Акустички метаматеријал за детекцију ивица валовитих дужина | комуникације природе

Акустички метаматеријал за детекцију ивица валовитих дужина | комуникације природе

Anonim

Субјекти

  • Акустика
  • Метаматериалс

Апстрактан

Метаматеријали су показали могућност стварања супер разрешених слика обнављањем пропагативних и еванесцентних таласа. Међутим, за ефикасан пренос информација, на пример, у компримованом сензору, често је пожељно да се визуелно приказују само брзе просторне варијације таласног поља (ношене еванесцентним таласима), као оне које стварају ивице или мали детаљи. Алгоритми за откривање руба обраде слике изводе такву операцију, али они додају време и сложеност процесу снимања. Овде представљамо акустични метаматеријал који преноси само компоненте акустичког поља које су приближно једнаке или мање од радне таласне дужине. Метаматериал претвара еванесцентне таласе у пропагативне таласе узбудљиве заробљене резонанције, а користи периодичност да пригуши пропагативне компоненте. Овим приступом постижу се резолуције ∼ 5 пута мање од радне таласне дужине и омогућава визуелно визуелно представљање ивица поравнаних дуж различитих праваца.

Увод

Откривање ивица је основни нумерички алат у обради слике који налази примјену у неколико области науке и технологије. У медицинском снимању 1, 2, неразорном тестирању 3, 4 и рачунарском виду 5 детекција ивица игра важну улогу, јер омогућава вађење значајних информација са слике и смањује количину података који се обрађују. Основна идеја која се крије иза ове технике је филтрирање слике високих пролаза да би се уклониле ниске просторне фреквенције. Близу ивица објекта осветљеног монохроматским таласом, таласним пољем доминирају еванесцентни таласи, односно таласи са просторним осцилацијама бржим од радне таласне дужине. Уређај способан за генерисање слике користећи само млаке таласе визуелно би приказао ивице или ситне детаље предмета, у суштини екстрахирајући само кључне информације садржане на слици.

Постоје различити начини за откривање еванесцентних таласа који превазилазе класичну границу дифракције конвенционалних уређаја за снимање. Приступи засновани на суперлензама 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и хиперленцијама 18, 19 или техникама преокретања времена 20, 21, 22, 23 омогућавају обнављање еванесцентних таласа, пружајући детаљна слика снимљене сцене. Међутим, пошто се пропагативни таласи који носе ниске просторне фреквенције такође користе за формирање слике, такве технике се не могу користити за визуелизацију само варијација поља брзог таласа.

Овде извештавамо метаматеријални дизајн који пружа слику само просторних варијација акустичког поља које су једнаке или мање радне таласне дужине. Овај приступ пружа оштре слике ивице објекта, резолуције до λ /7.6 ( λ је радна таласна дужина). Штавише, техника омогућава независно визуелизовање ивица поравнаних дуж одређеног смера.

Резултати

Својства метаматериал преноса

Предложени метаматеријал састоји се од таласно водеће структуре са низом повезаних симетричних резонатора, као што је приказано на слици 1а, б. Узорак има два различита квадратна пресека: уски пресек, с и широк пресек, С , са димензијама с = в × в и С = В × В. Аксијалне дужине уских и широких сегмената су означене са Л и Л. Симетричне варијације попречног пресека стварају заробљене резонанције (ТР), које се појављују на фреквенцијама мало изнад фреквенције пресека првог антисиметричног режима у широком пресеку 24, 25, ф = ц 0/2 В , где је ц 0 = 343 мс −1 је брзина звука. Више детаља о пореклу ових резонанција је дано у додатној напомени 1 и додатној слици 1. Те ​​резонанције су антисиметричне у односу на уздужну ос (допунска слика 2), што значи да их могу побудити само антисиметрични навођени начини (Сл. 1ц приказује неке од ових модова). Побуђење ТР-а изазива снажну повезаност између антисиметричних модова високог реда, укључујући и оне који имају контролу, омогућујући тунел информације о подводној дужини кроз уређај. С друге стране, периодичност индукује појаву појаса за равни равни, што избегава пренос компонената са малим окомитим таласним таласима. Одабиром геометријских параметара могуће је учинити да се раван опсега равнине и ТР-и подударају у фреквенцији, стварајући спектрални појас у који се преносе само таласи са великим окомитим таласним бројем. Фреквенција ТР-а и положај и ширина опсега равног начина рада могу се подесити, за В , период у к- смеру, л + Л и однос в / В. Коинциденција ТР-а са опсегом равног режима постигнута је за широк распон вредности в , В , л и Л. У овом случају разматраном у овом раду, ови параметри су в = 7, 5 мм, Ш = 22, 5 мм, л = 3 мм и Л = 15 мм.

