - набор пьезопреобразователей; 6 - коммутатор; 7 - пространственно-временной модулятор света с электронным управлением; 8 - световой поток от лазера; 9 - проекционная оптич. система; 10 - плоскость наблюдения.

Разрешающая способность в 3. по поперечной координате dх зависит от волновых размеров В приёмных пространств. детекторов и определяется по ф-ле: dx=lR/D = R/B, где R - расстояние _до{до} предмета, B=D/l. Разрешение тем лучше, т. е. dх тем меньше, чем больше В. В практич. 3. величина B~300-400 (в то время как в оптике B~10⁴-10⁵ и более). По этой причине линзовое 3. имеет огранич. применение, т. к. звуковые линзы больших волновых размеров тяжелы, громоздки и вызывают большое затухание УЗ. Разрешение по продольной координате (глубине, дальности) dR также зависит от волновых размеров и расстояния: dR=lR²/D²=R²/BD. Оно ухудшается пропорц. квадрату расстояния, поэтому измерение продольных координат осуществляется обычно на расстояниях порядка R~D, т. е. в непосредств. близости от плоскости приёма. В тех ситуациях, когда объект расположен на расстоянии R>>D, прибегают к импульсному облучению, и в этом случае разрешение по дальности (глубина) тем лучше, чем короче длительность сигнала, а при излучении широкополосных сигналов - чем шире полоса излучаемых частот. Диапазон частот, применяемых в 3., весьма широк, и соответственно разные системы 3. могут существенно различаться по разрешающей способности (табл.). В зависимости от частоты и области применения в 3. используют разл. типы приёмных п излучающих антенн. На частотах 0,1-2 МГц обычно применяют пьезоэлектрич. керамич. приёмники и излучатели (последние с электронным управлениом характеристикой направленности). В системе подводного 3. на частотах единиц и десятков кГц пользуются наряду с пьезокерамич. излучателями магнитострикционными. В сейсмич. голографии в качестве излучателей используют вибраторы, пневматич, излучатели и просто взрывы, а в качестве приёмников - гидрофоны и геофоны. Характеристики систем звуковидения

3. применяется в океанологии для получения изображений морского дна и природных структур, поиска затонувших предметов, обеспечения подводной навигации, осмотра подводных сооружений и др. В дефектоскопии 3. используется при УЗ-контроле для обнаружения скрытых дефектов в разл. материалах и конструкциях (раковины, трещины, инородные включения и др.). В медицине оно применяется для получения информации о структуре внутр. органов (сердца, печени, почек), сосудов и др. благодаря тому, что УЗ хорошо поглощается мягкими тканями, в отличие от рентг. излучения, и практически безопасен для пациента. Лит.: Свет В. Д., Методы акустической голографии, Л., 1976; Г р е г у ш П., Звуковидение, пер. с англ., М., 1982. В. Д. Свет.

   <<      Предметный указатель      >>