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”
■解放军报记者 王握文 通讯员 王疆一 毛元昊
●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。
——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。