Физические принципы акустической голографии

Лекция №19. Современные методы неразрушающего контроля. Физические принципы акустической голографии.Обзор методов акустической голографии

Методы ультразвуковой дефектоскопии широко применяются в различных областях промышленности для неразрушающего контроля оборудования. Основные недостатки традиционных методов ультразвуковой дефектоскопии – низкая достоверность и точность определения размеров дефектов, проблема их классификации. Кроме того, традиционный контроль не гарантирует надежное определение параметров наиболее опасных дефектов – трещин, расслоений - вследствие сложной природы дифракции ультразвука на них. Между тем, именно правильно определенный тип дефекта, его истинные размеры и местоположение дают возможность уверенно прогнозировать ресурс работы контролируемого объекта.

Эти проблемы решает метод акустической голографии, который относится к новейшим ультразвуковым методам. Перспективы акустической голографии весьма многообещающи, поскольку она создает возможность получения изображений предметов в непрозрачных для световых лучей средах.

Акустическая голография – интерференционный способ получения изображения предметов с помощью акустических волн. По сравнению с другими известными способами получения звуковых изображений акустическая голография не требует применения специальных устройств для фокусировки звука – акустических линз, зонных пластинок и т.п., дает принципиальную возможность получать изображения предметов и, главное, более полно использовать информацию о рассеянном предметом звуковом поле.

Этой проблеме посвящены работы ряда авторов. Некоторые из идей воплощены в инженерных разработках компьютерных систем интраскопии [Эхо+]. Рассмотрим принципы акустической голографии

При облучении плоской волной точечный объект, согласно принципу Гюйгенса-Френеля, рассеивает сферическую волну u_s (рис.19.1).

Рис. 19.1. Схема образования акустической голограммы точечного источника при плоской опорной волне.

Если одновременно послать другую, опорную волну u₀, когерентную первой, то в плоскости P, поставленной на пути этих волн, будет иметь место интерференционная картина.

. (19.1)

;

=kx₁ = kx₂- фазовая задержка между рассеянной и опорной волнами.

Звуковое поле в плоскости P представляет собой рельеф звукового давления, амплитуда U которого модулирована фазой. Предположив, равенство амплитуд рассеянной и опорной волн в плоскости Р, можно увидеть, что амплитуда U звукового давления интерференционного поля зависит только от разницы фаз :

, (19.2)

.

Располагая в плоскости P акустический пространственный квадратичный детектор, реагирующий на звуковое давление изменением оптической прозрачности, получим распределение оптической прозрачности на плоскости детектора. Т.о., оптическая прозрачность в разных местах пространственного детектора будет переменной - на нем будут видны чередующиеся тёмные и светлые полосы. Зарегистрированная картина называется акустической голограммой. Интерференционная картина плоской и сферической волн (рис.19.1) имеет вид концентрических окружностей, причем разность фаз для двух соседних окружностей равна 2π. Это так называемая зонная решетка, или зонная линза Френеля; в акустике её иногда называют зональной пластинкой.

Радиусы R_n концентрических окружностей с номером n для случая, когда расстояние до точечного источника f существенно больше длины волны l но меньше зоны Френеля можно определить из выражения

R_n =(f*n*l)^1/2 (19.3)

Если на плоскости Р закрыть непрозрачным для звука экраном зоны имеющие одинаковый знак (положительное или отрицательное давление), и подать на него плоскую звуковую волну, то за плоскостью образуется сферическая волна сходящаяся в точку. Другими словами зональная пластинка обладает свойством фокусировки. Расстояние f до фокуса можно рассчитать из (19.3).

Для восстановления оптического изображения голограмму освещают плоской волной от источника когерентного света; при этом её можно рассматривать как обычную дифракционную решетку (рис. 19.2). За голограммой лучи сходятся в точке. Точка, из которой расходится волна, и точка, в которой она сходится, расположены симметрично по обе стороны голограммы, образуя мнимое и действительное изображения источника.

Голограмма протяжённого предмета представляет собой совокупность многих точек, поэтому каждая из них, являясь источником сферической волны, при интерференции с опорной волной (плоской) создаёт свою зонную линзу Френеля на пространственном детекторе. Восстановленные изображения этих точечных источников образуют изображение протяженного предмета.

Рис.19 2. Схема восстановления голографического изображения точечного объекта.

Чем ближе точка предмета к плоскости регистрации, тем чаще чередуются кольца её зонной решетки, и, наоборот, более удаленная точка создает более редкую структуру колец. Именно поэтому плоская голограмма при восстановлении передает глубину предмета и позволяет получать объёмные изображения.

Дата добавления: 2014-01-04