«Звуковидение»

получение с помощью звука видимого изображения объекта, находящегося в оптически непрозрачной среде. З. основана на проникающей способности звука и особенно Ультразвука и их визуализации (см. Звукового поля визуализация). В З. обычно используются упругие колебания в диапазоне частот от 10 кгц до 100 Мгц и выше. Ультразвуковые волны хорошо проходят через металлы, пластмассы, большинство строительных материалов, живые ткани и жидкости. По отражению и преломлению ультразвуковых лучей от границ раздела твёрдое тело— газ(вследствие неодинаковых скоростей распространения ультразвуковых волн в различных средах) можно обнаруживать твёрдые тела и газовые пузыри в жидкостях и живых тканях, а также трещины, раковины и пустоты в твёрдых телах, что используется для изучения и контроля структуры и геометрии внутренней неоднородностей оптически непрозрачных тел. З. выгодно отличается, например, от рентгеноскопии тем, что ультразвук легко фокусируется акустическими линзами и зеркалами в узкие, ограниченные в пространстве пучки (лучи), тогда как рентгеновские лучи, обладающие высокой проникающей способностью, практически невозможно сфокусировать — при рентгеноскопии получаются лишь теневые, силуэтные изображения. Заметить с помощью рентгеновских лучей в металлическом листе толщиной 5 мм расслоение в несколько мкм — задача практически неразрешимая. А ультразвуковой луч, отражённый от границы раздела металл — газ, достаточно четко «рисует» такие расслоения (рис. 1, а). Почечный камень размером 2 мм для рентгеновских лучей почти не различим, З. выявляет его вполне отчётливо (рис. 1, б).

Общая схема З. (рис. 2, а) включает источник ультразвука, объект наблюдения, акустический объектив, с помощью которого формируется ультразвуковое изображение, и преобразователь ультразвукового изображения в оптически видимое.

Применяют также способ З., основанный на свойстве свободно взвешенных мельчайших металлических пластинок-чешуек поворачиваться плоскостью поперёк направления распространения ультразвука. Исследуемый объект помещается между источником ультразвука и сосудом с жидкостью, в которой плавают чешуйки. Освещенные пучком параллельных световых лучей переориентированные чешуйки образуют светлое изображение на сером фоне, соответствующее распределению интенсивности ультразвука (звукового давления), прошедшего сквозь объект. Схема установки для получения видимого изображения с использованием явления дифракции лазерного луча на ультразвуковой волне, прошедшей через объектнаблюдения, показана па рис. 2, б. Световой пучок лазера, сформированный оптической системой, пронизывает жидкость, в которой находится объект наблюдения. Показатель преломления жидкости, облучаемой ультразвуком, изменяется таким образом, что оптический луч, проходя жидкость, создаёт на экране дифракционные полосы, содержащие изображение объекта.

Системы З., использующие приведённые методы визуализации ультразвуковых полей, имеют чувствительность порядка 1—0,01 вм/см². Однако для многих практических целей необходима значительно более высокая чувствительность. Этому требованию отвечают электронноакустические преобразователи (См. Электронноакустический преобразователь) (ЭАП), чувствительность которых 10^-9—10^-10 вм/см². Впервые на возможность преобразования ультразвукового изображения в оптически видимое с помощью электроннолучевых трубок указал (1936) советский учёный С. Я. Соколов. Развитие методов визуализации ультразвуковых полей и совершенствование аппаратуры З., в частности разработка высокочувствительных ЭАП, обусловили создание «звуковизоров» (рис. 2, в) и др. средств З. для применения их в дефектоскопии (См. Дефектоскопия), медицинской диагностике, при строительных работах, в подводной навигации и др.

Примером практического З. может служить метод поверхностного рельефа, при котором ультразвуковое изображение исследуемого объекта воссоздаётся па свободной поверхности жидкости. Под воздействием ультразвука на поверхности жидкости, например воды, образуется рябь, хорошо заметная при косом освещении. Очертания и рельеф ряби воспроизводят ультразвуковое изображение объекта (рис. 3). По такому принципу работают установки для обнаружения расслоений и трещин в листовом материале. Исследуемый лист перемещается в водяной ванне над облучающим ультразвуковым «прожектором».

Звуковая линза, помещенная над листом, фокусирует звуковое изображение дефектов на поверхности воды.

Лит.: Розенберг Л. Д., Визуализация ультразвуковых изображений, «Вестник АН СССР», 1958, №3; Ощепков П. К., Меркулов А. П., Интроскопия, М,, 1967; Азаров Н. Т., Телешевский В, И., Визуализация объектов в ультразвуковых полях методом дифракции света на ультразвуке, «Акустический журнал», 1971, т. 17, в. 3; Holder F. W., Sonic holography, «Electronics World», 1970, v. 83, № 6, p. 32—35; Aprahamian R., Bhuta P., G. NDT by acousto-optical imagine;, «Materials Evaluation», 1971, v. 29, № 5.

К. М. Климов.

Рис. 1б. Изображения, полученные с помощью звуковидения. Почечный камень, который «светится» в отражённых лучах.

Рис. 1а. Изображения, полученные с помощью звуковидения. Расслоение глубиной в несколько мкм в листе алюминия толщиной 5 мм.

Рис. 2. Схемы звуковидения: a — в отражённых лучах (общая схема); б — по методу дифракции; в — в «звуковизоре» (лабораторная модель); 1 — источник (излучатель) ультразвука; 2 — объект наблюдения; 3 — акустический объектив; 4 — ультразвуковое изображение; 5 — преобразователь; 6 — видимое изображение (экран); 7 — лазер; 8 — ультразвуковые волны; 9 — электронноакустический преобразователь; 10 — усилитель.

Рис. 3. Звуковидение по методу поверхностного рельефа: а — схема; б — видимое изображение; 1 — источник звука; 2 — объект; 3 — вогнутое зеркало (объектив); 4 — жидкость; 5 — сосуд; 6 — экран.

ЗВУКОВИДЕНИЕ - метод интроскопии, при котором изображение объекта, не видимого невооруженным глазом, получают с помощью звука (преимущественно ультразвука), используя его свойство распространяться в различных средах с неодинаковой скоростью. Приборы для звуковидения - звуковизоры.

ЗВУКОВИДЕНИЕ, смотри в статье Интроскопия.

ultrasonoscopy

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) регистрируетсяпространств. 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 голографичeского 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 d х зависит от волновых размеров В приёмных пространств. детекторов и определяется по ф-ле: dx=lR/D = R/B, где R- расстояние _до предмета, B=D/l. Разрешение тем лучше, т. е. d х 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 дефектоскопии3. 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.