声全息

编辑:狂吠网互动百科 时间:2020-01-26 15:12:46
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声全息(acoustical holography)是将全息照相原理引入声学领域而形成的声成像技术。又称声全息术[1] 
全息照相原理是利用干涉原理来获得被观察物体声场全部信息振幅 分布和相位分布),并利用衍射原理再现物体的像。它一般包括获得声全息图和由声全息图重建物体可见像。[2-3] 
中文名
声全息
外文名
acoustical holography
别    称
声全息术
特    征
全息照相原理引入声学的成像技术

声全息原理

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声全息是在20世纪60年代中期把全息技术引进声学领域而形成的新学科,它是为了检测和
声全息 声全息
显示可见光X射线不透明的媒质中的结构而提出来的。声波光波在传播特性上有相似的规律,都可利用“波阵面重建”原理进行成像。最早的声全息成像即超声液面全息就是参照光全息的方式。在水槽中由一个物波换能器发射的超声束,穿过被观察物体后投射到位于水面的液膜上;而由另一个参考波换能器发射的同频率超声束直接投射于液面。两波在液面上叠加干涉形成的声强分布,使液膜产生相应的形变构成全息图。然后,在液面上方用激光束照射液膜,通过光学重建获得物体图像。液面全息的优点是能实时重建图像,缺点是液膜易受干扰且不稳定。又因波长相差约五个数量级,故用光波对声全息图进行重建,会因纵向分辨率畸变而使图像失去三维性。[1]  [2] 
随后出现的扫描声全息充分发挥声波自身的特点。特别是利用声学中有线性检测器传声器水听器接收换能器等)可直接测出物波衍射场的幅度相位,转换为电信号。参考波也可用电信号模拟。两者的相干可用电子学方法实现,因而能方便地获得物波场的全息数据(声全息图)。将全息数据转换为光学图样,可用于光学重建;运用计算机与数字化技术,则可更灵活地进行数据处理图像重建。最简单的扫描方式是单探头扫描,即只用一个声接收换能器,在物波衍射场的选定平面上进行格栅式扫描。为提高记录速度,后采用线阵扫描。但任何机械扫描均受各种限制而不可能太快(相对于声速),难以用于运动物体的成像,因而出现了二维阵成像系统。二维阵多用方阵(阵元数N×N)或矩形阵(阵元数N×M)。为保证成像的分辨率,阵的孔径需足够大;要达到一定视野和对比度,又需有足够的阵元数。这无疑增加了系统硬件的规模和复杂性。要用较少的阵元获得较大的孔径,出现了发射阵与接收阵的综合孔径技术的成像系统。其中典型的有日本冲电气公司研制的4×4发射阵与32×32接收阵综合孔径声全息水下成像系统。该系统采用计算机重建,成像速率为1帧/2秒。[1] 
上述各种声全息系统的成像距离d都远大于声波波长λ,即d>>λ的较远距离,习惯上称为常规声全息。20世纪80年代,美国宾夕法尼亚大学的J.梅纳德、E.威廉斯等提出适用于成像距离甚小于声波长,即d<<λ的近场声全息(NAH)。由于在极临近被测声源或物体的距离上测量,故除常规全息所接收的携有目标结构低空间频率信息的传播波成分外,还能收到随距离迅速衰减的倏逝波成分。而这种倏逝波成分携有目标细结构的高空间频率信息。所以,用记录有传播波和倏逝波成分的全息数据,进行图像重建(称为广义声全息重建),其成像分辨率不受瑞利分辨率极限(λ/2)的限制,可达到辐射声波长的几分之一,甚至几十分之一。[1] 
低频声的波长较长,容易满足d<<λ的条件。因而,近场声全息特别适合于对低频声源进行空间定位和振动模式的准确测定。主要用于空气噪声源的定位,振动物体(机器乐器等)的模态分析中国科学院武汉物理与数学所研制出32阵元接收线阵扫描NAH系统,在空气中测出了古代乐器曾侯乙编磬的振动模式。[1] 
为有效测得全息数据,通过计算机进行快速傅立叶变换的运算,可方便地获得被测声源或目标的重建像。关键问题是要做到实时重建,尚需解决高密度二维接收阵和多通道快速并行处理数据的难题。当然,与其他声成像技术一样,研究被测声源或目标的声学特性,始终是获得高质量图像的基本物理问题。[1] 

