給聲音“照相”

云開

將聲音拍下來

也許你會(huì)想，聲音怎么能被看見呢？不用奇怪，科學(xué)家已經(jīng)摸索出了一些給聲音“拍照”、讓人們“看見”聲音的方法。

彩旗飄飄，波浪翻滾，火焰搖曳，是什么讓這些物體動(dòng)起來的？我們現(xiàn)在知道，就是風(fēng)在“推動(dòng)”它們——風(fēng)是因氣壓分布不均勻而產(chǎn)生的空氣流動(dòng)。同樣，空氣流動(dòng)撞擊人們的耳膜，我們就會(huì)聽到聲音。因此，空氣的流動(dòng)就是聲音的“影像”。但是，空氣沒有色彩，我們?nèi)绾慰吹剿兀?/p>

翻滾的波紋和搖曳的火焰當(dāng)然是空氣流動(dòng)的間接表現(xiàn)，人們?nèi)绻搿翱吹健甭曇簦诼曉锤浇乓慌杷螯c(diǎn)燃一根蠟燭，也能簡(jiǎn)單地達(dá)到目的，但是更直接的辦法是給聲音“染色”。詞典中有“熱浪”這個(gè)詞，有時(shí)候我們甚至能真實(shí)地看見這股氣流——一團(tuán)“白煙”像鮮花一樣盛開，隨后快速消散。這并不是我們的錯(cuò)覺，而是空氣的流動(dòng)和熱量的增加讓局部的空氣密度發(fā)生改變，當(dāng)光線通過其中時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射，讓原本無色的空氣“顯形”，這就是我們看到的“熱浪”。

但是，靠給空氣加熱“看到”聲音，既浪費(fèi)能源，又過于危險(xiǎn)，這可怎么辦呢？1864年，德國(guó)物理學(xué)家托普勒模仿光學(xué)拍照，發(fā)明了一種給聲音“拍照”的方法，這種方法被稱為“紋影成像法”。我們都學(xué)習(xí)過光的干涉現(xiàn)象：兩束光線相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種結(jié)果，或是相互疊加變得更明亮，或是相互抵消變暗甚至消失。這正是我們給透明空氣“染色”的方法——光線穿過一片均勻透明的介質(zhì)（比如空氣）時(shí)，我們只會(huì)看到一片均勻的亮光，如果再加入一束光線和它發(fā)生干涉，我們就能看清明暗相間的紋理。這片“染色”后的空氣就像一塊幕布，當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，其所到之處激起的波紋就會(huì)在幕布上顯形。

紋影成像法實(shí)質(zhì)上是利用聲波導(dǎo)致的不同密度的空氣對(duì)光源進(jìn)行擾動(dòng)，將原本不可被肉眼看見的氣流變化，轉(zhuǎn)化成可以被看見的圖像。在紋影成像的基礎(chǔ)上，科學(xué)家又想出了新的方法，尋找不同密度氣流對(duì)光線的折射規(guī)律，直接計(jì)算出發(fā)聲時(shí)空氣密度的變化，并把它轉(zhuǎn)化成影像。

有了紋影成像法，各種物體發(fā)出的聲音在我們的眼里就無所遁形了：大到太陽(yáng)活動(dòng)的聲音、火箭發(fā)射的聲音，小到螞蟻咀嚼的聲音、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)的聲音，都不再是無形而抽象的，它們都具有唯一的紋影圖像?？茖W(xué)家可以據(jù)此研究聲音產(chǎn)生和傳播過程中的空氣動(dòng)力學(xué)。

