聲成像

聲成像（acoustic imaging）是基於傳聲器陣列測量技術，通過測量一定空間內的聲波到達各傳聲器的信號相位差異，依據相控陣原理確定聲源的位置，測量聲源的幅值，並以圖像的方式顯示聲源在空間的分布，即取得空間聲場分布雲圖－聲像圖，其中以圖像的顏色和亮度代表聲音的強弱。

基本介紹

• 中文名：聲成像
• 外文名：Acoustic imaging

基本介紹

聲學照相機，又名聲相（像）儀，是利用傳聲器陣列測量一定範圍內的聲場分布的專用設備，可用於測量物體發出的聲音的位置和聲音輻射的狀態，並用雲圖方式顯示出直觀的圖像，即聲成像測量。

將聲像圖與陣列上配裝的攝像實所拍的視頻圖像以透明的方式疊合在一起，就形成了可直觀分析被測物產生噪聲狀態。這種利用聲學、電子學和信息處理等技術，將聲音變換成人眼可見的圖像的技術可以幫助人們直觀地認識聲場、聲波、聲源，便捷地了解機器設備產生噪聲的部位和原因，物體（機器設備）的聲像反映了其所處的狀態。

聲成像的研究開始於20世紀20年代末期。最早使用的方法是液面形變法。隨後，很多種聲成像方法相繼出現，至70年代已形成一些較為成熟的方法，並有了大量的商品化產品。聲成像方法可分為主動聲成像、掃描聲成像和聲全息。

目前國內比較先進的聲相儀，是由中國科學院聲學研究所噪聲振動實驗室自行研製的聲相儀系統，具有世界先進水平。

由於很多聲檢測器均能記錄聲波的幅度和相位，並將其轉換成相應的電信號，記錄換能器陣列各單元接收信號的幅度和相位，即可重現物體聲像。

聲成像質量的主要指標有圖像的解析度、信噪比、畸變和虛像等。聲成像的質量不僅與所用的儀器設備有關，而且在很大程度上還與聲波在介質中傳播的特性（如反射、折射和波型轉換）有關。

原理

acoustic imaging

用聲波獲得物體內部結構特點的可見圖像的方法。聲成像利用聲學、電子學和信息處理等技術。聲波可以透過很多不透光的物體，利用聲波可以獲得這些物體內部結構的聲學特性的信息；而聲成像技術則可將其變換成人眼可見的圖像，即可以獲得不透光物體內部聲學特性分布的圖像。物體的聲學特性分布可能與光學特性分布不盡相同，因而同一物體的聲像可能與其相應的光學像有差別。

聲成像的研究開始於20世紀20年代末期。最早使用的方法是液面形變法。隨後，很多種聲成像方法相繼出現，至70年代已形成一些較為成熟的方法，並有了大量的商品化產品。聲成像方法可分為常規聲成像、掃描聲成像和聲全息。

常規聲成像

從光學透鏡成像方法引伸而來。用聲源均勻照射物體，物體的散射聲信號或透射聲信號，經聲透鏡聚焦在像平面上形成物體的聲像，它實質上是與物體聲學特性相應的聲強分布。用適當的暫時性或永久性記錄介質，將此聲強分布轉換成光學分布，或先轉換成電信號分布，再轉換為螢光屏上的亮度分布。如此即可獲得人眼能觀察到的可見圖像。

將聲強分布變成光學分布的永久性記錄介質有多種，如經過特殊處理的照相膠片，以及利用聲化學效應、聲電化學效應、聲致光效應和聲致熱效應的多種聲敏材料。這些材料可對聲像“拍照“，使其變成可直接觀察的圖像。但這種聲記錄介質的靈敏度較低,其閾值為0.1瓦/厘米2至數瓦/厘米2，信噪比也較低，且使用不便。

聲強分布的臨時性記錄，可用液面或固體表面的形變來實現。其方法是用準直光照射形變表面，或用雷射束逐點掃描形變表面，其衍射光經光學系統處理可得到與聲強分布相應的光學像。此外，還可用聲像管將聲像轉換為視頻信號，並顯示在螢光屏上。聲像管的結構與電視攝像管類似,只是用壓電晶片代替了光敏靶。聲像管可用於聲像實時顯示，其靈敏度閾值約為10-4瓦/厘米2。與掃描成像技術相比，工藝比較複雜、孔徑有限而且靈敏度偏低。

掃描聲成像

通過掃描，用聲波從不同位置照射物體，隨後接收含有物體信息的聲信號。經過相應的處理，獲得物體聲像，並在螢光屏上顯示成可見圖像。

70年代以來，掃描聲成像方法發展迅速。聲束掃描經歷了手動掃描、機械掃描、電子掃描或電子掃描與機械掃描相結合的幾個階段。聲束聚焦也由透鏡聚焦發展到電子聚焦、計算機合成。獲得圖像的方式和圖像所含的內容也各有不同。

B型聲像

平行於聲束傳播方向的物體斷層的聲像。廣泛採用的有線掃描和扇掃描方式。線掃描採用換能器線陣,通過電子切換方法使聚焦聲束沿線陣方向掃描,並逐次照射物體的不同部位，接收聚焦聲束所達區域內的物體散射聲信號，從而獲得掃描斷面內物體聲散射信號的圖像。扇掃描則是用相控掃描方法，旋轉聚焦聲束得到有一定張角的扇形截面內物體聲散射信號的圖像。

