國防科技大學氣象海洋學院周鶴峰博士為您講述——

聲全息技術：讓聲音唾手可“見”

■解放軍報記者 王握文 通訊員 王疆一 毛元昊

●它受光學相機發(fā)展的啟發(fā)，通過“類比”脫穎而出

●它的本領超群，可讓無法看見的聲音“顯露于形”

●它在武器裝備降噪、提升作戰(zhàn)效能上應用前景廣闊

人的耳朵可以聽見聲音，這是一個極為普通的常識。因為雙耳內各有一個鼓膜，聲音傳遞給鼓膜施以力學振動，會使神經(jīng)元產(chǎn)生相關的生物電信號，傳入大腦便形成了聽覺。

如果有人告訴您：聲音也可以“看見”，您可能會感到不可思議。其實，隨著科學技術的發(fā)展，一些看似違背常識的奇思妙想，如今也能變成現(xiàn)實。能“看見”聲音就是這樣——歸功于一種被稱為“聲全息技術”的黑科技。

早在本世紀初，我國科學家運用這一技術，成功分析出汽車高速運動時所產(chǎn)生的發(fā)動機噪聲、輪胎噪聲和與空氣摩擦的噪聲，使這些噪聲的源頭與傳播方式“一覽無余”?，F(xiàn)在，就讓我們揭開聲全息技術的神秘面紗。

聲全息技術應用示意圖。

隨“波”起舞，“類比”中實現(xiàn)突破

早上醒來，人們睜開眼睛就會看見光。人類對光以及光學成像的研究，比很多科學技術相對要早一些。在我國戰(zhàn)國時期，《墨經(jīng)》中就有平面鏡與凹凸鏡運用與成像的記載。到了16世紀，歐洲人發(fā)現(xiàn)銀化合物在光照下會產(chǎn)生變色反應。隨著觀察與研究的深入，科學家們發(fā)現(xiàn)，銀化合物對不同顏色的光產(chǎn)生的化學反應也不相同。這個差異，便形成了照相感光理論的雛形。1839年，法國科學家達蓋爾據(jù)此發(fā)明了銀版照相，光學攝影技術由此誕生。到了1975年，美國柯達公司發(fā)明了數(shù)碼相機，又把光學攝影技術帶入電子時代。

光學攝影技術只是光學發(fā)展的一個縮影，卻也足見光學進步之快。相比之下，人類對聲學的研究與應用卻要遜色得多，發(fā)展也是一路坎坷。因為，人眼中不同感光細胞的敏感范圍是不一樣的，它可以較為輕易地識別出不同的光線。而人耳的鼓膜所接收的是所有聲源產(chǎn)生聲音的疊加，當聲源數(shù)量多、聲學環(huán)境復雜時，就會難以分辨。這就給聲源信號的處理與分析增加了難度。換句話說，聲音能聽到，卻難分清、難辨準。

在對聲學的不斷求索中，科學家們發(fā)現(xiàn)聲與光有著許多相似之處：它們都是以波動形式進行傳播的，遵循相同的反射、折射以及散射定律，且都具有能量；視覺與聽覺的形成，都借助于某些傳感器發(fā)揮作用，生成生物電信號。于是，聲學研究者從聲與光的“類比”中受到啟發(fā)，經(jīng)過長期不懈探索與創(chuàng)新，掌握了聲學成像技術，發(fā)明了聲學相機。

聲學相機的基本原理是，依靠外部傳聲器陣列，將接收到的聲波對傳聲器表面施加的力學振動轉化為電信號，通過數(shù)據(jù)分析模塊和可視化軟件，用彩色圖像繪制聲音能量分布情況，從而“拍攝”出聲源的分布與聲音的傳播特征，形成類似于熱攝像儀對物體溫度的探測效果。

這種聲學相機雖然能“拍攝”到聲音，但質量并不好，傳聲器陣列的成本又高，數(shù)據(jù)處理也非常復雜。聲學相機發(fā)展因此陷入困境。

1947年，匈牙利科學家蓋伯為提高光學攝影效果，想出一個妙招：他采用激光作為照明光源，將光源發(fā)出的光分為兩束，一束直接射向感光片，另一束由被攝物體反射后再射向感光片。通過兩束光在感光片上疊加產(chǎn)生干涉效應，成功“記錄”物體的反射光強度與相位信息。這種使用激光照射的感光片，使人眼能看到與原來被拍攝物體完全相同的三維立體像，形成了光全息技術。1971年，蓋伯因此獲得諾貝爾物理學獎。

聲學研究者從中再次受到啟發(fā)，將目光投向光學技術的先進成果。1966年，他們將光全息技術的有關思路用于超聲波研究，提出了“聲全息技術”的概念。在此基礎上，科學家們經(jīng)過近40年的探索創(chuàng)新，終于取得一系列技術突破，形成了完整的聲全息技術體系，并研制出聲全息相機。

分毫析厘，讓聲音“顯露于形”

