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Light Diffraction Tomography Applied to the Investigation of Ultrasonic Fields. Part I: Continuous Waves

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A light diffraction technique is described which allows the projection of the sound-pressure amplitude and phase in the Raman-Nath region up to ν = 2.4 to be measured. By means of filtered back projection using discrete convolution the pressure and phase profiles in the cross-section of an ultrasonic beam in the low MHz range are calculated. It is shown that due to the projection a coupling exists between amplitude and phase which requires the back projection of two data sets in order to obtain either the amplitude or the phase profile. If reduced accuracy is tolerated, the amplitude profile can be calculated by one data set only, assuming constant phase conditions. The experimental results are compared with hydrophone measurements. They show satisfactory agreement with respect to the sound field structure studied. Light diffraction tomography proves to be a useful tool for those fields of application in which hydrophone measurements are unsuccessful, due to unavoidable retroaction and their rather large dimensions compared with the ultrasonic wavelength.

Zusammenfassung

Es wird ein beugungsoptisches Verfahren beschrieben, das die Messung der Projektion der Schalldruckamplitude und der Phase im Raman-Nath-Bereich bis ν = 2,4 ermöglicht. Mit Hilfe der gefilterten Rückprojektion und unter Verwendung der diskreten Faltung werden die Schalldruck- und Phasenprofile im Querschnitt eines Ultraschallbündels im unteren MHz-Bereich berechnet. Es wird gezeigt, daß durch die Projektion eine Verkopplung zwischen Amplitude und Phase besteht, die eine Rückprojektion von zwei Datensätzen zur Bestimmung entweder des Amplituden- oder des Phasenprofils erforderlich macht. Für geringere Anforderungen an die Meßgenauigkeit kann das Amplitudenprofil auch aus nur einem Datensatz berechnet werden, wobei der Fall konstanter Phase vorausgesetzt wird. Die experimentellen Ergebnisse werden mit Hydrophonmessungen verglichen. Eine befriedigende Übereinstimmung der untersuchten Schallfeldstrukturen konnte festgestellt werden. Die beugungsoptische Tomographie erweist sich als ein zweckmäßiges Werkzeug für solche Anwendungsfälle, bei denen Hydrophonmessungen infolge der unvermeidlichen Rückwirkung und ihrer relativ großen Abmessungen im Vergleich zur Ultraschallwellenlänge versagen.

Sommaire

On décrit un dispositif fondé sur la diffraction de la lumière par les ultrasons et permettant la mesure de la projection transversale de l'amplitude de la pression acoustique ainsi que de la phase de l'onde sonore dans le domaine de Raman-Nath jusqu'à la valeur 2,4 du paramètre ν. Les profils de pression et de phase au travers d'un faisceau ultrasonore s'obtiennent, du moins aux fréquences ne dépassant pas quelques MHz, par application d'une rétroprojection filtrée accompagnée d'une convolution discrète. On montre que la projection entraîne un couplage amplitude-phase de sorte que la détermination d'un profil d'amplitude ou d'un profil de phase exige une rétroprojection de deux séries de données. Toutefois une seule série de données peut fournir un profil d'amplitude si l'on est moins exigeant au sujet de la précision et en présupposant le cas d'ondes planes. Les résultats expérimentaux ont été comparés avec des mesures effectuées avec des hydrophones. Une concordance satisfaisante des structures transversales des champs sonores examinés a pu être observée. La tomographic par diffraction optique devient un outil irremplaçable dans les applications pour lesquelles les mesures par hydrophones sont inadéquates du fait des perturbations qu'elles entraînent et de leur manque de finesse lorsque ces capteurs sont trop grands relativement aux longueurs d'ondes des ultrasons.
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Document Type: Research Article

Publication date: November 1, 1984

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  • Acta Acustica united with Acustica, published together with the European Acoustics Association (EAA), is an international, peer-reviewed journal on acoustics. It publishes original articles on all subjects in the field of acoustics, such as general linear acoustics, nonlinear acoustics, macrosonics, flow acoustics, atmospheric sound, underwater sound, ultrasonics, physical acoustics, structural acoustics, noise control, active control, environmental noise, building acoustics, room acoustics, acoustic materials, acoustic signal processing, computational and numerical acoustics, hearing, audiology and psychoacoustics, speech, musical acoustics, electroacoustics, auditory quality of systems. It reports on original scientific research in acoustics and on engineering applications. The journal considers scientific papers, technical and applied papers, book reviews, short communications, doctoral thesis abstracts, etc. In irregular intervals also special issues and review articles are published.
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