ГОЛОГРА́ФИЯ АКУСТИ́ЧЕСКАЯ

ГОЛОГРА́ФИЯ АКУСТИ́ЧЕСКАЯ, ин­тер­фе­рен­ци­он­ный спо­соб за­пи­си, вос­про­из­ве­де­ния и пре­об­ра­зо­ва­ния зву­ко­вых по­лей. Осн. прин­цип по­лу­че­ния аку­стич. го­ло­грамм ана­ло­ги­чен оп­тич. го­ло­гра­фии: сна­ча­ла ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся по­ле, об­ра­зо­ван­ное ин­тер­фе­рен­ци­ей двух аку­стич. волн – опор­ной и рас­се­ян­ной пред­ме­том, а за­тем по по­лу­чен­ной кар­ти­не (аку­сти­че­ской го­ло­грам­ме) вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся ис­ход­ное изо­бра­же­ние пред­ме­та.

Методы получения и восстановления акустических голограмм

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 аку­стич. го­ло­грамм оп­ре­де­ля­ют­ся ви­дом ис­поль­зуе­мых при­ём­ни­ков.

В диа­па­зо­не ин­фра­зву­ко­вых, зву­ко­вых и низ­ких УЗ-час­тот для по­лу­че­ния аку­стич. го­ло­грамм ча­ще все­го при­ме­ня­ют­ся элек­тро­аку­стич. пре­об­ра­зо­ва­те­ли: мик­ро­фо­ны, виб­ро­дат­чи­ки, гид­ро­фо­ны, пре­об­ра­зую­щие зву­ко­вое дав­ле­ние в элек­трич. сиг­нал. Вос­ста­нов­ле­ние го­ло­грамм, т. е. по­лу­че­ние аку­стич. изо­бра­же­ний, мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся оп­ти­че­ским ли­бо элек­трон­ным спо­со­бом.

Оп­тич. вос­ста­нов­ле­ние ос­но­ва­но на разл. оп­тич. ме­то­дах ви­зуа­ли­за­ции зву­ко­во­го по­ля, из ко­то­рых наи­боль­шее при­ме­не­ние по­лу­чи­ли ме­тод по­верх­но­ст­но­го рель­е­фа, ме­тод ди­на­мич. 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 оп­тич. го­ло­гра­фии.

Ме­тод ди­на­мич. го­ло­гра­фии, как и ме­тод по­верх­но­ст­но­го рель­е­фа, ос­но­ван на де­фор­ма­ции по­верх­но­сти, но эта де­фор­ма­ция за­ви­сит от зву­ко­во­го дав­ле­ния не квад­ра­тич­но, а ли­ней­но. При про­хо­ж­де­нии зву­ка, напр., 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 (оп­тич. го­ло­грам­му). Опор­ный сиг­нал при этом не тре­бу­ет­ся.

Оп­тич. мо­ду­ля­ци­он­ные ме­то­ды Г. а. ос­но­ва­ны на ис­поль­зо­ва­нии для вос­ста­нов­ле­ния го­ло­грам­мы про­стран­ст­вен­ных мо­ду­ля­то­ров све­та – фо­то­плё­нок, элек­тро­оп­тич. и маг­ни­то­оп­тич. кри­стал­лов, тер­мо­пла­стич. плё­нок и др.

Элек­трон­ные ме­то­ды вос­ста­нов­ле­ния аку­стич. го­ло­грамм ос­но­ва­ны на элек­трон­ной об­ра­бот­ке элек­трич. сиг­на­лов (как пра­ви­ло, циф­ро­вым спо­со­бом). Рас­пре­де­ле­ние сиг­на­лов под­вер­га­ет­ся пре­об­ра­зо­ва­ни­ям ти­па дву­мер­ных пре­об­ра­зо­ва­ний Фу­рье – Фре­не­ля, в ре­зуль­та­те ко­то­рых фор­ми­ру­ет­ся вос­ста­нов­лен­ное изо­бра­же­ние.

Качество акустических голографических изображений

оп­ре­де­ля­ет­ся пре­ж­де все­го вол­но­вым раз­ме­ром при­ём­ной аку­стич. апер­ту­ры или эк­ви­ва­лент­ным чис­лом не­за­ви­си­мых то­чек приё­ма по пло­ща­ди го­ло­грам­мы. В оп­тич. го­ло­гра­фии пла­стин­ка раз­ме­ром 50×50 мм на дли­не вол­ны све­та 0,5 мкм мо­жет со­дер­жать ок. 2,5·10⁹ отд. «при­ём­ни­ков» – зё­рен фо­то­эмуль­сии. Да­же на дос­та­точ­но вы­со­ких УЗ-час­то­тах вол­но­вые раз­ме­ры при­ём­ных апер­тур при оп­тич. вос­ста­нов­ле­нии аку­стич. го­ло­грамм на неск. по­ряд­ков мень­ше, а при элек­трон­ном ме­то­де вос­ста­нов­ле­ния чис­ло не­за­ви­си­мых то­чек приё­ма, т. е. отд. элек­тро­аку­стич. пре­об­ра­зо­ва­те­лей, не пре­вы­ша­ет 5·10⁴.