声全息成像的种类

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声全息的具体成像方法的种类很多,液面声全息和扫描声全息是最常用的两种。液面声全息是利用液面的变形来形成声全息图的。频率为兆赫级的信号源同时激励两个声源。透过物体后的物波与参考声波在液面上相互干涉,在液面上形成了声全息图。当激光照射该液面时,声全息图表面就把相位变化加到反射光束上,使光束产生衍射,利用光阑,只让强度同液面上干涉图样振幅变化成正比的一级衍射光通过,经摄像头接收后就可以在荧光屏上直接观察到物体的实时重建像。若用宽度约数百个声波周期的声脉冲来进行液面声全息,并采用同步的脉冲激光来重建可见像,可以提高成像质量。[2] 
液面声全息的优点是能实时重建物像,因此可以观察动目标。但为了获得可分辨的图像,液面处需要的最低声强为10-3—10-5W/cm2,所以其灵敏度较低,不宜用于较大距离的检测。[2] 
  扫描声全息是一种灵敏的成像方法,它成像所需的声强只要10-11W/cm2。它是采用一个点接收器在物波与参考波重叠声场的全息记录平面上扫描,来获得每一点上的相位和振幅信息。若用这个信号调制一同步扫描的点光源,使底片感光,就能得到一幅声全息图。当然,扫描的也不一定必须是接收器,也可以是声源或被测物体,甚至也可以是声源和接收器一起进行扫描。[2] 
在扫描声全息中,也可以不用参考声源,点接收器提供的物波信号可以直接与超声波发生器提供的参考电信号相互叠加,然后输至显示器,以显示声全息图。这种方法不仅比较简单,而且还有减少声干扰信号的明显优越性。[2] 
在由声全息图重建物像的方法中,除光学法重建外,随着高速通用数字计算机的发展,以及快速傅里叶变换和阿达玛变换等算法的出现,在声全息中利用电子计算机进行成像处理技术也得到了发展。这种数字声全息技术通常用换能器对声全息图或被物体散射波阵面的相位和振幅进行扫描,而获得数字化超声数据;然后对数字化数据进行滤波或其他数字信号处理,在计算机内重建数字物像,最后再显示声全息物像。由于超声数据的数字化 ,不仅可以很方便地使用各种数字滤波技术来消除图像中噪声,提高成像质量,而且也便于进行图像平移、图像变换及图像彩色编码等处理工作,从而减小了像液面声全息中菲涅耳环的干扰和在扫描声全息中声波多次反射折射所造成的像的畸变。而且,数字相位检测技术允许使用宽带的发射脉冲,这又使空间分辨率得到显著的提高 。[2] 

声全息技术应用

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声波能通过不透光的物质(雾气、浑水、金属等),故声全息在获得这些物质中物体形状及其结构的可见图像方面具有独特优点,在材料缺陷的无损检测、水下物体的探测与识别、人体病灶的医学诊断的应用上,有重要应用价值。[1] 
声全息仍是一项正在发展并具有巨大潜在应用的技术。从技术条件和应用需求来看,用于医学诊断的实时、三维声全息成像技术可望首先取得突破性进展。[1] 
参考资料
  • 1.    词条作者:应崇福.《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学 词条:声全息:中国大百科全书出版社,2009-07:411页
  • 2.    词条作者:魏墨盦.《中国大百科全书》74卷(第一版)物理学 词条:声全息:中国大百科全书出版社,1987
  • 3.    词条作者:刘于凡.《中国大百科全书》74卷(第一版)力学 词条:声全息术:中国大百科全书出版社,1987
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