国防科普加油站（4）声全息相机：让声音唾手可“见”

人的耳朵可以听见声音，这是一个极为普通的常识。因为耳朵内有一个耳鼓膜，声音传递给鼓膜施加一个力学振动，鼓膜受到振动会使神经元产生相关的生物电信号，传递到大脑便形成了听觉。

如果有人告诉你：声音也可以“看见”， 你一定会感到不可思议，或者说“痴人说梦”吧。随着科学技术的发展，一些看似违背常识的问题，如今也能变成现实，“看得见”声音就是一个例子，它就是一种被称为“声全息技术”的“黑科技”。早在本世纪初，我国科学家就运用这一技术，成功分析出了汽车高速运动时所产生的发动机噪声、轮胎噪声和与空气摩擦的噪声，让这些噪声的源头与传播方式变得“一览无余”。现在，我们就来揭开“声全息技术”的神秘面纱。

随“波”起舞，从“类比”中实现突破

早上醒来，人们睁开眼睛就会看见光，人类对光以及光学成像的研究也比其它科学相对要早一些。在我国战国时期，《墨经》中就有平面镜与凹凸镜运用与成像的记载。到了十六世纪，欧洲人发现银化合物在光照下会产生变色反应，随着观察与研究的深入，科学家们发现银化合物对不同颜色的光，产生的化学反应也不相同，这个差异便形成了照相感光理论的雏形。1822年，法国一位名为达盖尔的科学家据此发明了银版照相，光学摄影技术由此诞生。到了1974年，美国柯达公司发明了数码相机，又把光学摄影技术带入电子时代。

光学摄影技术只是光学发展的一个缩影，却也足见光学进步之快。相比之下，人类对声学的研究与应用却要逊色得多，发展也是一路坎坷。因为，人眼中不同的感光细胞的敏感范围是不一样的，它可以较为轻易地识别出不同的光线。而人耳的鼓膜所接收的是所有声源的声音叠加，当声源数量多、声学环境复杂时，就会难以分辨，这就给声源信号的处理与分析造成了难度。也就是说，声音能听得到，却看不见、摸不着、辨不准。

在对声学的不断求索中，科学家们发现“声”与“光”有着许多的相似之处：它们都是以波动的形式进行传播，并且遵循着相同的反射、折射以及散射定律，且都具有能量。视觉与听觉的形成，都借助于某些传感器发挥作用，生成生物电信号。于是，声学研究者从“声”与“光”的“类比”中受到启发，经过长期的不懈探索与创新，发明了声学成像技术，即声学相机。

声学相机的基本原理是依靠外部的传声器阵列，将接收到的声波对传声器表面施加的力学振动转化为电信号，通过数据分析模块和可视化软件，用彩色图像绘制声音能量分布情况，从而“拍摄”出声源的分布与声音的传播特征，形成类似于热摄像仪对物体温度的探测效果。

这种声学相机虽然能“拍摄”到声音，但质量并不好，传声器阵列的成本高，数据处理也让计算机不堪重负。声学相机发展因此陷入困境。

1947年，英籍匈牙利科学家盖伯为提高光学摄影效果，想出一个妙招：他采用激光作为照明光源，将光源发出的光分为两束，一束直接射向感光片，另一束由被摄物体反射后再射向感光片，通过两束光在感光片上叠加产生干涉效应，成功“记录”物体的反射光强度与相位信息。这种使用激光照射的感光片，使人眼能看到与原来被拍摄物体完全相同的三维立体像，形成了光全息技术。1971年，盖伯因此获得诺贝尔物理学奖。

声学研究者再次从中受到启发，将目光投向了光学技术的先进成果上。1966年，他们将光全息技术的有关思路用于超声波研究，提出了“声全息技术”和“近场声全息”概念。在此基础上，科学家们经过近40年的探索与创新发展，终于取得一系列原创性技术突破，形成了完整的声全息技术体系，并研制出声全息相机。