“聲學(xué)相機(jī)”拍攝飛機(jī)噪聲

不過，紋影成像法雖然能“拍攝”到聲音，但是精度并不高，當(dāng)有多個(gè)物體同時(shí)發(fā)聲時(shí)，紋影成像法就束手無策了。

20世紀(jì)90年代誕生的波音777飛機(jī)，是當(dāng)時(shí)許多遠(yuǎn)程航線的首選，它的動(dòng)力和載客量等方面都達(dá)到了人們的需求?？墒?，人們很快就發(fā)現(xiàn)了波音777飛機(jī)的一個(gè)重大缺陷：在起飛和降落期間，飛機(jī)常常發(fā)出類似口哨的嘯叫，正常飛行不應(yīng)發(fā)出這個(gè)聲音。噪聲的頻率很快被測(cè)定為2 000赫茲左右，可是飛機(jī)工程師遲遲無法確定噪聲的來源。因?yàn)轱w行中除了發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出巨大噪聲，飛機(jī)上其他部件的振動(dòng)以及機(jī)身和空氣的摩擦都會(huì)產(chǎn)生噪聲，要在如此復(fù)雜的噪聲源中找出一個(gè)不顯眼的噪聲，困難重重。

2001年，美國(guó)波音公司的研究人員終于想出了方法：用數(shù)百個(gè)麥克風(fēng)在機(jī)場(chǎng)的跑道上布設(shè)了直徑約46米的螺旋形陣列，用于記錄飛越上空的波音777飛機(jī)發(fā)出的噪聲。研究人員最終找出了那個(gè)2 000赫茲的嘯叫聲的來源——飛機(jī)主機(jī)翼前沿的加熱孔，當(dāng)迎面而來的氣流穿過小孔時(shí)，猶如人們吹奏笛子一樣，巨大的噪聲就產(chǎn)生了。

波音公司研究人員使用的麥克風(fēng)陣列被稱為“聲學(xué)相機(jī)”，聲波被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過軟件繪制聲音能量的分布情況，從而“拍攝”出聲音。聲學(xué)相機(jī)的雛形誕生于1880年，利用的是雙耳定位的原理：通過計(jì)算接收聲音的大小和時(shí)間差異來定位聲源，使用的麥克風(fēng)越多，聲源定位的準(zhǔn)確程度就越高。

繪制聲音的3D影像

顯然，這種聲學(xué)相機(jī)雖然能“拍攝”到聲音，但是成本極高，數(shù)據(jù)處理也非常復(fù)雜。在光學(xué)攝影技術(shù)的啟發(fā)下，科學(xué)家制造了一款新型聲學(xué)相機(jī)。

匈牙利科學(xué)家蓋伯曾經(jīng)提出了一個(gè)拍攝3D影像的妙招：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，另一束由被拍攝物體反射后再射向感光片。這樣拍攝出的照片，利用光影變幻，能拍出與被拍攝物體完全相同的3D影像，這被稱為“光全息技術(shù)”。聲學(xué)研究者從中受到啟發(fā)，提出了“聲全息技術(shù)”的概念：發(fā)射超聲波，使其與待測(cè)聲源發(fā)生“碰撞”，將它們激發(fā)的水波或空氣波變化轉(zhuǎn)換成聲音的3D圖像。

聲全息技術(shù)能更好地彌補(bǔ)紋影成像法的不足：由于聲全息相機(jī)會(huì)多角度、全方位捕捉聲音，將聲場(chǎng)中的聲波逐一收集，與紋影成像法相比，聲全息相機(jī)在排除干擾、定位聲源方面的能力更加強(qiáng)大。它的成像分辨率更高，聲源定位更精準(zhǔn)。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”。而與麥克風(fēng)陣列相比，它的成本又要低得多。

聲全息相機(jī)不僅能完美實(shí)現(xiàn)紋影成像法的各項(xiàng)應(yīng)用，還能像聲學(xué)相機(jī)一樣用于尋找故障源，在軍事武器的制造與改良中也有用武之地。有的國(guó)家已將聲全息技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)機(jī)的減振降噪，使戰(zhàn)機(jī)噪聲大幅降低，大大提高了戰(zhàn)機(jī)的隱身性、可靠性和舒適度。聲全息相機(jī)還能用于水下裝備降噪和目標(biāo)識(shí)別、提高水雷作戰(zhàn)效能等。

文章來源：《科學(xué)之謎》

（責(zé)任編輯：嵇刊）