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    声全息技术及其应用

    2014-04-03 北京神州普惠科技股份有限公司

      近场声全息(Nearfield acoustic holography,简称NAH),是J.D.Maynard 和E.G.Williams等人在上世纪八十年代中期提出,主要用于噪声源的识别、声场的可视化等方面。其基本原理是在紧靠被测声源物体表面的测量面上记录全息数据,然后通过空间声场变换算法重构三维空间空间声场。

      NAH空间变换算法有二维Fourier变换法、边界元法(BEM)、Helmholtz最小二乘法(HELS)等;全息面复声压的测量分为基于声压法和基于声强法两种。基于声压测量的全息复声压测量方法有快照法(SnapshotMethod)、逐点扫描法(Single-Scanning Microphone Method)等。上世纪80年代末,Loyan和Pascal等提出了基于声强测量的平面宽带声全息技术,即BAHIM(Broadband Acoustic Holography based on Intensity Mearsurement)。

      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)的声成像技术。它一般包括获得声全息图和由声全息图重建物体可见像。

      为了构成声全息图,除了含有待测物体信息的声波──物波外,还需要另一束与物波相干的参考波,两者的干涉就形成了既有振幅信息又有相位信息的声全息图。声全息技术中,这参考波一般是声波,有时也可用电信号来模拟。为了把声全息图保存下来,通常把声全息图记录在照相底片上作为光调制器,需要时可随时用激光重建可见像。在不需保留声全息图的情况下,声成像的两个阶段也可以设法使其极快完成,这就是所谓实时重建。

    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,其装置如图1[液面声全息装置示意图]所示。

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    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了。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。图2[成人拇指的液面声全息重建像]是用液面声全息拍摄的重建像。



     

      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 ~10 W/cm ,所以其灵敏度较低,不宜用于较大距离的检测

      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 W/cm 它是采用一个点接收器(尺寸小于1/2 声波波长)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。

    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,如图3[ 扫描声全息装置示意图]所示。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。


     

      这种单探头的扫描声全息,虽然设备简单,但成像时间较长,所以只能观察静的目标。显然,用很多换能器布成面阵,就可以不需扫描而迅速记录一帧声全息图。这种布阵声全息能观察运动目标,但阵元数目较大,电子线路过分复杂。

      在由声全息图重建物像的方法中,除光学法重建外,近年来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的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。

      声全息是20世纪60年代中期把全息技术引进声学领域后出现的新学科,它是为了检测和显示可见光及X射线不透明的媒质中的结构而提出来的,这一应用前景引起了人们的重视,所以近年来在方法上和实验技术上均做了大量工作。实验证明了声全息在医疗诊断、无损检测和水下显示等方面都有应用的可能。但是,由于声波波长较长,存在着分辨率低、待测目标的散射比较复杂、而光重建像畸变较严重的缺点,再加上各种具体应用中的技术问题,使得声全息在推广应用方面尚受到一定限制。

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