Визуализация звуковых полей - методы получения видимой картины распределения величин,
характеризующих звуковое поле. Визуализация звуковых полей применяется для изучения полей сложной
формы, для целей дефектоскопии и медицинской диагностики, а также для визуализации
акустич. изображений предметов, получаемых либо с помощью акустич. фокусирующих
систем, либо методами акустич. голографии.
В зависимости от характера
используемого эффекта все методы визуализации звуковых полей можно подразделить на три группы:
1) методы, в к-рых используются осн. параметры звукового поля - звуковое давление,
колебат. смещение частиц, перем. плотность среды; 2) методы, основанные на квадратич.
эффектах в звуковом поле,- деформация водной поверхности под действием пондеромоторных
сил звукового поля, на акустических течениях, эффекте Рэлея диска; 3) методы, использующие вторичные эффекты, возникающие при распространении
звуковых волн достаточной интенсивности в жидкости,- тепловые эффекты, ускорение
процессов диффузии, дегазация жидкости, акустич. кавитация, эффекты гашения
и возбуждения люминесценции, изменения цвета красителей, непосредств. воздействия
УЗ на фотослой и т. д.
Среди методов первой группы
самый распространённый - сканирование исследуемого поля миниатюрным приёмником
звукового давления, электрич. сигнал с к-рогo преобразуется в световой, напр.,
с помощью электрич. лампочки или путём модуляции яркости луча электронной лучевой
трубки. Сканирование одиночным приёмником может быть использовано для визуализации звуковых полей стоячих волн, а для визуализации поля бегущей волны необходим набор (мозаика)
приёмников, быстро переключаемых с помощью электронного устройства.
Методы механич. сканирования
обычно применяют в диапазоне до 100 кГц; в диапазоне от 100 кГц до неск. десятков
МГц используют электронные методы сканирования мозаики пьезоприёмников или сплошной
пьезопластины с секционированным электродом на внутр. (тыльной) стороне. В последнем
случае посредством пьезоэффекта картина распределения звукового давления преобразуется
в соответствующий электрич. потенциальный рельеф на приёмном элементе, этот
рельеф считывается электронным лучом и далее преобразуется в видимое изображение.
Изменение плотности среды
в звуковом поле и соответствующее изменение показателя преломления для световых
лучей приводят к модуляции светового потока по фазе. Для визуализации этих фазовых
изменений применяется метод Тёплера (см. Теневой метод ),в к-ром используется
рефракция света в среде с перем. показателем преломления. Его модификация -
метод фазового контраста, в к-ром модуляция светового луча по фазе преобразуется
в модуляцию по амплитуде, дающую видимое изображение.
Для неразрушающего контроля визуализации звуковых полей применяют методы
визуализации звуковых полей, основанные на оптич. голографич. интерференции: на
одной и той же фотопластинке формируют две, три
и т. д. оптич. голограммы колеблющегося, излучающего звук тела; на восстановленном
изображении этого тела видны интерференц. полосы, соответствующие распределению
амплитуды колебаний по его поверхности (рис. 1). Методы голографич. интерферометрии
обладают высокой чувствительностью и позволяют обнаруживать весьма малые (0,0002
мм) деформации. Среди методов второй группы наиб. распространение получил метод
поверхностного рельефа (рис. 2), основанный на эффекте вспучивания свободной
поверхности жидкости под воздействием пондеромоторных сил УЗ-поля. Обусловленный
УЗ рельеф визуализируют с помощью направленного на поверхность жидкости светового
пучка, используя разл. методы, в т. ч. и теневой. В диапазоне частот 0,5-5 МГц
применяется голографич. модификация этого метода; при этом в образовании рельефа
поверхности участвуют интерферирующие акустич. волны - исследуемая и опорная.
В этом случае получают информацию не только об амплитудном распределении звукового
поля, но и о его фазовой структуре.
Рис. 1. Интерферограммы
поверхности колеблющейся мембраны.
Рис. 2. Схема метода поверхностного
рельефа: 1 - источник звука, 2 - объект, 3 - вогнутое зеркало
(объектив), 4-жидкость, 5 - сосуд, 6 - экран.
При реализации метода диска
Рэлея в смеси воды и ксилола образуют взвесь мельчайших чешуек лёгкого металла,
напр. алюминия, к-рые в отсутствие акустич. поля выглядят при освещении как
матовая серая поверхность. Переориентация частиц под действием звуковой волны
создаёт условия для зеркального отражения света, в результате чего на сером
фоне появляется видимое изображение звукового поля.
