ЗВУКОВИ́ДЕНИЕ

Рис. 1. Принцип линзового звуковидения.

ЗВУКОВИ́ДЕНИЕ, по­лу­че­ние изо­бра­же­ний объ­ек­тов, на­хо­дя­щих­ся в разл. сре­дах, с по­мо­щью аку­сти­че­ских волн. Прин­ци­пы З. во мно­гом ана­ло­гич­ны оп­тич. прин­ци­пам по­лу­че­ния изо­бра­же­ний. Наи­бо­лее точ­ной ана­ло­ги­ей яв­ля­ет­ся лин­зо­вое З., при ко­то­ром для по­строе­ния изо­бра­же­ния объ­ек­та ис­поль­зу­ет­ся аку­стич. лин­за (см. Фо­ку­си­ров­ка зву­ка). Объ­ект «ос­ве­ща­ет­ся» аку­стич. по­лем от из­лу­ча­те­ля (рис. 1), часть рас­се­ян­ных и от­ра­жён­ных от не­го волн про­хо­дит че­рез аку­стич. лин­зу, ко­то­рая соз­да­ёт зву­ко­вое изо­бра­же­ние объ­ек­та. В плос­ко­сти изо­бра­же­ния лин­зы ус­та­нав­ли­ва­ет­ся при­ём­ник аку­стич. сиг­на­лов, пре­об­ра­зую­щий про­стран­ст­вен­ное рас­пре­де­ле­ние зву­ко­во­го дав­ле­ния в со­от­вет­ст­вую­щие элек­трические сиг­на­лы с це­лью их по­сле­дую­ще­го пре­об­ра­зо­ва­ния в оп­тическое изо­бра­же­ние.

Рис. 2. Звуковидение с фазированными антенными решётками.

По­сколь­ку дей­ст­вие аку­стич. при­ём­ни­ков, как пра­ви­ло, ос­но­ва­но на ли­ней­ных пре­об­ра­зо­ва­ни­ях, функ­ции аку­стич. линз мо­гут быть реа­ли­зо­ва­ны с по­мо­щью элек­трон­ных (в т. ч. циф­ро­вых) уст­ройств. Та­кие уст­рой­ст­ва З. по­лу­чи­ли назв. аку­стич. фа­зи­ро­ван­ных ан­тен­ных ре­шё­ток. Зву­ко­вые сиг­на­лы (рис. 2) сна­ча­ла при­ни­ма­ют­ся аку­стич. при­ём­ни­ком, пре­об­ра­зу­ют­ся им в элек­трич. сиг­на­лы, ко­то­рые за­тем под­вер­га­ют­ся про­стран­ст­вен­но-вре­меннóй об­ра­бот­ке в про­цес­со­ре и ви­зуа­ли­зи­ру­ют­ся. В ка­че­ст­ве аку­стич. при­ём­ни­ков в осн. ис­поль­зу­ют­ся мат­ри­цы из отд. пье­зо­элек­три­че­ских пре­об­ра­зо­ва­те­лей (напр., гид­ро­фо­нов), чис­ло ко­то­рых со­от­вет­ст­ву­ет чис­лу тре­буе­мых то­чек раз­ре­ше­ния (пик­се­лов) в аку­стическом изо­бра­же­нии по про­стран­ст­вен­ным ко­ор­ди­на­там $x, y$.

Осн. па­ра­мет­ра­ми, оп­ре­де­ляю­щи­ми ка­че­ст­во аку­стич. изо­бра­же­ний в З., яв­ля­ют­ся ве­ли­чи­ны про­стран­ст­вен­но­го раз­ре­ше­ния по по­пе­реч­ным ко­ор­ди­на­там $x, y$ и рас­стоя­нию до объ­ек­та (про­доль­ная ко­ор­ди­на­та) $R$. Про­стран­ст­вен­ное (ли­ней­ное) раз­ре­ше­ние по по­пе­реч­ной ко­ор­ди­на­те за­ви­сит от час­то­ты сиг­на­ла $f$, раз­ме­ров при­ём­ной ан­тен­ны $D_{x,y}$ и расстоя­ния $$R:\: Δ_{x,y} = CR/fD({x,y} = λR/D_{x,y}$, где $C$ и $λ$ – ско­рость и дли­на зву­ко­вой вол­ны со­от­вет­ст­вен­но. Раз­ре­ше­ние тем вы­ше, чем мень­ше $Δ_{x,y}$. Ве­ли­чи­на $δ = λ /D_{x,y}$ по­лу­чи­ла назв. уг­ло­во­го раз­ре­ше­ния ан­тен­ны.

Рис. 3. Изображение младенца в утробе, полученное с помощью УЗ-аппарата «Секвойя» («Siemens»)на частоте 7 MГц.

Уст­рой­ст­ва З. по­зво­ля­ют по­лу­чать не толь­ко дву­мер­ные (в ко­ор­ди­на­тах $x,\: y$), но и трёх­мер­ные аку­стич. изо­бра­же­ния. Для их по­строе­ния ис­поль­зу­ет­ся им­пульс­ный ре­жим из­лу­че­ния. По мо­мен­ту из­лу­че­ния зву­ко­во­го сиг­на­ла, ско­рости рас­про­стра­не­ния зву­ка в сре­де мож­но с вы­со­кой точ­но­стью оп­ре­де­лить вре­мя при­хо­да им­пуль­сов с разл. рас­стоя­ний и из­ме­рить рас­стоя­ния до то­чек объ­ек­та, по­стро­ив тем са­мым трёх­мер­ное изо­бра­же­ние.