Image

( а ) Илустрација метаматеријала који се састоји од периодичног низа од пет симетричних резонатора. Предњи зид није приказан ради откривања унутрашње структуре. Рупе истакнуте зеленим стрелицама означавају положај микрофона у експерименталној студији. ( б ) Експериментална реализација помоћу 3Д штампања. ( ц ) Властите функције модова (0, 0), (1, 0), (3, 0), (5, 0) и (7, 0) и њихов положај у оси фреквенције. На ТР фреквенцијама (црна тачка) само су модови (0, 0) и (1, 0) пропагативни. ( д ) Основна илустрација принципа рада уређаја.

Слика пуне величине

Слика 1д илуструје принцип рада уређаја: ниске просторне фреквенције, ношене пропагативним таласима (плаве синусоидне линије), претварају се у еванесцентне таласе (црвене пропадајуће линије). Високе просторне фреквенције, ношене еванесцентним таласима, претварају се у пропагативне таласе. Као резултат, ствара се слика само ивица сликаног објекта. Имајте на уму да постоји суштинска разлика између овог принципа рада и оног претходног приступа снимању подводне дужине 7, који такође враћају пропагандне компоненте. Ове карактеристике произилазе из чињенице да узбуђење равнинског режима није укључено у обнављање наглих таласа, за разлику од претходних приступа коришћењем акустичке резонанце 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 26 .

Кориштењем мултимодалне методе (допунска напомена 2) израчунали смо матрицу преноса Т, а т = Т а и, гдје вектори а и и т садрже упадне и пренесене модалне амплитуде. Попречне својствене вредности, φ ( м, н ) ( и , з ) су означене паром ( м , н ), што означава број нодалних линија паралелних са и (субцрипт м ) и з (субсцрипт н ), са м и н као цели бројеви. Изрази матрице за пренос су означени са

Image

, што указује на спајање пренесеног режима ( м, н ) са инцидентним режимом

Image

.

Слика 2а приказује коефицијент преноса равнинског режима, Т (0, 0), (0, 0), и термин који одговара првом антисиметричном режиму, Т (1, 0) (1, 0), у фреквенцијском опсегу (0, 12.5) кХз. Кривуља која одговара режиму (0, 0) показује широки опсег између ∼ 3, 7 и 11 кХз. Овај појасни појас настаје снажним расипањем равнинског модуса у метаматеријалу, захваљујући великој контрасти између в и В. У недостатку ТР-а, коефицијенти преноса било ког вишег реда би такође требали бити једнаки нули у проучаваном фреквенцијском опсегу, јер је фреквенција пресека првог режима вишег реда у уском пресеку ф = ц 0/2 в = 22, 8 кХз. Међутим, видимо пропагативни појас у термину преноса Т (1, 0), (1, 0) који се појављује на фреквенцијама мало изнад фреквенције пресека првог антисиметричног режима у широком пресеку, ф = ц 0/2 В = 7, 622 Хз, генерисано ТР (додатна напомена 1). Слика 2б зумира фреквенцијски појас који садржи ове резонанције. Посматрамо пет врхова преноса између 7.700 и 7.800 Хз, што одговара преносу режима (1, 0) са амплитудом једнаком једном. Пет врхова настаје због еванесцентне спреге између пет идентичних резонатора који творе метаматеријал. На овој слици такође приказујемо изразе Т (1, 0), (3, 0), Т (1, 0) (5, 0) и Т (1, 0), (7, 0) . Имајте на уму да су модови (3, 0), (5, 0) и (7, 0) сви на овим фреквенцијама усијани. Међутим, Сл. 2б доказује способност уређаја да претвара еванесцентне таласе у пропагативне. Изузетно је да посматрамо конверзију модова (3, 0), (5, 0) и (7, 0) са амплитудама> 1, демонстрирајући могућност за ефикасан пренос информација о подводној дужини кроз уређај. Идентични резултати су добијени за з -антисиметричне модусе (0, 1), (0, 3), (0, 5) и (0, 7).

