Акустическая голография

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 ультразвуковых 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 акустической голографии 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.

Практически все современные методы акустической голографии основаны на применении линейных акустических преобразователей, что позволяет не использовать опорную волну. Поскольку рассеянное поле от объекта регистрируется с сохранением фазовой и амплитудной информации, то восстановление изображения по такой голограмме не требует использования опорной волны. Вместе с тем существует и точная аналогия акустической голограммы оптической. В гидролокаторах с корреляционной обработкой сигналов используется приём рассеянного поля матрицей акустических преобразователей и перемножение принятых сигналов с опорным электрическим сигналом при корреляционной обработке. В качестве таких сигналов часто используют сложные широкополосные сигналы, например сигналы с частотной модуляцией.

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 ${\displaystyle 50\times 50\,{\text{мм}}}$ на длине волны света ${\displaystyle 0,5\,{\text{мкм}}}$ может содержать около ${\displaystyle 2,5\cdot 10^{9}}$ отдельных «приёмников» – зёрен фотоэмульсии. Даже на достаточно высоких ультразвуковых частотах волновые размеры приёмных акустических апертур при оптическом восстановлении акустических голограмм на несколько порядков меньше, а при электронном методе восстановления число независимых точек приёма, т. е. отдельных электроакустических преобразователей, обычно не превышает ${\displaystyle 10^{4}}$.

Кроме того, при оптических методах восстановления акустических голограмм возникают геометрические искажения изображений, связанные с тем, что запись голограммы производится на длине волны звука ${\displaystyle \lambda _{\rm {\text{ак}}}}$, а восстановление – на длине волны света ${\displaystyle \lambda _{\rm {\text{св}}}}$ и их отношение в большинстве практических случаев велико: ${\displaystyle \mu =\lambda _{\rm {\text{ак}}}/\lambda _{\rm {\text{св}}}\gg 1}$. Изображение восстанавливается в неискажённом виде только в том случае, если полученную акустическую голограмму уменьшить точно в ${\displaystyle \mu }$ раз. Однако из-за того, что размеры такой голограммы слишком малы, уменьшение голограмм осуществляется с неким коэффициентом ${\displaystyle m}$, меньшим, чем ${\displaystyle \mu }$. При этом поперечные размеры восстановленного объекта уменьшаются в ${\displaystyle m}$ раз, а продольные размеры – в ${\displaystyle m^{2}/\mu }$ 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.

Методы акустической голографии 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-временно́й обработки акустических сигналов.

На инфразвуковых и низких звуковых частотах методами акустической голографии можно получить информацию о структуре земной коры и дна океана, выявить наличие неоднородностей в естественных средах. На звуковых и низких ультразвуковых частотах методы акустической голографии 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 ультразвуковых частот акустическая голография используется в различных областях науки и техники, например в акустической микроскопии, в устройствах медицинской ультразвуковой диагностики, неразрушающем контроле (дефектоскопии).