國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院周鶴峰博士為您講述——

聲全息技術(shù)：讓聲音唾手可“見”

■解放軍報(bào)記者 王握文 通訊員 王疆一 毛元昊

●它受光學(xué)相機(jī)發(fā)展的啟發(fā)，通過“類比”脫穎而出

●它的本領(lǐng)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(yīng)用前景廣闊

人的耳朵可以聽見聲音，這是一個(gè)極為普通的常識(shí)。因?yàn)殡p耳內(nèi)各有一個(gè)鼓膜，聲音傳遞給鼓膜施以力學(xué)振動(dòng)，會(huì)使神經(jīng)元產(chǎn)生相關(guān)的生物電信號(hào)，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(huì)感到不可思議。其實(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些看似違背常識(shí)的奇思妙想，如今也能變成現(xiàn)實(shí)。能“看見”聲音就是這樣——?dú)w功于一種被稱為“聲全息技術(shù)”的黑科技。

早在本世紀(jì)初，我國(guó)科學(xué)家運(yùn)用這一技術(shù)，成功分析出汽車高速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)的神秘面紗。

聲全息技術(shù)應(yīng)用示意圖。

隨“波”起舞，“類比”中實(shí)現(xiàn)突破

早上醒來，人們睜開眼睛就會(huì)看見光。人類對(duì)光以及光學(xué)成像的研究，比很多科學(xué)技術(shù)相對(duì)要早一些。在我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，《墨經(jīng)》中就有平面鏡與凹凸鏡運(yùn)用與成像的記載。到了16世紀(jì)，歐洲人發(fā)現(xiàn)銀化合物在光照下會(huì)產(chǎn)生變色反應(yīng)。隨著觀察與研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，銀化合物對(duì)不同顏色的光產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)也不相同。這個(gè)差異，便形成了照相感光理論的雛形。1839年，法國(guó)科學(xué)家達(dá)蓋爾據(jù)此發(fā)明了銀版照相，光學(xué)攝影技術(shù)由此誕生。到了1975年，美國(guó)柯達(dá)公司發(fā)明了數(shù)碼相機(jī)，又把光學(xué)攝影技術(shù)帶入電子時(shí)代。

光學(xué)攝影技術(shù)只是光學(xué)發(fā)展的一個(gè)縮影，卻也足見光學(xué)進(jìn)步之快。相比之下，人類對(duì)聲學(xué)的研究與應(yīng)用卻要遜色得多，發(fā)展也是一路坎坷。因?yàn)?，人眼中不同感光?xì)胞的敏感范圍是不一樣的，它可以較為輕易地識(shí)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(dāng)聲源數(shù)量多、聲學(xué)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，就會(huì)難以分辨。這就給聲源信號(hào)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(zhǔn)。

在對(duì)聲學(xué)的不斷求索中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)聲與光有著許多相似之處：它們都是以波動(dòng)形式進(jìn)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(hào)。于是，聲學(xué)研究者從聲與光的“類比”中受到啟發(fā)，經(jīng)過長(zhǎng)期不懈探索與創(chuàng)新，掌握了聲學(xué)成像技術(shù)，發(fā)明了聲學(xué)相機(jī)。

聲學(xué)相機(jī)的基本原理是，依靠外部傳聲器陣列，將接收到的聲波對(duì)傳聲器表面施加的力學(xué)振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(duì)物體溫度的探測(cè)效果。

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

1947年，匈牙利科學(xué)家蓋伯為提高光學(xué)攝影效果，想出一個(gè)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(yīng)，成功“記錄”物體的反射光強(qiáng)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(shù)。1971年，蓋伯因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

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

分毫析厘，讓聲音“顯露于形”

隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，聲全息技術(shù)逐步走向“完美”。聲全息相機(jī)很快走出實(shí)驗(yàn)室，成為開展聲學(xué)研究的實(shí)用裝備。

——聲場(chǎng)還原完整。聲場(chǎng)描繪是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要想完整描繪一個(gè)聲場(chǎng)，需要做到聲壓分布、振動(dòng)強(qiáng)度分布、質(zhì)點(diǎn)速度、聲強(qiáng)與遠(yuǎn)場(chǎng)指向性“五者兼顧”。在聲學(xué)領(lǐng)域，這5個(gè)問題猶如5個(gè)狡猾的敵人，要掌握它們?cè)诹Ⅲw空間的行蹤和位置信息相當(dāng)難。聲全息技術(shù)誕生后，科學(xué)家們通過化繁為簡(jiǎn)、化整為零、各個(gè)擊破的方法，將聲場(chǎng)空間變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)靜止的“小方塊”。然后，從最近的“小方塊”著手分析，逐漸推進(jìn)到最遠(yuǎn)的“小方塊”。這樣，不僅準(zhǔn)確掌握了這5個(gè)“敵人”的特性和位置，而且讓它們相互“協(xié)調(diào)、配合”，最終實(shí)現(xiàn)了完整的聲場(chǎng)還原，為“看見”聲音奠定了基礎(chǔ)。