Кро­ме то­го, при оп­тич. ме­то­дах вос­ста­нов­ле­ния аку­стич. го­ло­грамм воз­ни­ка­ют гео­мет­рич. ис­ка­же­ния изо­бра­же­ний, свя­зан­ные с тем, что за­пись го­ло­грам­мы про­из­во­дит­ся на дли­не вол­ны зву­ка λ_ак, а вос­ста­нов­ле­ние – на дли­не вол­ны све­та λ_св и их от­но­ше­ние в боль­шин­ст­ве прак­тич. слу­ча­ев ве­ли­ко: μ= λ_ак/λ_св≫1. Изо­бра­же­ние вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся в не­ис­ка­жён­ном ви­де толь­ко в том слу­чае, ес­ли по­лу­чен­ную аку­стич. го­ло­грам­му умень­шить точ­но в μ раз. Од­на­ко из-за то­го, что раз­ме­ры та­кой го­ло­грам­мы слиш­ком ма­лы, умень­ше­ние го­ло­грамм осу­ще­ст­в­ля­ет­ся с не­ким ко­эф­фи­ци­ен­том m, мень­шим, чем μ. При этом по­пе­реч­ные раз­ме­ры вос­ста­нов­лен­но­го объ­ек­та умень­ша­ют­ся в m раз, а про­доль­ные раз­ме­ры – в m²/μ раз. По этой при­чи­не на­блю­де­ние вос­ста­нов­лен­ных трёх­мер­ных аку­стических изо­бра­же­ний ста­но­вит­ся не­воз­мож­ным.

Для на­блю­де­ния трёх­мер­ных изо­бра­же­ний ис­поль­зу­ют­ся толь­ко элек­трон­ные ме­то­ды по­лу­че­ния и вос­ста­нов­ле­ния аку­стич. го­ло­грамм с из­лу­че­ни­ем ко­рот­ко­го им­пульс­но­го сиг­на­ла, что по­зво­ля­ет по­лу­чать го­ло­грам­мы на разл. 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 го­ло­гра­фич. изо­бра­же­ний ни­чем не от­ли­ча­ет­ся от ме­то­дов по­лу­че­ния зву­ко­вых изо­бра­же­ний с по­мо­щью фа­зи­ро­ван­ных ан­тен­ных ре­шё­ток.

Поч­ти все при­ме­няе­мые на прак­ти­ке ме­то­ды по­лу­че­ния го­ло­гра­фич. аку­стич. 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 оп­тич. ме­то­дов по­лу­че­ния и вос­ста­нов­ле­ния аку­стич. го­ло­грамм (ме­то­да по­верх­но­ст­но­го рель­е­фа или ме­то­да ди­на­мич. го­ло­гра­фии) край­не ог­ра­ни­че­но из-за тех­но­ло­гич. труд­но­стей соз­да­ния аку­сто­оп­тич. пре­об­ра­зо­ва­те­лей с боль­ши­ми при­ём­ны­ми апер­ту­ра­ми и вы­со­кой чув­ст­ви­тель­но­стью. Од­на­ко толь­ко та­кие ме­то­ды по­зво­ля­ют по­лу­чать аку­стич. изо­бра­же­ния, по ка­че­ст­ву при­бли­жаю­щие­ся к оп­ти­че­ским.

Применение акустической голографии

Ме­то­ды Г. а. ис­поль­зу­ют­ся в зву­ко­ви­де­нии – по­лу­че­нии изо­бра­же­ний пред­ме­тов с по­мо­щью аку­стич. волн, для по­лу­че­ния ам­пли­туд­но-фа­зо­вой струк­ту­ры от­ра­жён­ных и рас­се­ян­ных по­лей, из­ме­ре­ния ха­рак­те­ри­стик на­прав­лен­но­сти аку­стич. ан­тенн, про­стран­ст­вен­но-вре­менно́й об­ра­бот­ки аку­стич. сиг­на­лов.

На ин­фра­зву­ко­вых и низ­ких зву­ко­вых час­то­тах ме­то­да­ми Г. а. мож­но по­лу­чить ин­фор­ма­цию о струк­ту­ре зем­ной ко­ры и дна океа­на, вы­явить на­ли­чие не­од­но­род­но­стей в ес­те­ст­вен­ных сре­дах. На зву­ко­вых и низ­ких УЗ-час­то­тах ме­то­ды Г. а. при­ме­ня­ют­ся в под­вод­ном зву­ко­ви­де­нии, бес­кон­такт­ной ди­аг­но­сти­ке ма­шин и ме­ха­низ­мов по их соб­ст­вен­но­му шу­мо­из­лу­че­нию, при изу­че­нии по­лей разл. ко­ле­ба­тель­ных кон­ст­рук­ций и т. п. В диа­па­зо­не вы­со­ких УЗ-час­тот Г. а. ис­поль­зу­ет­ся в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки, напр. в аку­стич. мик­ро­ско­пии, в уст­рой­ст­вах мед. УЗ-ди­аг­но­сти­ки, не­раз­ру­шаю­щем кон­тро­ле (де­фек­то­ско­пии).