تصوير صوتي مجسم

Acoustic holography -

التصوير الصوتي المجسَّم

مازن خوري

أنواع التصوير الصوتي المجسَّم

أمثلة عن تطبيقات التصوير الصوتي المجسَّم

التطورات الحديثة

يهدف التصوير الصوتي المجسم acoustical holography إلى دراسة المنابع الصوتية والسطوح المهتزة وتحديد أمكنة المنابع الصوتية فيها ومعرفة شداتها الصوتية وهو يختلف عن التصوير الضوئي المجسم على الرغم من تشابه الأسماء.

يسجل التصوير الصوتي المجسَّم الضغط الناجم عن المنبع الصوتي (أو السطح المهتز) على سطح ثنائي البعد (هولوغرام hologram)، فيه مجموعة من المستقبلات الصوتية (مكروفونات). يجري بعد ذلك حساب الحقل الصوتي والمقادير الصوتية الأخرى، كسرعة الجزيئات والشدة والاستطاعة الصوتية في الفضاء الثلاثي الأبعاد المحيط بالجسم المهتز، وعلى مستوٍ موازٍ لمستوي الهولوغرام، وعلى مستوي السطح المهتز نفسه خاصة.

أما البعد الثالث في التصوير الصوتي المجسَّم فمحقق سلفاً؛ لأن المستقبلات الصوتية الموجودة في الهولوغرام تسمح بقياس المطال والطور (الصفحة) أيضاً، وهذا غير محقق في التصوير الضوئي المجسَّم حيث إنّ قياس الطور لايمكن أن يتم إلا من خلال أهداب التداخل بين الموجة المنعكسة عن الجسم والموجة المرجعية.

يمكن بوساطة التصوير الصوتي المجسَّم دراسة اهتزاز آلة موسيقية، أو دراسة اهتزاز جسم طائرة، أو حركة سطح غواصة.... ومن خلال فهم العلاقة بين اهتزاز البنية المدروسة والحقل الصوتي المتولد منها يمكن معرفة فيما إذا كانت هذه البنية تعمل جيداً أو ثمة خلل ما في أحد مكوناتها.

أنواع التصوير الصوتي المجسَّم

قبل التحدث عن أنواع التصوير الصوتي المجسَّم لابد من تعريف عامل مهم تتمايز فيه الهولوغرامات الصوتية، وهو التمييزية المكانية (الفراغية) spatial resolution، وتقدر بالسنتيمتر، وتعني المسافة الدنيا التي يستطيع الـهولوغرام الفصل فيها بين منبعين صوتيين من دون أن يظهرا وكأنهما منبع واحد.

ثمة نوعان من التصوير الصوتي المجسَّم تبعاً للمسافة الفاصلة بين الهولوغرام والسطح المهتز:

1- التصوير الصوتي المجسَّم البعيد المجال Far-field Acoustical Holography (FAH)، حيث تكون المسافة بين الهولوغرام والسطح المهتز أكبر من طولي موجة تقريباً -المقابل إلى أقل تردد (تواتر) صوتي صادر عن السطح المهتز- وتكون التمييزية في هذا النوع مساوية لنصف طول الموجة الصادرة عن السطح المهتز.

2- التصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال :Near- field Acoustical Holography (NAH) دفعت التمييزية المحدودة في التصوير الصوتي المجسَّم البعيد المجال الباحثين إلى العمل في اتجاه آخر، وهو التصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال، حيث المسافة بين الهولوغرام والسطح المهتز أقل من طولي موجة تقريباً - المقابل إلى أقل تردد صوتي صادر عن السطح المهتز- وحيث إن التمييزية مستقلة عن ترددات السطح المهتز وتساوي المسافة الفاصلة بين المستقبلات الصوتية الموجودة في الهولوغرام.

وبسبب التمييزية العالية لهذا النوع من التصوير أصبح هو المستخدم في الأبحاث وفي الصناعة، وأصبح ذكر التصوير الصوتي المجسَّم يعني بالضرورة التصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال (NAH).