Image

( а ) Модул коефицијента преноса Т (0, 0), (0, 0) (плава линија) и Т (1, 0), (1, 0) (црна линија). Ширина опсега ∼ 7, 75 кХз настаје услед побуђења ТР. ( б ) Зумирање опсега који садржи ТР. ( ц ) Мерене пренесене амплитуде модова (0, 0) и (1, 0). Плава пуна линија и црна испрекидана линија представљају амплитуде модова (0, 0) и (1, 0), мерено без објекта. Црна чврста линија представља амплитуду режима (1, 0) када се предмет постави близу улазног дела.

Слика пуне величине

Спајање инцидентног поља п и ( и, з ) са својственим модусима φ ( м, н ) ( и, з ) је дано:

Image

Једнаџба (1) указује да се споро просторне осцилације спајају углавном са равним начином, који се не може ширити на фреквенцијама ТР-а. Супротно томе, брзе просторне асиметричне осцилације се спајају са антисиметричним модусима високог реда и преносе се кроз уређај. Међутим, с обзиром да за било који антисиметрични мод једнаџба (1) нестаје ако је п и симетричан, симетрична побуђења се не могу пренети.

Да бисмо ове идеје експериментално тестирали, меримо пренесене амплитуде равнинског режима, (0, 0) и прва два антисиметрична режима а (0, 1) и (1, 0) . Звучник је постављен на уздужној оси удаљеном 280 мм од метаматеријалног улаза. Пренесене амплитуде модова (0, 0), плава пуна линија и (1, 0), црна испрекидана линија приказане су на слици 2ц. Амплитуда равнинског режима показује појасни појас у опсегу (3.7, 11) кХз, као што је предвиђено на слици 2а. С обзиром да се акустички извор поставља симетрично у односу на уздужну ос, ниједан од антисиметричних модова није побуђен, па је стога амплитуда режима (1, 0) близу целог фреквенцијског опсега. Ова ситуација се мења када се предмет постави близу одељка за унос. Црна чврста линија на слици 2ц представља амплитуду режима (1, 0), мереног када је ивица алуминијумске плоче постављена на удаљености од 1 мм од метаматеријала, блокирајући половину улазног отвора. У овој конфигурацији, брзе варијације акустичког поља око ивица спајају се са антисиметричним модусима (једначина (1)), који заузврат побудују ТР и преносе сигнале око фреквенција ТР-а (види унос на слици 2ц). У експериментима разликујемо само три вршка преноса (уместо пет, како је теоретски предвиђено на слици 2б), и то приписујемо урођеним губицима, који нису узети у обзир у нашем моделу.

Користећи наш теоретски модел, открили смо да је амплитуда преносних врхова на слици 2б независна од броја јединичних ћелија у метаматеријалу. Стога, будући да резолуција зависи од амплитуде претварања помијешаних модова у пропагативне моде, перформансе су у принципу неовисне о дужини метаматеријала. Међутим, наш модел не узима у обзир губитке метаматеријала. Када се узму у обзир губици, треба очекивати да ће се амплитуда врхова преноса смањивати са дужином, погоршавајући квалитет слике. Из овог ограничења је погодно изградити метаматеријал са смањеним бројем јединица ћелија. С друге стране, што је већи број јединичних ћелија, најјаче је пригушење равнинског режима, што побољшава одвајање еванесцентног поља од пропагативног поља. Открили смо да је пет јединичних ћелија обезбедило добру компензацију између снажног пригушења равнине и високе амплитуде конверзије еванесцентних модуса.

