Акустическая голография

видимый звук

Источник: Кок У.Е. — Видимый звук – 1974г.

Сегодня визуальные методы проведения важных для нас ежедневных измерений общеизвестны. Спидометр в автомобиле, термометр за окном, часы на руке позволяют нам «видеть» столь необходимые в нашей жизни характеристики меняющихся событий и явлений. В научных лабораториях институтов и промышленных предприятий широко используются визуальные приборы. Эти приборы улавливают изменение некоторых величин и передают его на циферблат, где оно становится «видным» и нам благодаря стрелке-указателю или движущемуся световому пятну. Иногда это помогает экспериментатору понять, что происходит, а в ряде случаев позволяет тщательно проанализировать те или иные тонкости данного явления или эксперимента.
Я надеюсь, что визуальное представление различных звуков позволит читателю не только глубже проникнуть в природу звука, но и привлечет его внимание к решении. Проблем, которые пока «не дались» акустикам.
Кок У.Е.


Акустическая голография.

Процесс получения и использования голограмм

Процесс получения и использования голограмм

В последние годы для записи картин звукового поля стала применяться голография. (Голография акустическая — интерференционный метод записи, воспроизведения и преобразования звуковых полей. Методы Г. а. используются в звуковидении — получении изображений объектов с помощью акустич. волн, для получения амплитудно-фазовой структуры отражённых и рассеянных полей, измерения характеристик направленности акустич. антенн, пространственно-временной обработки акустич. сигналов. Примечания). Рассматриваемая первоначально как чисто оптическое явление, сейчас голография применяется в акустике и микроволновой технике. В последних двух случаях предметы «сцены» освещаются соответственно звуковыми волнами или радиоволнами, а картина отраженных или дифрагированных волн записывается оптически, например, на фотопленку. Если осветить эту запись подобно оптической голограмме лазерным когерентным светом, то появится восстановленное изображение первоначальной «сцены, которую мы «облучали» звуковыми волнами ли радиоволнами.
Принципы голографии. Принципы голографии проще всего объяснить, рассматривая световые голограммы как дифракционные решетки. На рис. 74 а показана фотозапись комбинации двух наборов световых волн, один из которых представляет собой плоские когерентные волны (опорный пучок), прошедшие над непрозрачным экраном с точечным отверстием, другой набор – это волны, исходящие из точечного отверстия в экране, которое и является предметом исследования.

Такая комбинация сферических и плоских волн создает в плоскости фотографической пластинки систему световых концентрических колец (области конструктивной интерференции). С увеличением расстояния от центра колец расстояние между кольцами уменьшается. Фотозапись интерференционной картины плоского и сферического наборов волн представлена на рис 75.
Фотозапись интерферентной картины плоского и сферического наборов когерентных волн
Структура этой картины тождественна структуре, создаваемой оптическим дифракционным устройством, называемым зонной пластинкой. Световая энергия, пройдя сквозь прозрачные кольца пластинки, концентрируется в фокусе, непрозрачные же кольца не пропускают те световые волны, которые только уменьшили бы концентрацию энергии в фокусе из-за деструктивной интерференции. Поперечное сечение типичной зонной пластинки изображено на рис. 76. Из этого рисунка легко понять, как следует располагать блокирующие кольца.

Картина дифракции волн на зонной пластинке

Рассматривая прохождение световых волн сквозь зонную пластинку, мы обнаруживаем справа от нее не только сходящиеся волны, сфокусированные в точке f, но и набор расходящихся волн, исходящих как бы из точки f c, сопряженной с фокусом. Оба этих набора волн показаны на рис 74 б. Освещая голограмму лазерным светом, как это представлено на рис.74 а, а мы получаем действительное изображение точечного отверстия справа от голограммы (рис.74, б), кроме того, в точке, сопряженной с фокусом, появляется мнимое изображение точечного отверстия. Расходящиеся лучи света, фиксируемые глазом, вызвали бы у наблюдателя иллюзию, будто он видит первоначальный свет от точечного источника, расположенного за голограммой.
Если бы мы сделали два отверстия в непрозрачном экране, то на фотопластинке получили бы две системы концентрических колец (две зонные пластинки). Рассматривая такую голограмму в лазерном свете, наблюдатель был бы полностью уверен в том, что он видит два точечных источника света.
Поскольку любой предмет можно рассматривать как совокупность большого количества точечных источников света различной яркости, каждый из которых будет формировать на фотопленке свою собственную зонную пластинку, то голограмма предмета будет представлять собой суперпозицию таких зонных пластинок. Если проявленную и закрепленную голограмму осветить лазерным светом, то будет видна реконструкция всех исходных источников света, образующих за голограммой рассматриваемый нами предмет. Продемонстрировать трехмерный реализм оптических голограмм весьма просто: нужно лишь показать несколько снятых ракурсов фотографий изображения предмета, восстановленного голограммой как это показано на рис 77.

