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声学|国防科技大学气象海洋学院周鹤峰博士为您讲述——声全息技术：让声音唾手可“见”

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●它受光学相机发展的启发 ， 通过“类比”脱颖而出
●它的本领超群 ， 可让无法看见的声音“显露于形”
●它在武器装备降噪、提升作战效能上应用前景广阔
人的耳朵可以听见声音 ， 这是一个极为普通的常识 。 因为双耳内各有一个鼓膜 ， 声音传递给鼓膜施以力学振动 ， 会使神经元产生相关的生物电信号 ， 传入大脑便形成了听觉 。
如果有人告诉您：声音也可以“看见” ， 您可能会感到不可思议 。 其实 ， 随着科学技术的发展 ， 一些看似违背常识的奇思妙想 ， 如今也能变成现实 。 能“看见”声音就是这样——归功于一种被称为“声全息技术”的黑科技 。
早在本世纪初 ， 我国科学家运用这一技术 ， 成功分析出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 ， 使这些噪声的源头与传播方式“一览无余” 。 现在 ， 就让我们揭开声全息技术的神秘面纱 。

声学|国防科技大学气象海洋学院周鹤峰博士为您讲述——声全息技术：让声音唾手可“见”
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声全息技术应用示意图 。
随“波”起舞 ， “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 ， 比很多科学技术相对要早一些 。 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16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 。 1839年 ， 法国科学家达盖尔据此发明了银版照相 ， 光学摄影技术由此诞生 。 到了1975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产生声音的叠加 ， 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增加了难度 。 换句话说 ， 声音能听到 ， 却难分清、难辨准 。
在对声学的不断求索中 ， 科学家们发现声与光有着许多相似之处：它们都是以波动形式进行传播的 ， 遵循相同的反射、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 ， 经过长期不懈探索与创新 ， 掌握了声学成像技术 ， 发明了声学相机 。
声学相机的基本原理是 ， 依靠外部传声器阵列 ， 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 ， 传声器阵列的成本又高 ， 数据处理也非常复杂 。 声学相机发展因此陷入困境 。
1947年 ， 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 。
声学研究者从中再次受到启发 ， 将目光投向光学技术的先进成果 。 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”的概念 。 在此基础上 ， 科学家们经过近40年的探索创新 ， 终于取得一系列技术突破 ， 形成了完整的声全息技术体系 ， 并研制出声全息相机 。
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 ， 声全息技术逐步走向“完美” 。 声全息相机很快走出实验室 ， 成为开展声学研究的实用装备 。
——声场还原完整 。 声场描绘是一个复杂的系统工程 ， 要想完整描绘一个声场 ， 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 ， 要掌握它们在立体空间的行踪和位置信息相当难 。 声全息技术诞生后 ， 科学家们通过化繁为简、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” 。 这样 ， 不仅准确掌握了这5个“敌人”的特性和位置 ， 而且让它们相互“协调、配合” ， 最终实现了完整的声场还原 ， 为“看见”声音奠定了基础 。
——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 ， 而它所包含的声波宏观信息 ， 可以在测量空间获得；倏逝波则是瓷器上的精致花纹 ， 它携带的声波微观信息如同瓷器表面的细微工艺 ， 只有在近处仔细端详才能看清一样 ， 它也只能在非常小的范围内获得 。 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 ， 细节则模糊难辨 。 声全息相机可同时捕捉声源产生的传播波和倏逝波 ， 二者相辅相成 ， 能识别出声场中存在的中低频声音 ， 从而生成分辨率高的声学照片 。
——声源定位精准 。 在日常生产生活中 ， 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影响 。 在强干扰环境下 ， 它依然可以快速精准分离出目标空间中存在的多个声源 ， 实现对声源低成本、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 ， 助武器装备发展
“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：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 ， 可使家电更加“安静”；在农业生产中 ， 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 ， 可进行有针对性病害防治；而在军事领域 ， 声全息技术对推动武器装备发展 ， 则具有特殊的功效 。
——让武器装备降噪提升性能 。 在军用装备设计与生产中 ， 消除潜在噪声源、增强隐身性和操作舒适度 ， 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的噪声 ， 增强装备隐身性、可靠性和操作舒适度 。 据报道 ， 有的国家已将声全息技术应用于第5代战机的减振降噪 ， 使战机噪声大幅降低 。
——增强水下目标识别能力 。 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 ， 国外有的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 。
【声学|国防科技大学气象海洋学院周鹤峰博士为您讲述——声全息技术：让声音唾手可“见”】——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 ， 声学手段在武器研发中的运用越来越广泛 。 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 ， 同时降低误伤概率 。 运用该技术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 。 据报道 ， 美军装备的XM93广域智能引信地雷 ， 即是借助耦合的声全息相机 ， 引导地雷战斗部来识别和攻击目标要害 。来源：中国军网

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