مبادئ عمل التصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال NAH

تتلخص مبادئ عمل التصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال بثلاث مراحل:

1- تحويل الضغط المقيس على مجموعة المكروفونات على سطح الـهولوغرام من الفضاء الديكارتي (أي الضغط بدلالة x, y) إلى فضاء عدد الموجة wave number domain باستخدام تحويل فورييه المكاني spatial Fourier transform.

2- تعتمد الخطوة الثانية على جعل الموجات الصوتية المحسوبة في الفقرة رقم (1) تنتشر إلى المستوي الجديد المراد حساب الضغط والمقادير الصوتية الأخرى فيه. في هذه المرحلة يجب أخذ الأمواج الصوتية كلها في الحسبان، أي الأمواج الصوتية المنتشرة والمتلاشية propagative and evanescent waves. والأمواج المتلاشية هي التي تنتشر لمسافة قريبة من المنبع الصوتي ثم تتخامد. لا يستطيع التصوير الصوتي المجسَّم البعيد المجال تسجيل هذه الأمواج؛ لأنّ الهولوغرام بعيد عن المنبع الصوتي، في حين يمكن للتصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال تسجيل هذه الأمواج، وهذا ما يفسر التمييزية العالية في هذا النوع من التصوير الصوتي المجسَّم.

إنّ مراعاة الأمواج المتلاشية أمر مهم جداً، لأنّها تشتمل على كثير من المعلومات عن المنبع الصوتي، وكلما كان عددها أكبر زادت التمييزية فيها. على العموم يمكن استخدام مرشحات خاصة، مثل مرشح فينر الخاص special Wiener filter لتحديد العدد المطلوب من هذه الأمواج للحفاظ على تمييزية عالية. تُعد هذه المرحلة الأهم والأصعب في عملية التصوير الصوتي المجسَّم.

3- تحويل الموجة الصوتية من فضاء عدد الموجة إلى الفضاء المكاني باستخدام تحويل فورييه المكاني العكسي inverse spatial Fourier transform.

لدى إنهاء هذه العمليات الثلاث يُحصل على «صورة صوتية»، أي على مجموعة من المقادير الصوتية في الفضاء الثلاثي الأبعاد المحيط بالجسم المهتز (أو المنبع الصوتي) انطلاقاً من قياسات على مستوٍ ثنائي البعد.

إيجابيات التصوير الصوتي المجسَّم وسلبياته

يتميز التصوير الصوتي المجسَّم القريب المجال بما يلي:

1- تمييزية فراغية عالية ومستقلة عن ترددات المنبع الصوتي ومساوية للمسافة الفاصلة بين مستقبلين صوتيين على الهولوغرام.

2- تحديد استطاعة المنبع الصوتي، وذلك بقياس الضغط عـلى المسـتقبلات الصوتية الموجودة على الـهولوغرام وإجراء الحسابات العددية اللازمة.

أما سلبيات التصوير الصوتي المجسَّم فتتلخص بما يلي:

1- تمكن طريقة التصوير الصوتي المجسَّم من حساب العديد من المقادير الصوتية الخاصة بالمنبع في مستوٍ موازٍ لمستوي الهولوغرام، فمثلاً إذا كان المطلوب تحديد المنابع الصوتية في سيارة يتوجب إجراء مسح كامل لها. فإذا كانت هذه المنابع الصوتية غير متغيرة مع الزمن stationary sources فمن الممكن إجراء عملية المسح هذه، أما إذا كانت هذه المنابع متغيرة مع الزمن فذلك غير ممكن لأن استطاعة هذه المنابع غير ثابتة بدلالة الزمن.

2- إنّ المسافة بين المستقبلات الصوتية لا تحدد التمييزية الفراغية للـهولوغرام فقط، وإنما تحدد أيضاً التردد الأعظمي الممكن كشفه. فإذا كان المطلوب الكشف عن ترددات صوتية عالية فإنه يجب إنقاص المسافة بين المستقبلات الصوتية؛ مما يتطلب الاعتماد على عدد أكبر من المستقبلات للمحافظة على سطح الهولوغرام نفسه، وهذا يعني حجم بنية صلبة وبرمجية أكبر وحجماً هائلاً في المعطيات.