C型聲像

圖像為垂直於聲束傳播方向的物體斷層的聲像。它採用換能器面陣（或線陣加機械掃描）使聚焦聲束在面陣範圍內掃描，選取由焦點處散射的信號並加以顯示，即可得到焦平面內物體聲散射信號的圖像。

F型聲像

物體內任意斷層的聲像。與C型的區別在於，掃描聚焦聲束的焦點不固定，需根據欲成像的斷層位置作相應調整。

都卜勒成像

利用運動物體散射聲波的都卜勒效應，按散射聲信號的都卜勒頻移的幅度來顯示圖像，圖像與散射體的運動速度分布相對應。都卜勒成像分為連續波和脈衝兩種。前者所用的裝置與C型裝置類似,後者則與B型裝置類似。對接收的散射信號分別與主振參考信號混頻，然後解調並進行頻譜分析，以便獲得相應於各成像點的都卜勒頻移。

超聲斷層成像

由計算機 X射線斷層成像引伸而來。利用此法可獲得聲速、聲衰減係數和聲散射係數等聲學參量的定量分布圖像。正在研究的計算機超聲斷層成像法有透射型和反射型兩種。根據射線理論或衍射理論，可用計算機實現圖像的重現。透射型超聲斷層成像重現方法是用聲源以扇掃描或線掃描的方式照射物體，並接收與記錄透射聲的幅度分布和相位分布。這兩個分布分別與聲束的傳播路徑上各點的聲衰減係數和聲速有關。從不同方位記錄足夠的數據，然後，用計算機重現聲衰減係數和聲速的分布，並轉換為可見的定量圖像，通常稱之為重現像。像重現的方法有三種，即代數重現法、反向投影法和傅立葉變換法。這幾種方法在計算誤差和計算速度方面各有優缺點。

合成孔徑成像

採用換能器陣列，各單元作為點元發射，發射聲束照射整個物體，接收來自物體各點的信號並加以存儲，然後根據各成像點的空間位置，對各換能器元接收的信號引入適當的時延，以得到被成像物體的逐點聚焦聲像。這樣，整個圖像的解析度較高。用一維換能器陣列可獲得二維斷面圖像信息，而用二維換能器陣列則可得到三維空間圖像信息。此外,根據需要,可顯示任意斷面的圖像或進行三維顯示。

三維圖像顯示

利用三維合成孔徑成像法可得到三維信息，或將若干個斷面圖像綜合也可合成三維圖像。根據繪透視圖的原理進行計算機處理，可在螢光屏上顯示三維圖像。

聲全息

將全息原理引進聲學領域後產生的一種新的成像技術和數據處理手段。早期的聲全息完全模仿光全息方法，即用一參考聲束與頻率相同的物體聲束相干，在一平面內，疊加波為

式中UO為物體波，Ur為參考波。聲強度為

上標*指共軛。記錄此強度即得到全息圖。用一束雷射照射全息圖,則可得到分別與UO與U奵相應的兩個像，稱為孿生像。UO真實地反映了原物體,稱為真像；而U奵則為其共軛像。重現時如果用的照明波與形成全息圖時所用波束的波長相同，那就如同光全息那樣，重現像為與原物完全相同的立體像。但在聲全息中，為了獲得可見的重現像，必須用可見光來重現。可見光的波長，與用來形成全息圖的聲波波長相差數百倍，因此重現像有嚴重的深度畸變，從而失去三維成像的優點。

由於很多聲檢測器均能記錄聲波的幅度和相位，並將其轉換成相應的電信號，受到人們重視的新的聲全息方法與光全息方法不同，只有液面法聲全息基本上保留了光全息的做法。而各種掃描聲全息不再採用聲參考波。掃描聲全息大致可分為兩類。

①雷射重現聲全息：用一聲源照射物體，物體的散射信號被換能器陣列接收並轉換成電信號，再加上模擬從某個方向入射聲波的電參考信號，於是在螢光屏上形成全息圖並拍照。然後，用雷射照射全息圖，即可獲得重現像。

②計算機重現聲全息：用上述方法記錄換能器陣列各單元接收信號的幅度和相位，用計算機進行空間傅立葉變換，即可重現物體聲像。

聲成像質量的主要指標有圖像的橫向解析度、縱向解析度、信噪比、畸變和假象等。聲成像的質量不僅與所用的儀器設備有關，而且在很大程度上還與聲波在介質中傳播的特性（如反射、折射和波型轉換）有關。

聲成像技術已得到廣泛套用，主要用於地質勘探、海洋探測、工業材料非破壞探傷和醫學診斷等方面。特別是，B型斷層圖像診斷儀已成為與X射線斷層掃瞄器和同位素掃瞄器並列的醫學三大成像診斷技術之一。

由於聲波在水中的傳播特性顯著優越於電磁波和可見光，受水的渾濁度的影響小，因而水聲探測成為水下測量的主要手段。目前的各種聲納系統，仍是執行水下觀察與探測任務的主要手段，尤其是在大範圍、遠距離目標搜尋和定位方面有著其它方法無可替代的優勢。