Визуализација ивица

Извели смо серију експеримената да бисмо приказали ивице различитих објеката. Слика 3а приказује једнодимензионално (1Д) скенирање ивице алуминијумске плоче, ивице алуминијске плоче ширине 32 мм приказане су на слици 3б, а ивице алуминијумске шипке широке 10 мм су приказано на слици 3ц. Изабрана фреквенција је ф = 7, 740 Хз ( λ = 44, 3 мм), што одговара максимуму (1, 0) на слици 2ц. Резултати експеримента су упоређени са симулацијама коначних елемената изведеним са Цомсол Мултипхисицс (видети више детаља у одељку Методе). Чврсте црвене линије и испрекидане црне линије представљају, експерименталне и нумеричке резултате. Појединачна ивица (Сл. 3а) ствара оштар врх у пренесеном интензитету режима (1, 0). Резолуција, дефинисана као пуна ширина на половини максимума (ФВХМ) врха, износи 0, 22 λ . Две ивице плоче од 32 мм виде се као два уска врха са ФВХМ = 0, 19 λ (Сл. 3б). Посебна ситуација настаје приликом снимања ситних предмета, чије су ивице раздвојене удаљености близу резолуције добијене за једну ивицу (0, 22 λ ≈10 мм). Изузетно је што уређај и даље ствара два оштра врха са ФВХМ = 0, 13 λ (Сл. 3ц). Међутим, резултирајућа слика не представља стварну величину објекта, већ објекат мало већи. Разлог за то је што када је положај објекта симетричан у односу на уздужну ос ( и = 0), пренесени интензитет пада на нулу, што смањује врхове које стварају ивице.

Image

Слике ( а ) ивице алуминијумске плоче, ( б ) две ивице алуминијске плоче ширине 32 мм и ( ц ) две ивице алуминијумске шипке широке 10 мм. Уметци приказују предмете са сликама, у којима испрекидана црвена линија представља скенирану регију.

Слика пуне величине

Експериментално смо тестирали способност уређаја да слика дводимензионалне (2Д) објекте. Конкретно, снимили смо диск од плексигласа пречника 10 цм и логотип ЕТХ Зурицх, направљен од круте термопластике (Сл. 4). Слика 4а приказује укупни пренесени интензитет И = И (0, 1) + И (1, 0) приликом снимања диска од плексигласа (представљен је само горњи половина диска). Интензитет је максималан на ивицама диска (представљен испрекиданом линијом). Слика такође показује и друге карактеристике ниже амплитуде, које се могу створити нежељеним одразима у експерименталном окружењу. Јаснија слика се добија смањењем динамичког распона на половину максималног интензитета (Сл. 4б). На слици је јасно уочен полукруг, са ФВХМ≈0, 2 λ . Као што је горе поменуто, занимљив аспект ове технике је могућност визуелизације ивица поредјених у различитим смеровима. То се постиже визуализацијом интензитета И (1, 0) (за хоризонталне ивице) или И (0, 1) (за вертикалне ивице) одвојено. Такво раздвајање омогућено је избором положаја микрофона, што омогућава независно мерење модова (1, 0) и (0, 1) (видети детаље у одељку Методе). На слици 4ц визуелно приказујемо само И (1, 0) и посматрамо максимум у области где је ивица хоризонтална, која глатко измиче како ивица постаје вертикална. На слици 4д визуелно приказујемо само И (1, 0) и посматрамо да је интензитет на обе стране максималан и нестаје како ивице постају хоризонталне.

Image

( а - д ) Слике диска пречника 10 цм. ( е - х ) Слике логотипа ЕТХ Зурицх. Слика ових објеката приказана је изнад ових слика. ( а, е ) Нормализовани укупни интензитет, И = И (1, 0) + И (0, 1) . ( б, ф ) Укупни интензитет, али ограничавајући динамички распон на (0, 5, 1). ( ц, г ) И (1, 0), што омогућава визуелизацију само хоризонталних ивица. ( д, х ) И (0, 1), што омогућава визуелизацију само вертикалних ивица.

