Звуковые волны

класса: обратимые и необратимые (вентильные).

Типичным примером вентильного приемника является угольный микрофон.

К наиболее распространенным обратимым электромеханическим преобразователям

относится пьезоэлектрические, магнитострикционные, электродинамические,

электростатические преобразователи.

В преобразователях предназначенных для излучения монохромного сигнала

используется явление резонанса: они работают на одном собственных колебаниях

механической системы, на частоту которых настраивается генератор

электрических колебаний, возбуждающий преобразователь.

К основным характеристикам излучателей относятся их частотный спектр,

излучаемая мощность звука, направленность излучения.

Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является

собственная частота

и ширина полосы пропускания

, где -

добротность.

Также характеризуется чувствительностью, электроакустическим к.п.д. и

собственным электрическим импедансом.

Обратимые преобразователи в режиме приема акустического сигнала позволяет

воспроизводить временную форму сигнала и, следовательно, получить сведения о

его фазе, частоте и спектре.

Приемники, размеры которых много меньше длины волны, так называемые точечные,

позволяют получить сложную пространственную структуру акустического поля.

Итак, звуковые волны, излученные какими-либо источниками, могут проходить

через оптически непрозрачные тела, отражаться от инородных включений,

имеющихся в них, и достигать внешней поверхности тел.

Их распространение в однородной и неоднородной среде аналогично

распространению световых волн.

     Физические принципы акустической голографии.

При облучении плоской волной точечный объект, согласно принципу

Гюйгенса-Френеля, рассеивает сферическую волну

(рис.1). Если одновременно послать другую, опорную волну 

, когерентную первой, то в плоскости Р, поставленной на пути этих волн,

будет иметь место интерференционная картина. Располагая в плоскости Р

акустически пространственных квадратичный детектор, реагирующий на звуковое

давление изменением оптической прозрачности, получим распределение оптической

прозрачности на плоскости детектора в соответствии с формулой:

где ,

- амплитуды, а ,

- 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 плоской и

сферических волн (рис.1) имеет вид концентрических окружностей равна

. Это так называемая 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). Если прозрачность решетки изменятся по синусоидальному закону, то

волны порядка выше 1-го отсутствуют. Углы, под которым распространяются волны

1-го порядка, увеличиваются при переходе от центра данной решетки к ее краям.

Все лучи +1-го порядка пересекаются в одной точке, а все лучи -1-го порядка

исходят из одной точки, то есть лучи первых порядков образуют две сферических

волны – сходящуюся и расходящуюся. Точка, из которой расходится волна и точка,

в которой она сходится, расположены симметрично по обе стороны голограммы,

образуя мнимое и действительное изображение источника.

Голограмма протяженного предмета представляет собой совокупность многих

точек, поэтому каждая из них являясь источником сферических волн, при

интерференции с опорной волной (плоской) создает свою зонную решетку Френеля

на пространственном детекторе. Восстановление 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 плоская голограмма при восстановлении передает глубину предмета

и позволяет получать объемные изображения.

Как было сказано выше, суть голографического метода состоит в одновременной

регистрации пространственного распределений амплитуды и фазы рассеянной

объектом волн. Способы же регистрации зависят от свойств приемника звука и

всего приемного тракта в целом. В зависимости от постоянной времени реального

приемника и характера регистрируемой им величины последний зафиксирует а либо

усредненную по времени величину, пропорциональную квадрату амплитуды волны (

) (квадратичный приемник с большой постоянной времени).

Первый случай характерен для электромагнитных колебаний оптического диапазона,

где вследствие крайне высокого номинала несущей частоты колебаний (~1014

Гц) не существует приемников с малой постоянной времени; более того

безинерционные изменения в оптике принципиально неосуществимы. Это ограничение

сужает круг используемых приемников до среднеквадратичных (глаз, ортопластинка,

фотоэлемент и так далее), а единственным способом регистрации фазы становится

интерферометрический метод.

Иная ситуация имеет место в акустике, где помимо квадратичных приемников

существуют также удобные линейные приемники звука. В связи  с этим в акустике

имеется возможность раздельного измерения компонент, входящих в вектор

Умова-Пойтинга

либо в виде среднеквадратичных, что существенно расширяет возможность

голографического метода и приводит к возникновению ряда интересных

особенностей, не имеющих аналогов в оптике.

В случае регистрации голограммы квадратичным приемником акустическая

голография с опорным пучком аналогична соответственному оптическому методу.

Специфика ультразвука начинает проявляется тогда, когда опорный пучок

используется в сочетании с линейным приемником. При этом, если квадратичный

приемник звука осуществляет одновременно прием колебаний, их детектирование

(усреднение по времени с выделением низкочастотной составляющей сигнала), то

линейный приемник осуществляет лишь их прием. Таким образом, выбор того или

иного типа приемника в акустической голографии определяет и возможную

последовательность операций при голографировании. В одном случае

(квадратичный приемник) требуется сначала сложить опорную и рассеянную

объектом волну, а затем зарегистрировать результат их интерференции; для

линейного приемника звука порядок операций может быть либо таким же, либо

иным. Можно сначала зарегистрировать рассеянную объектом волну, и уже после

этого сложить ее с опорной. Благодаря этому обстоятельству реальный опорный

акустический пучок можно заменить соответствующим образом преобразованным

сигналом в электромагнитных цепях после приема объектной волны.

Пусть акустическая голограмма регистрируется путем постоянного сканирования

точечным линейным приемником 1 в некоторой плоскости 2 (рис.3), тогда выходное

напряжение на приемнике

, пропорционально потенциалу рассеянного объектом 3 поля

.