Рис. 4. Изображение затонувшего судна, полученное с помощью гидролокатора бокового обзора С-5000 («Klein sonar Inc») на частоте 500 кГц.

В мат­рич­ных ан­тен­нах отд. аку­стич. при­ём­ни­ки рас­по­ла­га­ют­ся, как пра­ви­ло, с ша­гом $d = λ/2$. Т. о., чис­ло при­ём­ни­ков в дву­мер­ной ан­тен­ной ре­шёт­ке со­став­ля­ет: $N_x·N_y = 4D_x·D_y/λ^2$. Для оп­ре­де­ле­ния $R$ по­ми­мо им­пульс­но­го ре­жи­ма из­лу­че­ния и приё­ма зву­ко­вых сиг­на­лов воз­мож­но ис­поль­зо­ва­ние про­стран­ст­вен­ной фо­ку­си­ров­ки ан­тен­ны (как в оп­ти­ке). Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность по про­доль­ной ко­ор­ди­на­те при фо­ку­си­ров­ке ан­тен­ны оп­ре­де­ля­ет­ся фор­му­лой: $ΔR ≈ 3λ (R/D_{x,y})^2$, т. е. для по­лу­че­ния вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния тре­бу­ют­ся очень боль­шие раз­ме­ры ан­тенн и, как след­ст­вие, боль­шое чис­ло при­ём­ных эле­мен­тов. Вы­со­кое раз­ре­ше­ние по рас­стоя­нию (даль­но­сти, глу­би­не) в З. дос­ти­га­ет­ся при­ме­не­ни­ем вре­менно́й об­ра­бот­ки сиг­на­лов и им­пульс­но­го из­лу­че­ния. При этом раз­ре­ше­ние оп­ре­де­ля­ет­ся ли­бо дли­тель­но­стью из­лу­чае­мо­го уз­ко­по­лос­но­го сиг­на­ла, ли­бо ши­ри­ной по­ло­сы, ес­ли ис­поль­зу­ет­ся кор­ре­ля­ци­он­ная об­ра­бот­ка из­лу­чае­мых ши­ро­ко­по­лос­ных сиг­на­лов: $δR = CT/2$ – для уз­ко­по­лос­ных сиг­на­лов и $δR = C/2ΔF$ – для ши­ро­ко­по­лос­ных сиг­на­лов, где $T$ - дли­тель­ность, а $ΔF$ – ши­ри­на по­ло­сы сиг­на­ла.

Рис. 5. Изображение стаи лососей, полученное с помощью акустической линзовой камеры «Didson» на частоте 1,7 МГц.

Соз­да­ние дву­мер­ных пье­зо­элек­трич. мат­риц с боль­шим чис­лом при­ём­ных эле­мен­тов яв­ля­ет­ся слож­ной тех­но­ло­гич. про­бле­мой, осо­бен­но на вы­со­ких час­то­тах, по­это­му в боль­шин­ст­ве уст­ройств З. ис­поль­зу­ют­ся од­но­мер­ные ан­тен­ные ре­шёт­ки, по­зво­ляю­щие по­лу­чать аку­стич. изо­бра­же­ния объ­ек­тов в ко­ор­ди­на­тах $x, R$. Для соз­да­ния трёх­мер­но­го изо­бра­же­ния в ко­ор­ди­на­тах $x, y, R$, как пра­ви­ло, при­ме­ня­ют ме­ха­нич. уг­ло­вое или ли­ней­ное ска­ни­ро­ва­ние од­но­мер­ной ан­тен­ны.

З. наи­бо­лее ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в ме­ди­ци­не (УЗ-ди­аг­но­сти­ка), в под­вод­ных ис­сле­до­ва­ни­ях (по­лу­че­ние изо­бра­же­ний мор­ско­го дна, по­иск за­то­нув­ших пред­ме­тов, ос­мотр под­вод­ных со­ору­же­ний и др.), в не­раз­ру­шаю­щем УЗ-кон­тро­ле (рис. 3–5). Совр. УЗ-сис­те­мы мед. ди­аг­но­сти­ки, ра­бо­таю­щие в диа­па­зо­не час­тот от 2 до 15 МГц, по­зво­ля­ют по­лу­чать вы­со­ко­ка­че­ст­вен­ные изо­бра­же­ния внутр. ор­га­нов на глу­би­нах до 15 см с раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью до до­лей мил­ли­мет­ра. В под­вод­ных ис­сле­до­ва­ни­ях диа­па­зон час­тот З. ни­же и обыч­но со­став­ля­ет от 300 кГц до 2 МГц, а про­стран­ст­вен­ное раз­ре­ше­ние – от не­сколь­ких мил­ли­мет­ров до не­сколь­ких сан­ти­мет­ров на рас­стоя­ни­ях от еди­ниц до со­тен мет­ров. См. так­же Аку­сти­чес­кая то­мо­гра­фия.