أمثلة عن تطبيقات التصوير الصوتي المجسَّم

يعد الضجيج الصوتي المنبعث من الأجهزة المنزلية من الأمور المزعجة جداً التي قد تمنع الناس أحياناً من اقتناء جهاز ما بسبب ضجيجه الصوتي العالي.

دخل التصوير الصوتي المجسَّم عالم صناعة الأجهزة المنزلية باستخدام الهولوغرام على مسافة قريبة من الجهاز المعني بتسجيل الضغط المنبعث منه، ثم تُحسب شدة ضغط الصوت sound pressure level (dB) على السطح المهتز. وبذلك تحدد أماكن منابع الضجيج الصوتي في الجهاز، ومن خلال فهم العلاقة بين اهتزاز البنية المدروسة والحقل الصوتي المتولد منها يمكن التخفيف ما أمكن من الضجيج.

والمثال على التصوير الصوتي المجسَّم للأجهزة المنزلية برّاد جرى تصويره صوتياً بمصفوفة حساسات مكونة من 36 مستقبلاً صوتياً، والمسافة الشاقولية والأفقية بين كل مستقبل وآخر 6 سم. كانت المسافة بين الهولوغرام وكل سطح من سطوح البراد هي 5 سم، حيث جرى مسح كل سطح مسحاً كاملاً على 17 مرحلة، أي 612 نقطة قياس لكل سطح. تبين سريعاً أن مصادر الصوت القوية تأتي من السطح الخلفي للبراد، ويبين الشكل (1) شدة ضغط الصوت المحسوبة على ذلك السطح من أجل الترددات 1286Hz ,1336Hz , 1633Hz ,1781Hz. وقد لوحظ أنّ مصادر الضجيج الصوتي القوي على هذا السطح تأتي أساساً من الضاغط ومن الثلاجة. ولدى دراسة تصميم الضاغط وعلاقته بباقي أجزاء البراد تبين أنّ المشكلة تنحصر في عدم توافق ميكانيكي، وبعد إزالة هذه المشكلة وتحسين نظام تفريغ الضاغط خف الضجيج الصوتي كثيراً.

الشكل (1) شدة ضغط الصوت المحسوبة على السطح الخلفي للبراد من أجل الترددات  1781Hz ، 1633Hz، 1336Hz ، 1286Hz.

كذلك دخل التصوير الصوتي المجسَّم عالم صناعة السيارات، حيث شهدت الآونة الأخيرة طلباً متزايداً لأجل أَمثَلَة optimization المواصفات الصوتية للمواد التي تدخل في صناعة السيارات بهدف الحصول على أفضل المواصفات وبأرخص الأسعار.

هناك العديد من تطبيقات التصوير الصوتي المجسَّم في عالم صناعة السيارات، ولكن أهمها هو استخدامه في قياس «الكتامة الصوتية» للسيارة التي تعني تحديد مدى نفوذية الضجيج الصوتي الخارجي إلى داخل السيارة، حيث إنّ مواصفة عدم سماع أي صوت خارجي داخل السيارة أصبحت من المواصفات المهمة التي تعطي درجة رفاهية أعلى لهذه السيارة أو تلك. ولهذه الغاية يجري توليد ضجيج صوتي صنعي خارجي عن السيارة، ثم تُجرى القياسات الصوتية داخل السيارة المغلقة، ويستخدم لهذا الغرض هولوغرام مناسب، خفيف الوزن وسهل الاستخدام، يتألف من سطح مربع مكون من 64 مستقبلاً صوتياً، والمسافة الشاقولية والأفقية بين كل مستقبل وآخر هي 2.5 سم (الشكل2).

الشكل (2) الهولوغرام المستخدم في عملية التصوير الصوتي للسيارة.

