捕捉马赫锥:洞察大脑?

文章作者:lili | 2017-01-26
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开篇我们先来科普一下马赫锥:当波源运动速度高于波速时,波面的包络面呈圆锥状,称为马赫锥(mach cone)。1马赫速度是声音在真空传播1秒的速度。之所以以马赫锥来命名就是因为人类以这个速度来对波动性的传播做研究。这个现象同样适用于光,相对论中也有相应的介绍。言归正传,那么我就以声音传播为例介绍马赫锥。

在超声速运动时,由于微扰动(如弱压缩波)的叠加而形成的强间断即激波。当飞行器以超音速飞行时,扰动来不及传到飞行器的前面去,结果前面的气体受到飞行器突跃式的压缩,形成集中的强扰动,这时出现一个压缩过程的界面,称为激波。经过激波,气体的压强、密度、温度都会突然升高,流速则突然下降。压强的跃升产生可闻的爆响。飞机在较低的空域中作超音速飞行时,地面上的人可以听见这种响声,即所谓音爆。而马赫波(体现为马赫锥)是一个位置固定的微弱扰源所发出的一系列扰动在超声(音)速气流中传播的波阵面;位置固定的扰源在速度超过音速(V>a)的气流中所发出的一个个扰动随气流以V的速度向下游移去,同时扰动本身又以音速a 向四面八方传播,而扰动所能播及的区域必限于一圆锥区域以内,这圆锥是一系列扰动球面的包络面,称为马赫锥;圆锥的半顶角μ=arcsin(1/M),称为马赫角。激波又分为正激波和斜激波,激波除中间一小段是正激波(波正面与来流垂直),其余都是斜激波。而当激波斜角(波阵面与来流指向之间的夹角)小到等于马赫角时,激波就减弱到变成微弱扰动波或马赫波了。飞机超音速飞行时,各部分产生的激波要汇合成 一前一后的两个激波向外传播,并传至地面。对地面某一点来说,激波经过时由于波面前后压力突变,将伴随着产生爆炸音响,称为超音速爆音。

最近有科学家利用超高速照相机捕捉了马赫锥现象,而这一技术将来可能会用于检测大脑。未来测谎仪的准确性可能越来越高了。

研究人员所设计的“无损编码压缩超快摄影”系统可以实时捕捉到这种马赫锥。研究人员所设计的“无损编码压缩超快摄影”系统可以实时捕捉到这种马赫锥。

当一个粒子以超音速速度飞行时,就会形成所谓的“马赫锥”现象;马赫锥与音爆现象极为相似。当一个粒子以超音速速度飞行时,就会形成所谓的“马赫锥”现象;马赫锥与音爆现象极为相似。

  当超高速粒子产生冲击波,散射周围光线时,就可能形成光子马赫锥。现有的成像技术此前从未能够实时捕捉到这一现象,而且为了捕捉这一现象,可能需要数百或数千台设备通力合作。科学家梁金阳等人设计了一套新型成像系统,他们认为这一系统有望对生物医学产生革命性影响。科学家们的研究成果发于《科学进展》之上。

  研究人员通过一个光源通道产生的散射光线来形成光子马赫锥现象,并实时捕捉这一现象。当通道中一道较短的激光脉冲开始扩散时,这种散射会释放出相同波长的次波。研究人员介绍说,“这些波形成一个波面展示于重叠的面板上。在这种情况下,这些散射事件会产生第二光源。在某一特定点,瞬间散射的光就会形成一个马赫锥结构。”

  研究人员所设计的“无损编码压缩超快摄影”系统就可以实时捕捉到这种马赫锥。在实验中,研究人员共观测到三次。通过将这些数据重塑成像,科学家们就可以得到马赫锥现象的动态画面。实验发现了在超音速状态下的马赫锥现象。研究人员认为,这一技术进步将大大改进生物医学领域的成像技术,从而实现更好地实时监测。

 

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