カメラで音波を視覚化する最良のテクニック

音波可視化入門

音波は、媒体を伝わる圧力の乱れであり、肉眼では見えません。音波を可視化するには、圧力の変化を視覚的表現に変換する特殊な技術が必要です。これらの技術は、音波と光またはその他の物理現象との相互作用を利用して、波の構造と動作を明らかにする画像を作成します。

音波を視覚化すると、波長、振幅、伝播方向などの特性に関する貴重な情報が得られます。この情報を使用して、音場を分析し、ノイズ源を特定し、音響設計を最適化できます。これらの技術でカメラを使用すると、音波現象をリアルタイムでキャプチャして分析できます。

シュリーレンイメージング

シュリーレン画像は、透明媒体の密度変化を視覚化するための、古くから広く使用されている技術です。密度変化によって屈折率が変化する領域を通過すると光が曲がるという原理に基づいています。音波は圧力変動を引き起こし、これらの密度変化を誘発して、シュリーレン システムで可視化します。

シュリーレンイメージングの仕組み:

• 光源:対象物を照らすために、明るく集中した光源が使用されます。
• コリメート光学系:レンズまたはミラーを使用して平行光線を作成します。
• テストセクション:音波はテストセクションを伝播し、密度勾配を作成します。
• シュリーレン ストップ:ナイフ エッジまたはピンホールを結像レンズの焦点に配置して、光の一部を遮断します。
• イメージング システム:カメラは、シュリーレン ストップの周囲を通過する光によって形成された画像をキャプチャします。

音波によって密度が変化すると、光線が偏向します。この偏向により、一部の光線はシュリーレン絞りによってブロックされ、他の光線は通過します。結果として得られる画像には、高密度と低密度の領域に対応する明るい領域と暗い領域が表示され、音波が効果的に視覚化されます。

シュリーレンイメージングの利点:

• 比較的簡単なセットアップ。
• 密度勾配に対する高い感度。
• リアルタイムの視覚化。

シュリーレン イメージングの限界:

• 高品質の光学システムが必要です。
• 振動や空気の流れに敏感です。
• 密度の変化を定量化するのは難しい場合があります。

音響ホログラフィー

音響ホログラフィーは、3 次元の音場を再構築できる、より高度な技術です。この技術では、基準波と対象の音波の間の干渉パターンを記録します。ホログラムと呼ばれるこの干渉パターンには、音波の振幅と位相に関する情報が含まれています。

音響ホログラフィーの仕組み:

• 音源:音源は視覚化される音波を発します。
• 参照波:別の音源または元の音波の反射が参照として使用されます。
• マイク アレ​​イ:マイクのアレイは、音波と参照波の間の干渉パターンを記録します。
• 再構成:記録されたホログラムから音場を再構成するためにコンピューター アルゴリズムが使用されます。

再構成プロセスでは、ホログラムを通る参照波の伝播を数学的にシミュレートします。これにより、空間内の任意のポイントでの音圧を計算し、音場の 3D イメージを効果的に作成できます。再構成された音場の視覚的表現をキャプチャして処理するためにカメラが使用されます。

音響ホログラフィーの利点:

• 音場に関する 3D 情報を提供します。
• 音源を識別し、位置を特定するために使用できます。
• シュリーレン画像に比べて環境ノイズの影響を受けにくい。

音響ホログラフィーの限界:

• 複雑な実験セットアップが必要です。
• 計算集約型の再構築プロセス。
• マイクの間隔により空間解像度が制限されます。

ビームフォーミング

ビームフォーミングは、特定の方向から到達する音波に焦点を合わせ、他の方向からのノイズや干渉を抑制するために使用される信号処理技術です。マイクのアレイを使用して音をキャプチャし、各マイクからの信号に重み付けされた遅延を適用します。これらの重み付けされた遅延は、目的の方向からの信号に建設的に干渉し、他の方向からの信号に破壊的に干渉するように選択されます。

ビームフォーミングの仕組み:

• マイク アレ​​イ:さまざまな場所からの音をキャプチャするために、マイクのアレイが戦略的に配置されます。
• 信号処理:各マイクからの信号は、加重遅延を使用して処理されます。
• 合計:処理された信号が合計され、集中した音のビームが作成されます。
• 視覚化:焦点を絞ったビームの強度が方向の関数として表示され、音場の視覚的なマップが作成されます。

ビームをさまざまな方向にスキャンすることで、音源の位置と強度を示す音場マップを作成できます。この視覚マップをキャプチャして表示するにはカメラを使用し、多くの場合、シーンのリアルタイム ビデオに重ねて表示します。

ビームフォーミングの利点:

• ノイズや干渉を抑制するのに効果的です。
• 音源を高精度に特定できます。
• 実装は比較的簡単です。

ビームフォーミングの制限:

• 空間解像度は、マイクアレイのサイズと間隔によって制限されます。
• 反射や残響によってパフォーマンスが影響を受ける可能性があります。
• マイクアレイの慎重な調整が必要です。

音響光学トモグラフィー

音響光学断層撮影 (AOT) は、超音波と光を組み合わせて、不透明な物体の内部構造の画像を作成します。超音波は、物体を通過する光の特性を変調するために使用されます。光の変化を分析することで、超音波場の画像を再構築し、物体内の音波を視覚化することができます。

音響光学トモグラフィーの仕組み:

• 超音波源:超音波が対象物に送信されます。
• 光源:光が物体を通して照らされます。
• 検出:物体から発せられる光を分析し、超音波によって引き起こされた物体の特性の変化を検出します。
• 再構成:コンピューター アルゴリズムは、検出された光の変化に基づいて超音波フィールドの画像を再構成します。

超音波と光の相互作用は複雑になることがあります。しかし、物体の内部構造に関する貴重な情報が得られます。カメラを使用して光を捉え、超音波によって引き起こされる変化を記録し、不透明な材料内の音波を視覚化することができます。

音響光学トモグラフィーの利点:

• 不透明な物体の内部構造を画像化できます。
• 純粋な音響画像化技術に比べて高い空間解像度。
• 非侵襲的。

音響光学トモグラフィーの限界:

• 特殊な設備と専門知識が必要です。
• 光の散乱と吸収に敏感です。
• 画像の再構成には膨大な計算が必要になる場合があります。

音波可視化の応用

上記の技術は、さまざまな分野で幅広く応用されています。

• 音響と騒音制御:騒音源を特定し、音響設計を最適化し、騒音低減対策の有効性を評価します。
• 医療用画像診断：超音波および光音響画像診断に基づく新しい診断技術の開発。
• 非破壊検査:超音波とアコースティックエミッション技術を使用して材料の欠陥や傷を検出します。
• 航空宇宙工学:航空機や宇宙船の音響特性を研究します。
• 水中音響:ソナーや通信アプリケーション向けに海中の音の伝播を視覚化します。

技術が進歩するにつれ、音波を視覚化するさらに洗練された技術が登場し、さまざまな科学および工学分野で新たな発見や革新がもたらされると予想されます。音を「見る」能力は、私たちの周囲の世界を理解する上で今後も重要な役割を果たし続けるでしょう。