популярно о природе звука

Ультразвуковая голография

В настоящее время, пожалуй, наиболее интересной и бурно развивающейся областью оптики является голография. Этот метод был разработан в 1947 году Деннисом Габором. Голография позволяет световые волны, исходящие от объекта, «заморозить» на фотопластинке, а затем, когда потребуется, полностью восстановить картину, осветив фотопластинку соответствующим образом. В результате наблюдатель может видеть трехмерное изображение первоначального объекта. Сегодня методы получения голограмм общеизвестны. Отдельный предмет или сцена обычно освещается лучом лазера. Луч другого лазера, когерентный с первым, является опорным. Отраженный от предмета свет накладывается на опорный пучок, создавая интерференционную картину, которая записывается на фотопластинке. Это и есть голограмма.

Инженеры-акустики неоднократно пытались провести аналогичные эксперименты со звуковыми волнами. Поэтому не удивительно, что сегодня быстро развивается новая область науки и техники - акустическая голография. В ней вместо когерентных световых волн применяются когерентные ультразвуковые волны. В настоящее время разрабатывается надежная методика получения трехмерных изображений с помощью ультразвука. Она открывает значительные возможности в разнообразных неразрушающих исследованиях, медицинской диагностике и обнаружении объектов, находящихся в мутной воде.

В принципе ультразвуковая голография ничем не отличается от оптической. В самом деле, объект облучается ультразвуковым пучком; звуковые волны, прошедшие через него, накладываются затем на опорный пучок, порождая интерференционную картину. Однако в акустической голографии такую интерференционную картину записать нелегко. В первых опытах, проведенных в 1966 году, интерференционная картина создавалась в виде стоячих волн (ряби) на поверхности воды, налитой в сосуд. Эту картину освещали лучом лазера и наблюдали через систему линз. Изменяя фокусное расстояние объектива, можно было наблюдать любую часть внутренней стороны предмета. Если картину ряби осветить простым светом и сфотографировать, то в результате мы получим голограмму обычного типа, которую можно восстановить, освещая фотопластинку лучом лазера.

Метод, впервые разработанный Мюллером с сотрудниками, давал изображения плохого качества. Усовершенствовав эту установку, американские ученые Смит и Бренден несколько повысили качество изображения. Непрерывный источник ультразвука они заменили импульсным; на пути звуковых волн, идущих от объекта к поверхности, установили акустическую линзу, фокусирующую звуковые волны, и, наконец, поставили маленький бачок с водой (дном его служила мембрана), на поверхности которой образовывалась голограмма.

В другом случае для записи акустических голограмм был использован зонд-преобразователь, который путем механического сканирования делал зарисовку ультразвукового поля. Выходными сигналами с зонда модулировали интенсивность слабого источника света и затем изменение интенсивности света записывали на фотопластинке. Этот метод был предложен американским ученым Метероллом с сотрудниками. Следует особо отметить, что при таком способе не требуется опорного пучка. Его заменяет опорное напряжение, снимаемое с генератора ультразвуковых сигналов. Оно добавляется к напряжению выходного сигнала с зонда, и в результате создается комбинированный сигнал.

Некоторые исследователи пробуют осуществлять запись голограммы с помощью большого количества расположенных в виде мозаики приемных преобразователей. По их подсчетам, для зарисовки узкой полосы (шириной в несколько градусов) потребовалось бы только 1000 приемных преобразователей. Однако при широком угле зрения, порядка 180°, необходимо уже 420 000 таких элементов. Исследователи в области акустической голографии настроены оптимистически. Они предвидят широкое использование этого метода в самых  различных областях,  включая  подводные исследования, медицинскую диагностику, неразрушающие испытания материалов, а для высоких частот - в биологической и физической ультразвуковой микроскопии.