Слика пуне величине

На слици 4е-х приказане су слике логотипа ЕТХ Зурицх. Слова су ширине 15 мм ( λ / 3), а одвајање између слова варира између 10 мм ( λ / 4, 4) и 15 мм. Примјећујемо да је ова ситуација знатно изазовнија од претходних случајева, јер објект садржи много већу количину информација о подводној дуљини. Слика пуног динамичког распона, слика 4е, показује максимуме интензитета који се подударају са ивицама слова. Смањивањем динамичког распона на половину, слика 4ф, резултирајућа слика открива већину карактеристика објекта, осим доњег стабла слова 'Т'. На слици се јасно виде ивице слова „Е“ и „Х“, као и горњи део слова „Т“. На слици 4г, х приказани су интензитети И (1, 0) и И (0, 1), који омогућавају визуализацију хоризонталних и вертикалних ивица. Ове бројке показују да је детекција усмерених ивица такође могућа у овом сложенијем случају.

Дискусија

Дизајнирали смо и тестирали акустички метаматеријал који може преносити само информације о ивицама и ситним детаљима објекта. Ова јединствена својства преноса произилазе из комбинације ТР-а, што омогућава ширење нагорених таласа и Брагг-овог распршења, који избегавају пренос пропагандних компоненти. Показали смо могућност визуелизације ивица различитих објеката резолуције у распону од λ / 5 до λ /7.7. Предвиђамо могућност скалирања израде ових уређаја на величине од интереса за ултразвучно снимање ради побољшања постојећих технологија визуелизације у медицинским и неразорним апликацијама за процену. Штавише, будући да се слични заробљени модови налазе и у електромагнетним таласним водилима (види, на пример, реф. 27, 28), наши резултати могу сугерисати дизајн аналогних оптичких уређаја за детекцију ивица.

Методе

Експериментална поставка

Уређај приказан на слици 1б произведен је помоћу 3Д штампања. Уређај је постављен вертикално у кутију обложену апсорбирајућом пеном дебљине 50 мм. Звучник пречника 22 мм (Цларион СРЕ 212Х) постављен је на уздужној оси 280 мм од улазног дела. Пренесени притисак је мерен са четири (6, 35 мм) микрофона (ГРАС 40БД), постављеним у равни са унутрашњим зидом, удаљеним 20 мм од последњег уског дела, као што је приказано на слици 1а. Микрофони су постављени у средину сваког зида, подударајући се са нодалним линијама модова (1, 0) и (0, 1). Дакле, пренесене амплитуде модова (0, 0), (1, 0) и (0, 1) могу се независно мерити као (0, 0) = ( п 1 + п 3 ) / 2 = ( п 2 + п 4 ) / 2, а (0, 1) = ( п 1 - п 3 ) / 2 и а (1, 0) = ( п 2 - п 4 ) / 2, где је п 1 - п 4 сложен притисак мерено микрофонима 1–4. Притисак је мерен помоћу фазно осетљиве детекције да се минимизира бука, користећи синусоидни талас при ф = 7, 740 Хз као референтни сигнал. Излаз метаматеријала био је испуњен апсорбујућом пеном да би се минимизирали рефлексије уназад.

Визуализовани предмети померани су испред улазног дела таласа на удаљености од 1 мм помоћу корачног мотора (Велмек). Корак скенирања 1Д слика на слици 3 износио је 0, 6 мм ( λ / 74), а 2Д слика на слици 4 1, 6 мм ( λ / 28). 2Д слике на слици 4 су интерполиране линеарно на тањој решетки (величина корака 0, 8 мм) да би се побољшала резолуција визуелизације.

Симулације коначних елемената

Симулирани 1Д скенови приказани на слици 3 добијени су коришћењем Цомсол Мултипхисицс. Предметни предмети и конструкција за вођење таласа су уроњени у ваздух и моделирани као савршено крути. На осовини таласа на удаљености од 280 мм постављен је тачкасти извор. Визуализовани предмети постављени су окомито на уздужну ос на удаљености 1 мм од улазног дела, у складу са експерименталним условима. Домен ширења био је окружен савршено уклопљеним слојевима како би симулирао анехоичне граничне услове. Савршено усклађен слој је такође убачен у излаз метаматеријала како би се елиминисали рефлексије уназад.

Додатне информације

ПДФ датотеке

  1. 1.

    Додатне информације

    Додатне слике 1-2 и додатне напомене 1-2

Коментари

Подношењем коментара пристајете да се придржавате наших Услова и Смерница заједнице. Ако нађете нешто злоупотребно или то није у складу са нашим условима или смерницама, означите то као непримерено.