كذلك يستخدم جهاز تحديد مسافة خاص لهذا التطبيق، يقوم بتسجيل المسافة الفاصلة بين الهولوغرام وسطح السيارة الجانبي المراد حساب الضغط الصوتي عليه بشكل آلي في أثناء عملية القياس (الشكل 3).

الشكل (3) جهاز تحديد المسافة المستخدم في عملية التصوير الصوتي للسيارة.

يبين الشكل (4) نتيجة قياس الضغط داخل السيارة وبالقرب من أحد السطوح الجانبية لها حيث المسافة الفاصلة بين سطح الهولوغرام وهذا السطح 10 سم لأجل الترددين Hz 1000 و4000 Hz.

الشكل (4) حقل الضغط الصوتي المقيس على بعد 10cm من السطح الجانبي للسيارة من أجل الترددين 1000 Hz و 4000 Hz.

يبين الشكل (5) الضغط الصوتي المحسوب على السطح الجانبي للسيارة لأجل الترددين السابقين. يبين الشكل الأخير أماكن «الضعف» على هذا السطح حيث يلاحظ أن نظام إغلاق السيارة غير محكم تماماً لاسيّما في القسم العلوي الأمامي لباب السيارة إضافة إلى الجزء السفلي اليميني لزجاج السيارة. كذلك استخدم القياس السابق للهولوغرام لحساب الضغط الصوتي على كامل السطوح الجانبية للسيارة، وحساب الضغط الصوتي عند مكان السائق والركاب ومقارنته بوسائل قياس أخرى للتأكد من صحة حسابات التصوير الصوتي المجسَّم وكانت النتائج متطابقة.

الشكل (5) حقل الضغط الصوتي المحسوب على السطح الجانبي للسيارة من أجل الترددين Hz 1000 و Hz 4000.

التطورات الحديثة

أصبح من الممكن تحسين الصورة الصوتية بالهولوغرام باستخدام التفاضل التلقائي، حيث يعد الهولوغرام الصوتي حجر الزاوية في الصوتيات الحديثة. فقد تمكن فريق من الباحثين من التوصل إلى طريقة تمكنهم من ترميز حقل صوتي ثلاثي الأبعاد في بعدين اثنين، الشكل (6). وتحدِّد جودتها حسن أداء المنظومات الصوتية. وقد أصبح للهولوغرام الصوتي تطبيقات فوق صوتية طبية. فقد كانت دقة تركيز أشعة الأمواج فوق الصوتية الموجهة إلى الدماغ محدودة بسبب انحرافات الطور الشديدة الناتجة عن انعكاسات الموجة وتلاشيها عند اجتياز الجمجمة. يمكن للعدسات الهولوغرافية الصوتية تجاوز تلك الحدود بتشكيل حقول فوق صوتية بتوزيع مكاني معقَّد داخل الجمجمة عديمة الانحراف. وأظهرت النتائج أنه باستخدام عدسات مصنوعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة يمكن تركيز الأشعة فوق الصوتية ليس فقط على نقطة واحدة، بل يمكنها أن تتداخل على هدف أو عدة أهداف في وقتٍ واحد مثال: الحصين الأيمن والأيسر. أيضاً هناك مجالات معقدة مثل الأشعة الإعصارية لمحاصرة الأشياء الصغيرة. تفتح هذه النتائج مجالاتٍ جديدة لانتشار تطبيقات علاجية جديدة للأمواج فوق الصوتية بما فيها فتح الأوعية الدموية الدماغية المسدودة أو التعديل العصبي باستخدام منظومات منخفضة التكلفة، الشكل (7).

الشكل (6) محول مصفوفي طوري.

الشكل (7).

مراجع للاستزادة: - W. P. Mason, Physical Acoustics V10: Principles and Methods, ‎ Academic Press 2010. - K. Melde, The Acoustic Hologram and Particle Manipulation with Structured Acoustic Fields,‎ KIT Scientific Publishing, 2020. - D. Yang, X. Guo, S. Shi, J. Ma, The Study of Joint Acoustic Holography Algorithms based on Continuous Scanning, I.J. Intelligent Systems and Applications, 2011.

---

- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد الثامن مشاركة :