——成像分辨率高。在聲學(xué)領(lǐng)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(cè)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(xì)微工藝，只有在近處仔細(xì)端詳才能看清一樣，它也只能在非常小的范圍內(nèi)獲得。如果聲場(chǎng)中只有傳播波沒有倏逝波的話，形成的聲學(xué)照片只能看清輪廓，細(xì)節(jié)則模糊難辨。聲全息相機(jī)可同時(shí)捕捉聲源產(chǎn)生的傳播波和倏逝波，二者相輔相成，能識(shí)別出聲場(chǎng)中存在的中低頻聲音，從而生成分辨率高的聲學(xué)照片。

——聲源定位精準(zhǔn)。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(duì)聲源位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。與傳統(tǒng)聲學(xué)定位技術(shù)相比，聲全息相機(jī)的定位能力不受聲源尺寸與形狀影響。在強(qiáng)干擾環(huán)境下，它依然可以快速精準(zhǔn)分離出目標(biāo)空間中存在的多個(gè)聲源，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)動(dòng)，都逃不過聲全息相機(jī)的“火眼金睛”。

應(yīng)用廣泛，助武器裝備發(fā)展

“千呼萬喚始出來”的聲全息技術(shù)，一經(jīng)誕生便顯示出廣闊的應(yīng)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(jìn)行工藝改進(jìn)，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(shí)發(fā)出的聲信號(hào)，運(yùn)用聲全息技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控與識(shí)別，可進(jìn)行有針對(duì)性病害防治；而在軍事領(lǐng)域，聲全息技術(shù)對(duì)推動(dòng)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(shè)計(jì)與生產(chǎn)中，消除潛在噪聲源、增強(qiáng)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(shù)，可通過對(duì)聲場(chǎng)的完整描述，在裝備研制與試驗(yàn)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)噪聲源及其聲輻射形式，有針對(duì)性地進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)，從而降低裝備在使用中的噪聲，增強(qiáng)裝備隱身性、可靠性和操作舒適度。據(jù)報(bào)道，有的國(guó)家已將聲全息技術(shù)應(yīng)用于第5代戰(zhàn)機(jī)的減振降噪，使戰(zhàn)機(jī)噪聲大幅降低。

——增強(qiáng)水下目標(biāo)識(shí)別能力。潛艇為了增強(qiáng)水下隱身能力，往往會(huì)發(fā)出一些強(qiáng)度很大的聲信號(hào)，以掩蓋自身噪聲，實(shí)施反潛干擾或欺騙。同時(shí)，也會(huì)利用對(duì)方水面艦船發(fā)出的聲音來掩蓋自身的噪聲，在對(duì)方活動(dòng)水域搜集情報(bào)并制造威脅，給反潛和水下目標(biāo)識(shí)別造成困難。運(yùn)用聲全息技術(shù)，則可通過其傳播波和倏逝波的信息，形成高分辨率的聲場(chǎng)分布圖，找出不同聲源加以辨別，提高水下目標(biāo)的識(shí)別準(zhǔn)確率。目前，國(guó)外有的軍隊(duì)已研發(fā)出用于潛艇噪聲測(cè)量的聲全息相機(jī)系統(tǒng)，并將應(yīng)用于水下裝備降噪和目標(biāo)識(shí)別。

——提高地雷和水雷作戰(zhàn)效能。隨著聲學(xué)研究的深入與技術(shù)進(jìn)步，聲學(xué)手段在武器研發(fā)中的運(yùn)用越來越廣泛。聲全息技術(shù)可以顯著增強(qiáng)地雷或水雷的目標(biāo)識(shí)別能力、對(duì)抗能力、精確制導(dǎo)和命中要害部位的能力，發(fā)揮武器最大效能，同時(shí)降低誤傷概率。運(yùn)用該技術(shù)還能精準(zhǔn)定位可疑目標(biāo)的出現(xiàn)方向與距離，并判斷目標(biāo)特征是否與己方相同。據(jù)報(bào)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(jī)，引導(dǎo)地雷戰(zhàn)斗部來識(shí)別和攻擊目標(biāo)要害。

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