Фотоснимки освещенной лазерным светом голограммыАкустические голограммы. Голограмма представляет собой фотографическую запись интерференционной картины, образованной набором волн, исходящих от предмета, и опорным пучком волн, поэтому вполне очевидно, что можно сделать голограммы и других видов волнового движения, конечно при условии записи интерференционной картины этих волн.
Чтобы получить такую фотографию, понадобился второй набор волн. Который служил опорным пуком. Следовательно, картины звукового поля, изображенные на рис. 32 и 21, можно считать акустическими голограммами, поскольку они представляют собой записи интерференционных картин рассматриваемого нами набора волн и опорного пучка плоских волн. По своему виду они совершенно аналогичны интерференционным картинам когерентных световых волн, то есть представляют собой системы светлых и темных полос.
интерфернеция звуковых волн исходящих от двух синфазных источников
Картина звукового поля позади непрозрачного диска

Долгое время такие записи для восстановления изображения исходной картины не использовались, они просто были интересны сами по себе, как зарисовки распространения волн. Следует отметить, что для того чтобы записать акустическую картину полос, а затем использовать эту запись как голограмму, нужна иная методика записи, чем применялась ранее. В настоящее время акустические голограммы и восстановление с их с помощью волнового фронта получены во многих лабораториях.
Голограммы, записанные на поверхности жидкости. Система, которая позволяет рассматривать акустические голограммы, минуя фотосъемку, изображена на рис 78. Предмет, который представляет собой пластинку с вырезанной в центре буквой Е, помещен в жидкость и облучается снизу звуковыми волнами. Дифрагированные волны, несущие сведения о форме предмета, интерферируют с опорным пучком звуковых волн. В результате интерференции волн на поверхности жидкости образуются гребни. Стационарная интерференционная картина звуковых волн деформирует поверхность жидкость – газ рис.78.
основные элементы системы для получения и использования акустической голограммыГребни на поверхности жидкости соответствуют полосам на обычной голограмме. Чтобы получить изображение помещенного в жидкость предмета с помощью такой акустической голограммы, ее необходимо осветить лазерным светом, который при отражении дифрагирует на гребнях голограммы. Схема получения акустических голограмм, изображена на рис. 78, была предложена Р.К. Мюллером.

акустическая голограмма буквы С. Восстановленное изображение буквы С.
Часто при подводных исследованиях видимость вблизи дна оказывается очень плохой, что исключает использование оптических методов. Акустические методы, основанные на использовании сонаров, тоже дают не важные результаты, гораздо худшие, чем акустическая голография. На рис 79 вы видите фотографию звуковой интерференционной картины (голограммы), а изображение, восстановленное этой акустической голограммой, облученной когерентным лазерным светом, представлено на рис 80.

***

Акустическая голография лежит в основе сейсмической голографии. Сейсмическая голография основана на использовании очень длинных звуковых волн (от 10 до 300 м). Расстояние между объектами в сейсмической голографии оказываются равными сотням метров, а необходимое решение (расстояние между двумя различными точками) – порядка десятков метров. Поскольку достижимая дальность возрастает с убыванием частоты, для таких исследований применяются очень низкие частоты (10 — 1000 Гц). В настоящее время еще не научились получать высококачественные сейсмические голограммы, что вызвано крайней сложностью среды распространения звука – земной коры (в отличие от воды). Из-за многочисленных неоднородностей и множества пород с самыми разнообразными свойствами, вызывающими изменения скорости звука, характер распространения звука в земной коре весьма сложен. Вследствие шумов и искажений полученную сейсмическую голограмму почти невозможно интерпретировать однозначно. Однако в настоящее время разрабатываются сложные процессы обработки сигналов и методов фильтрации, которые окажут сейсмической голографии значительную помощь в сборе геологической информации. Проведенные недавно опыты по распознаванию с помощью сейсмической простых геологических образований дали обнадеживающие результаты.
Наконец, еще одно важное применение визуализация акустических изображений нашла в системах подводного видения. В некоторых ситуациях, например в условиях замутненной воды, дальность систем прямого оптического наблюдения не превышает нескольких метров. Гидроакустические локаторы, хотя и обеспечивают сравнительно высокую дальность наблюдений, не в состоянии дать информацию, необходимую для классификации и идентификации цели. В то же время, используя акустическую голографию, можно восстанавливать довольно хорошее изображение подводных объектов, на которое не влияют оптические неоднородности среды.
Приведенные примеры ясно показывают широкие возможности практического применения методов визуализации звукового изображения, акустической голографии и взаимодействия звука со светом.
Видимый звук оказывается не только мощным инструментом познания явлений природы, но и эффективным средством технического вооружения народного хозяйства.

Метки: , , , . Закладка Постоянная ссылка.

Комментарии запрещены.

  • Хочу к Меладзе 5 Проверка PR и ТИЦ
    Рейтинг@Mail.ru Каталог сайтов Всего.RU