Файл: Кок У.Е. Видимый звук.pdf

Плоские волны

Рис. 74. Процесс получения и использования голограмм.

Плоские волны, интерферируя со сферическими волнами, исходящими из точечного отверстия в прозрачном экране, порождают волновую картину. Записанная на фотопленке, она представляет собой систему концентри­

том исследования. Такая комбинация сферических и плос­ ких воли создает 'в плоскости фотографической пластинки систему световых концентрических колец (области конст­ руктивной интерференции). С увеличением расстояния от

87

Рис. 75. Фотозапись интерференционной картлпы плоского п сферического наборов когерентных волн.

В плоскости фотографической пластинки интерференционная картина световых волн напоминает зонную пластинку.

центра колец расстояние между кольцами уменьшается. Фотозапись интерференционной картины плоского и сфе­ рического наборов волн представлена иа рис. 75. Структура этой картины тождественна структуре, создаваемой оптиче­ ским дифракционным устройством, называемым зонной пластинкой. Световая энергия, пройдя сквозь прозрачные кольца пластинки, концентрируется в фокусе, непрозрач­ ные же кольца не пропускают те световые волны, которые только уменьшили бы концентрацию энергии в фокусе изза деструктивной интерференции. Поперечное сечение ти­ пичной зонной пластинки изображено иа рис. 76. Из этого рисунка легко понять, как следует располагать блокирую­ щие кольца.

Рассматривая прохождение световых волн сквозь зон­ ную пластинку, мы обнаруживаем справа от нее не только сходящиеся волны, сфокусированные в точке /, но и набор расходящихся волн, исходящих как бы из точки / с, сопря­ женной с фокусом. Оба этих набора воли показаны на рис. 74, б. Освещая голограмму лазерным светом, как это

88

представлено на рис. 74, а, мы получаем действительное изображение точечного отверстия справа от голограммы (рис. 74, б), кроме того, в точке, сопряженной с фокусом, появляется мнимое изображение точечного отверстия. Рас­ ходящиеся лучи света, фиксируемые глазом, вызвали бы у наблюдателя иллюзию, будто он видит первоначальный свет от точечного источника, расположенного за голограм-

Р и с. 7G. Картина днфракцнп воли на зонной пластинке.

Открытые участки зонной пластинки пропускают волны, которые в фокусе конструктивно интерферируют, а непрозрачные участки препятствуют

прохождению волн, которые деструктивно интерферировали Оы в фокусе с волнами, прошедшими через прозрачные участки.

мой. Если бы мы сделали два отверстия в непрозрачном экране, то па фотопластинке получили бы две системы концентрических колец (две зонные пластинки). Рассмат­ ривая такую голограмму в лазерном свете, наблюдатель был бы полностью уверен в том, что он видит два точечных источника света.

Поскольку любой предмет можно рассматривать как совокупность большого количества точечных исто чн и ко в света различной яркости, каждый нз которых будет фор­ мировать на фотопленке свою собственную зонную плас­ тинку, то голограмма предмета будет представлять собой суперпозицию таких зонных пластинок. Если проявленную и закрепленную голограмму осветить лазерным светом, то будет впдна реконструкция всех исходных источников све­ та, образующих за голограммой рассматриваемый нами предмет. Продемонстрировать трехмерный реализм опти­ ческих голограмм весьма просто: нужно лишь показать не­ сколько снятых с разных ракурсов фотографий изображе­ ния предмета, восстановленного голограммой как это по­ казано па рпс. 77.

Акустические голограммы. Голограмма представляет собой фотографическую запись интерференционной карти­ ны, образованной набором воли, походящих от предмета, и опорным пучком воли, поэтому вполне очевидно, что мож­ но сделать голограммы и других видов волнового движе­ ния, конечно, при условип записи интерференционной кар­ тины этих волн. В главе II мы уже видели сфотографиро­ ванную картину распространения звуковых воли. Чтобы получить такую фотографию, понадобился второй набор волн, который и служил опорным пучком. Следовательно, картины звукового поля, изображенные на рпс. 32 п 21, можно считать акустическими голограммами, поскольку они представляют собой записи интерференционных кар­ тин рассматриваемого нами набора волн и опорного пуч­ ка плоских волн. По своему виду они совершенно анало­ гичны интерференционным картинам когерентных свето­ вых волн, то есть представляют собой системы светлых и темных полос.

Долгое время такие записи для восстановления изобра­ жения исходной картины не использовались, они просто были интересны сами по себе, как зарисовки распростране­ ния волн. Следует отметить, что, для того чтобы записать акустическую картину полос, а затем использовать эту

90

Перемещая последовательно фотокамеру вправо (зтп три снимка были сделаны с разных ракурсов), удалось добиться такого положения, когда

ближайший брусок полностью загородил собой остальные.

запись как голограмму, нужна иная методика записи, чем применялась ранее. В настоящее время акустические голо­ граммы и восстановление с их помощью волнового фронта получены во многих лабораториях.

