新结构改进声波的边缘检测

寂静天花板

声音的边缘检测概念是类似超生或者声纳这些常用技术的基础。本质上，声音会按照特定的频率发出，然后由一台设备检测声音何时、在什么位置与固体对象接触。根据应用的需要，上述边缘检测可以用于创建实体对象的一般形状和位置，或根据它与材料之间的交互方式仔细区分不同材料之间的区别。在实际应用中，人们经常用超声波来监测胎儿在子宫内的发育，或者探测飞机支撑结构和铁轨内部的细微裂缝，以及用声纳绘制海床或跟踪海洋生物的运动。

要了解声音的反射如何起作用，以及为什么不起作用，最重要的是要知道当声音撞击到一个 固体表面时到底发生了什么。当声音与固体对象的边缘碰撞时，它们会弹开并产生一种声音的“损耗波”，这种“损耗波”的消散速度比原始声波快得多。 由于这些次波衰减得很快，因此它们只能在特定情况下才能测到。目前记录这些波的方法十分有限，而且很容易受到原始声波的干扰。

近日，来自苏黎世联邦理工学院的一群研究人员找到了一种新方法能够将这些非常微弱的短声波与那些持续时间更长的原始声波区别开来。将这种技术用于声学成像，就可以过滤掉大部分的长声波，而只检测从对象边缘反射的次波，这样就可以只需要快速的扫描就可以生成对象的简单轮廓。
9 d+ W( r1 |6 W$ u. O“这种类型的测量方法带来了类似于图像处理软件中的边缘检测过滤器的效果，这种图像边缘检测工具使得用户只需点击鼠标就可以确定对象的基本轮廓。”苏黎世理工学院力学和材料学教授Chiara Daraio解释说。

那么，科学家们是怎么做到的呢？这要归功于苏黎世理工学院的Miguel Molerón开发的一种新型3D打印聚合物结构。这种3D打印的结构有属于正确地过滤掉不同的声音，因此只有特定的声波会被检测到。从外型上看，该结构是一个方形管，其被划分成5个共鸣腔，每个部分之间由小窗连接。
当声波穿过这些腔室时，其内部结构能够增强短声波，而将连续的腔室则会将较长的声波过滤掉。在该结构的端部还安装了4个麦克风来检测发射的声音。由于“损耗波”是仅靠对象的边缘产生的，而且只能持续很短的一段时间，因此研究人员就通过这个聚合物结构放大它们，直到它能够被挑选出来，并生成所述对象的轮廓图像。
) t1 d- A7 [6 }# z+ `4 f5 ]3 h0 o该研究人员指出，这个系统并不是为了产生一个对象的完整详细扫描结果，它更适用于那种需要在尽可能短的时间里尽可能多地捕获对象信息的情况，特别是用于扫描材料裂隙或缺陷的应用。在这些应用中对象的轮廓或边缘是验证结构的完整性所需的唯一信息，因此会更快更准确地得到结果。

不过，目前这种新的检测方法还仅仅是一个概念验证，需要更多的研究和改进，以确定它最适合哪些应用。在原来的实验中研究人员使用的是可听到的声音，所以下一步他们打算使用超声波或其他人类听不到的声波。

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江南飘雪

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感觉很厉害的样子