Действие УЗ на упорядоченную
ориентацию молекул в жидких кристаллах обусловливает акустооптич. эффекты в
этих веществах, используемые для визуализации звуковых полей. Эффект динамич. рассеяния света состоит
в том, что при помещении в УЗ-поле тонкого слоя прозрачного жидкокристаллич.
вещества с предварительно ориентированными молекулами в местах с большой интенсивностью
происходит нарушение ориентации и соответственно сильное рассеяние проходящего
через слой света. Эффект двулучепреломления света в жидких кристаллах основан
на том, что вызванная колебат. смещением одной из стеклянных пластинок, между
к-рыми располагается слой жидких кристаллов, перем. деформация слоя приводит
к соответствующему изменению поляризации проходящего через слой света. С помощью
поляроида это изменение поляризации преобразуется в изменение интенсивности
светового потока, пропорциональное либо звуковому давлению, либо колебат. смещению.
К третьей группе относятся
методы, основанные на тепловом воздействии УЗ и на его способности ускорять
процессы диффузии. Для реализации тепловых эффектов в исследуемое звуковое поле
помещают тонкий, поглощающий звук экран, неравномерное нагревание к-рого можно
визуализировать с помощью термо-чувствит. красок или жидких кристаллов, нанесённых
тонким слоем на поглощающий экран, применением электронно-оптич.
преобразователей, чувствительных в ИК-области, возбуждением или гашением люминесценции
нанесённых на экране спец. люминофоров и др. На эффекте ускорения диффузии в
УЗ-поле основан фотодиффузионный метод визуализации звуковых полей: предварительно засвеченная
фотобумага погружается в озвучиваемый раствор проявителя; в местах с большей
интенсивностью УЗ диффузия проявителя в желатину ускоряется и бумага быстро
чернеет.
Для визуализации звуковых полей используются
также кавитац. эрозия фольги, помещённой в УЗ-поле, звукохим. эффекты, среди
к-рых наиб. нагляден эффект потемнения крахмала в растворе йодистого калия,
разлагающегося под действием УЗ-кавитации в слабо подкислённой среде.
Сравнительные характеристики
различных методов визуализации звуковых полей
|
Первая группа |
Метод |
Характеристики |
||||
|
I, Вт/см2 |
f, МГц |
t, c |
||||
|
Механич. сканирование
пьезоприёмником |
10-12 |
Практически любая |
10-7-
-10-8 |
|||
|
Электронное сканирование
пьезокерамич. пластины |
10-11 |
0,1-103 |
10-7-10-8 |
|||
|
Пьезоэлектрич.
эл. -люминесцентный датчик |
10-3 |
0, 1-2 |
0,1-1 |
|||
|
Теневой метод,
метод фазового контраста, дифракция света на УЗ |
10-3-10-5 |
0,5-30 |
10-5-20-6 |
|||
|
Голографич. интерферометрия |
10-3-10-5 |
Не ограничена |
10-5-20-6 |
|||
|
Вторая группа |
Метод поверхностного
рельефа |
|
|
|
||
|
в жидкости |
2*10-3 |
0,3-10 |
0,1 |
|||
|
в твёрдом теле |
3-10-5 |
0,5-15 |
0,01 |
|||
|
Акустооптич. эффекты
в жидких кристаллах |
10-2-10-3 |
0,7-10 |
- |
|||
|
Метод диска Рэлея |
2*10-6 |
0,1-1 |
1 |
|||
|
Третья группа |
Ускорение процесса
фо-тогр. проявления |
0,1 |
0,1-1 |
10 - 100 |
||
|
Потемнение пластинки
со слоем крахмала в йодном растворе |
1 |
0, 1 - 1 |
100 |
|||
|
Обесцвечивание
красителя из-за диффузии |
0,5-1 |
0,1-1 |
10-150 |
|||
|
Возбуждение люминесценции |
1 |
0,1-1 |
0,1-1 |
|||
|
Гашение люминесценции |
- |
- |
0,1-1 |
|||
|
Изменение цвета
термочувствит. красок |
1 |
0,01-10 |
0, 1 |
|||
|
Изменение фотоэмиссии |
0,1 |
0,1-1 |
0,1 |
|||
В табл. приведено сравнение
методов визуализации звуковых полей с указанием пороговой интенсивности I и частоты I
(или диапазон частот), а также ориентировочные значения мин. времён экспозиций
t.
В. Д. Свет
|
|
 |