     ~

где и

- амплитуда и фаза рассеянной объектом волны,

- угловая частота колебаний

, и

- векторные координаты объекта и голограммы с началом в точке

соответственно.

Опорная волна может быть также представлена в виде электрического сигнала:

     ~

где и

- амплитуда и фаза опорной волны,

, - векторная

координата опорного источника.

Если в качестве опорной используется плоская монохроматическая волна, падающая

под углом к оси Х,

вдоль которой производится сканирование, то формула * примет простой вид:

     **

где ,

- длина волны, -

некоторая начальная фаза колебаний, а

, где - скорость

сканирования вдоль оси Х.

Таким образом, как следует из выражения **, для электрической имитации плоской

опорной волны, падающей под углом

к плоскости сканирования, необходимо создать сигнал, частота которого будет

отличаться от первоначального на величину:

     .

При этом, в результате сложения полученного таким образом электрического

сигнала с приемника будет достигаться полный эффект интерференции предметной

и опорной акустических волн.

Следовательно, для электрической имитации сферической опорной волны

необходимо либо изменить скорость сканирования пропорционально координатам Х

и Y, либо, что более удобно, слегка «качать» частоту колебаний по отношению к

первоначальной, в зависимости от положения фиктивного волнового фронта.

Следует упомянуть и такой способ имитации опорной волны, как поворот

плоскости голограммы на некоторый угол по отношению нормали к объекту,

предложенный в работе. Такой поворот плоскости регистрации означает просто

изменение ракурса объекта, при котором первоначально голографируемым ***

объекта (до поворота) соответствуют более высокие пространственные частоты.

При этом в качестве опорного сигнала используется неизменная частота от

генератора, используемого для возбуждения излучателей.

Электрическое сложение соответствующих сигналов исключает необходимость иметь

реальный акустический опорный источник, в качестве опорного сигнала можно

использовать и соответственно измененный сигнал от генератора, питающего

облучающий объект преобразователь. На выходе суммирующего усилителя в

результате интерференции  электрических сигналов появится электрически

созданный образ акустического поля.

Другая интересная особенность акустической голографии – возможность получения

голограмм с помощью неподвижного точечного приемника при непрерывном

облучении исследуемого объекта точечным излучателем, а также возможность

синтезирования голограмм посредством сканирования излучателем. Эти свойства

являются проявлением более общего принципа – принципа взаимности,

справедливого для любой линейной системы. Согласно этому принципу, величина

воздействия на любой элемент линейной системы не изменятся, если в системе

произвести замену этого элемента источником энергии. В данном случае это

свойство позволяет заменить точечный сканирующий приемник точечным

сканирующим излучателем, и, таким образом, регистрировать голограмму в

единственной точке при непрерывном облучении объекта движущимся точечным

излучателем; полученная подобным методом голограмма не будет отличаться от

голограммы, полученной обычным методом сканирования.

Анализ показывает, что сигнал на приемнике инвариантен к замене точечного

приемника точечным излучателем. Необычность регистрации голограммы со

сканирующим излучателем состоит в том, что получаемая голограмма представляет

собой результат интерференции непрерывно изменяющихся волновых фронтов, ни в

один из моментов времени не совпадающих с реальным волновым фронтом, который

имел бы место при облучении объекта неподвижным излучателем.

Рассмотренное свойство позволяет до некоторой степени обойти трудности,

возникающие из-за отсутствия акустических приемников с большим числом

элементов разрешения путем регистрации голограмм в одной точке и облучения

объекта движущимся излучателем (или группой сфазированных между собой

излучателей).

Следует отметить еще одну особенность акустической голографии, являющуюся

следствием сравнительно малой скорости распространения звука. Имея в своем

распоряжении малоинерционный линейный приемник звука, можно вообще отказаться

от опорного пучка (реального или имитированного), поскольку в этом случае

каждый момент времени регистрируется мгновенная картина – мгновенная

«фотография» акустического поля. В отличие от интерферометрического метода

фаза объектной волны регистрируется не по отношению к фазе опорной волны, а

по отношению к некоторому определенному моменту времени  - моменту времени

регистрации. Полученная картина поля представляет собой так называемую

голограмму «с временным репером».

     Применении акустической голографии.

Исследование строения Земли – одно из самых первых практических применений

звуковых волн для изучения внутреннего устройства оптически непрозрачных

объектов.  Голографические методы при изучении недр Земли призваны

расшифровать картину отраженных сейсмических волн, поэтому за ними

укрепляется название «сейсмической голографии».

Основная задача – построение изображения объектов в сложных случаях. Однако

она используется и в более простых ситуациях для определения плоской границы

при малом коэффициенте отражения, когда акустические свойства соприкасающихся

пород сравнительно мало различаются. В этом случае наилучшие результаты

получаются при восстановлении изображения с помощью ЭВМ.

Для получения изображения объекта с шероховатой поверхностью разработан

метод, который получил название Д-преобразования или «импульсной голографии».

Акустическая голография находит применение в технической дефектоскопии. Один

из способов получения голографического изображения заключается в помещении

исследуемого объекта и двух источников акустических сигналов, основного и

опорного, в ванну с жидкостью. На поверхности которой получают акустическую

голографическую картину.

Восстанавливают изображения объекта с помощью подсветки пучком когерентных

звуковых волн лазера. К сожалению из-за большой разницы в длинах волн имеющих

место при голографировании и восстановлении, изображение будет фокусироваться

на большом удалении. Зрительный инструмент должен иметь телескопическую