Голограммы, записанные на поверхности жидкости. Си­ стема, которая позволяет рассматривать акустические го­ лограммы, минуя фотосъемку, изображена на рис. 78. Предмет, который представляет собой пластинку с выре­ занной в центре буквой Е, помещен в жидкость и облу­ чается снизу звуковыми волиамн. Дифрагированные волны, несущие сведения о форме предмета, интерферируют с опорным пучком звуковых волн. В результате интерферен­ ции волн на поверхности жидкости образуются гребни. Стационарная интерференционная картина звуковых волн деформирует поверхность жидкость — газ (рис. 78). Греб­ ни на поверхности жидкости соответствуют полосам на обычной голограмме. Чтобы получить изображение поме-

щениого в жидкость предмета с помощью такой акустиче­ ской голограммы, ее необходимо осветить лазерным све­ том, который при отражении дифрагирует на гребнях го­ лограммы. Схема получения акустических голограмм,

изображенная на рис. 78, была предложена Р. К. Мюл­ лером.

Часто при подводных исследованиях видимость вблизи дна оказывается очень плохой, что исключает использова­ ние оптических методов. Акустические методы, основан­ ные на использовании сонаров, тоже дают неважные ре-

92

Р п с. 81 Пять громкоговорителей, расстояппе между которыми равно одной четверти длины волны.

Если полярности испускаемых соседними дпнамнкамп звуковых волн противоположны, то такая система создает сверхнаправленную картину излучения звука.

зультаты, гораздо худшие, чем акустическая голография. На рис. 79 вы видите фотографию звуковой интерференци­ онной картины (голограммы), а изображение, восстанов­ ленное этой акустической голограммой, облученной коге­ рентным лазерным светом, представлено на рис. 80.

Сверхнаправленность

Визуальное представленпе некоторых картин звукового поля часто помогает выяснить те причины и явления, ко­ торые вызвали существование именно данной структуры поля. В качестве примера рассмотрим вопрос о сверхнаправленностп в процессе излучения или приема волн. Тео­ рию этого процесса многие ученые долгое время не при­ нимали.

Из классической оптики мы знаем, что угловое расхожденпе пучка волн определяется отношением длины волны к размерам апертуры. Например, если ширина апертуры или ряда апертур равна L, то угловое расхождение пучка (граница пучка определяется точками, в которых интен-

94

снвность снижается вдвое) дается выражением 51 %jL, где %— длина волны. Из теории сверхнаправленности следует, что если взять ряд динамиков одинаковой длины, которые работают в противофазе по отношению друг к другу, то

Р п с. 82. Ширина звуковых пучков, излученных пятью громкого­ ворителями, показанными на рис. 81.

Когда все пять громкоговорителей работают в фазе, угловое расхождение излученного звукового пучка (на уровне в 3 дБ) равно 51°. Если же фазы громкоговорителей противоположны, то угловое расхождение пучка ока­ зывается равньни 26°.

можно получить более узкий пучок, чем это следует из фор­ мулы, рассмотренной выше.

На рис. 81 показаны пять выстроенных в ряд громко­ говорителей. Все громкоговорители включаются параллель-

95

Ри с. 83. Картина излучения звуковых воли пятью громкоговори­ телями, работающими в фазе.

Хорошо видны круговые (как и ожидалось) фронты волн.

но. Фазы волн, исходящих пз громкоговорителей, можно сделать либо одинаковыми, либо противоположными, то есть в любом из них мы можем заменить фазу на противо­ положную. На рис. 82 графически представлена ширина пучка в случае, когда полярность всех громкоговорителей одинакова (верхняя кривая), и в случае, когда полярность второго и четвертого громкоговорителей противоположна полярности остальных (нижняя кривая). Во втором случае пучок гораздо уже. Следует отметить, что уменьшение ши­ рины пучка вполне соответствует теоретическим предска­ заниям.

Визуальное представление картин звукового поля для каждого из этих двух случаев показано на рис. 83 и 84. Влияние полярности на структуру поля очевидно. Когда все громкоговорители работают в фазе (рис. 83), они излу­ чают волны, фронт которых имеет кривизну. Плоские вол­ ны в этом случае существуют лишь вблизи громкоговори­ телей. В случае же сверхнаправленного излучения (рис. 84) мы видим плоские волны на всей картине излучения. Более того, линейные размеры плоских фронтов волн для любого участка поля со значительной интенсивностью, или яркостью, становятся намного больше длины системы пяти

96

Ри с. 84. Картина излучения звуковых воли пятью громкоговори­ телями, работающими в противофазе (каждый по отношению к соседним).

Фронты волн становятся близкими к плоским, в результате чего и появ­ ляется большая направленность излучения звука.

громкоговорителей. Точно такую же картину плоских вол­ новых фронтов образовали бы волны, излученные системой больших размеров, состоящей из громкоговорителей, рабо­ тающих в фазе. Причем эта система дала бы более узкий пучок, нежели точно так же подключенная система мень­ ших размеров.

Звуки механизмов

Звуковой спектрограф позволяет изучать особенности звуков, издаваемых самыми разными мощными энергети­ ческими установками.

На рис. 85 показана запись звука винтового самолета, пролетающего над головой наблюдателя. В начале и в кон­ це записи мы видим многочисленные линии (частоты), от­ носящиеся к вибрациям поршня двигателя и шуму пропел­ лера. Вследствие эффекта Доплера эти линии во время записи сдвигаются по частоте. Когда самолет приближает­ ся к наблюдателю (либо записывающему прибору), часто-

97