图1 声学相机

分毫析厘，让声音显露于形

随着计算机和数字信号处理技术的飞速发展，声全息相机迅速走出实验室，变成了开展声学研究的实用装备。与传统声学相机相比，声全息相机的优势主要体现在以下方面：

声场还原完整。声场描述是一个复杂的系统工程，要想完整的描绘一个声场，需要做到声压分布、振动强度分布、质点速度、声强与远场指向性“五者兼顾”。 在声学领域，这5个问题犹如5个狡猾的“敌人”，要掌握它们的立体空间的行踪和位置信息相当难。声全息技术诞生后，科学家通过化繁为简、化整为零、各个击破的方法，将声场空间变为一个个静止的“小方块”，然后从最近的“小方块”着手分析，逐渐推进到最远的“小方块”，不仅准确掌握了这5个“敌人”特性和位置，而且让它们相互协调和配合工作，最终实现了完整的声场还原，为“看得见”声音奠定了基础，成为声学相机的一大技术优势。

成像分辨率高。在声学领域，声波从空间分布角度上分为传播波和倏逝波。如果将声波比作一件精美的瓷器，那么传播波就是瓷器的优美轮廓，而它包含的声波宏观信息，可以在测量空间获得。倏逝波则好比是瓷器上精致的花纹，它携带着声波的微观信息如同瓷器表面细微工艺，只有在近处仔细端详看清一样，倏逝波也只能在非常近的范围内获得。如果声场中只有传播波没有倏逝波的话，形成的“声学照片”只能看清轮廓，细节则是模糊难辨。与传统声学相机相比，声全息相机可以同时捕捉声源产生的传播波和倏逝波，二者相辅相成就能识别声场中存在的中低频声音，从而生成成像分辨率高的“声学照片”。当前，声全息相机的成像分辨率可以达到声波波长的几十分之一。

声源定位精准。在日常生产与生活中，发现并定位声源是降低和排除噪声的前提，这就需要对声源位置进行精准定位。与传统声学定位技术相比，声全息相机的定位能力不受声源尺寸与形状的影响，在强干扰环境下，依然可以快速精准的分离出目标空间中存在的多个声源，实现对声源的低成本高效率定位。无论声源是稳态还是非稳态，是静止还是运动，都逃不过声全息相机的“火眼金睛”。

应用广泛，为武器装备发展助力

“千呼万唤始出来”的声全息技术，一经诞生便显示出广阔的应用前景。如在家电制造中，使用它分析家电的噪声源种类与位置并进行工艺改进，使家电更加“安静”；农业生产中，根据植物遭遇病害时发出的声信号，运用声全息技术进行监控与识别，可以进行有针对性的病害防治；在军事领域，则可利用推动武器装备发展。

降低武器装备噪声，助力性能提升。在军用装备设计与生产中，消除潜在噪声源，增强隐身性能和操作舒适度，是提高装备性能的重要课题。利用声全息技术可以通过对声场的完整描述，在装备研制与试验阶段及时发现噪声源及其声辐射形式，有针对性地进行减振降噪设计，从而降低装备在使用中噪声，增强装备隐身性、可靠性和操作舒适度。据报道，国外已将声全息技术应用于第5代战机的减振降噪中，使战机的噪声大幅降低。

增强水下目标识别。潜艇为了增强水下隐身能力，往往会发出一些强度很大的声信号以掩盖自身噪声，实施反潜干扰或欺骗，同时也会利用对方水面舰船发出的声音来掩盖自身的噪声，在对方活动水域搜集情报并制造威胁，给反潜和水下目标识别造成困难。运用声全息技术，则可以通过其传播波和倏逝波的信息，形成高分辨率的声场分布图，找出不同声源加以辨别，提高水下目标的识别准确率。目前，国外军队已研发出用于潜艇噪声测量的声全息相机系统，并将应用于水下装备降噪和目标识别。

提高地雷和水雷作战效能。随着声学研究的深入与技术进步，声学手段也在武器中获得广泛应用。声全息技术可以显著增强地雷或水雷的目标识别能力、对抗能力、精确制导和命中要害部位的能力，发挥武器最大效能，同时降低误伤几率。同时，还能精准定位可疑目标的出现方向与距离，并判断目标特征是否与己方相同。国外已经成功的使用声全息技术增强武器的作战效能。据报道，美军装备的XM93广域智能引信地雷，可以借助耦合的声全息相机引导地雷战斗部识别和攻击目标要害。（作者：王握文、王疆一、毛元昊 来源：国防科技大学）

图2 声全息相机的应用