隨著計算機和數(shù)字信號處理技術的飛速發(fā)展，聲全息技術逐步走向“完美”。聲全息相機很快走出實驗室，成為開展聲學研究的實用裝備。

——聲場還原完整。聲場描繪是一個復雜的系統(tǒng)工程，要想完整描繪一個聲場，需要做到聲壓分布、振動強度分布、質點速度、聲強與遠場指向性“五者兼顧”。在聲學領域，這5個問題猶如5個狡猾的敵人，要掌握它們在立體空間的行蹤和位置信息相當難。聲全息技術誕生后，科學家們通過化繁為簡、化整為零、各個擊破的方法，將聲場空間變?yōu)橐粋€個靜止的“小方塊”。然后，從最近的“小方塊”著手分析，逐漸推進到最遠的“小方塊”。這樣，不僅準確掌握了這5個“敵人”的特性和位置，而且讓它們相互“協(xié)調、配合”，最終實現(xiàn)了完整的聲場還原，為“看見”聲音奠定了基礎。

——成像分辨率高。在聲學領域，聲波從空間分布角度上分為傳播波和倏逝波。如果將聲波比作一件精美的瓷器，那么傳播波就是瓷器的優(yōu)美輪廓，而它所包含的聲波宏觀信息，可以在測量空間獲得；倏逝波則是瓷器上的精致花紋，它攜帶的聲波微觀信息如同瓷器表面的細微工藝，只有在近處仔細端詳才能看清一樣，它也只能在非常小的范圍內獲得。如果聲場中只有傳播波沒有倏逝波的話，形成的聲學照片只能看清輪廓，細節(jié)則模糊難辨。聲全息相機可同時捕捉聲源產(chǎn)生的傳播波和倏逝波，二者相輔相成，能識別出聲場中存在的中低頻聲音，從而生成分辨率高的聲學照片。

——聲源定位精準。在日常生產(chǎn)生活中，發(fā)現(xiàn)并定位聲源是降低和排除噪聲的前提，這就需要對聲源位置進行精準定位。與傳統(tǒng)聲學定位技術相比，聲全息相機的定位能力不受聲源尺寸與形狀影響。在強干擾環(huán)境下，它依然可以快速精準分離出目標空間中存在的多個聲源，實現(xiàn)對聲源低成本、高效率定位。無論聲源是穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)，是靜止還是運動，都逃不過聲全息相機的“火眼金睛”。

應用廣泛，助武器裝備發(fā)展

“千呼萬喚始出來”的聲全息技術，一經(jīng)誕生便顯示出廣闊的應用前景：在家電制造中，使用它分析家電的噪聲源種類與位置，并進行工藝改進，可使家電更加“安靜”；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)植物遭遇病害時發(fā)出的聲信號，運用聲全息技術進行監(jiān)控與識別，可進行有針對性病害防治；而在軍事領域，聲全息技術對推動武器裝備發(fā)展，則具有特殊的功效。

——讓武器裝備降噪提升性能。在軍用裝備設計與生產(chǎn)中，消除潛在噪聲源、增強隱身性和操作舒適度，是提高裝備性能的重要課題。利用聲全息技術，可通過對聲場的完整描述，在裝備研制與試驗階段及時發(fā)現(xiàn)噪聲源及其聲輻射形式，有針對性地進行減振降噪設計，從而降低裝備在使用中的噪聲，增強裝備隱身性、可靠性和操作舒適度。據(jù)報道，有的國家已將聲全息技術應用于第5代戰(zhàn)機的減振降噪，使戰(zhàn)機噪聲大幅降低。

——增強水下目標識別能力。潛艇為了增強水下隱身能力，往往會發(fā)出一些強度很大的聲信號，以掩蓋自身噪聲，實施反潛干擾或欺騙。同時，也會利用對方水面艦船發(fā)出的聲音來掩蓋自身的噪聲，在對方活動水域搜集情報并制造威脅，給反潛和水下目標識別造成困難。運用聲全息技術，則可通過其傳播波和倏逝波的信息，形成高分辨率的聲場分布圖，找出不同聲源加以辨別，提高水下目標的識別準確率。目前，國外有的軍隊已研發(fā)出用于潛艇噪聲測量的聲全息相機系統(tǒng)，并將應用于水下裝備降噪和目標識別。

——提高地雷和水雷作戰(zhàn)效能。隨著聲學研究的深入與技術進步，聲學手段在武器研發(fā)中的運用越來越廣泛。聲全息技術可以顯著增強地雷或水雷的目標識別能力、對抗能力、精確制導和命中要害部位的能力，發(fā)揮武器最大效能，同時降低誤傷概率。運用該技術還能精準定位可疑目標的出現(xiàn)方向與距離，并判斷目標特征是否與己方相同。據(jù)報道，美軍裝備的XM93廣域智能引信地雷，即是借助耦合的聲全息相機，引導地雷戰(zhàn)斗部來識別和攻擊目標要害。

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