給聲音“照相”

云開

聲音可以被看見嗎？如果給聲音“照張相”會發生什么事呢？

將聲音拍下來

也許你會想，聲音怎么能“看見”呢？不用奇怪，科學家已經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”起來的？我們現在知道，就是風在“推動”它們——風是因氣壓分布不均勻而產生的空氣流動。同樣，空氣流動撞擊人們的耳膜，我們就會聽到聲音。因此，空氣的流動就是聲音的“影像”。但是，空氣沒有色彩，我們如何看到它呢？

翻滾的波紋和搖曳的火焰當然是流動空氣的間接表現，人們如果想“看到”聲音，在聲源附近放一盆水或點燃一根蠟燭，也能簡單達到目的，但更直接的辦法是給聲音“染色”。你是否燃放過煙花爆竹？夜色下，煙花爆開時，我們會感覺到一股熱浪噴涌而來，有時候甚至能真實地看見這股氣流——一團白煙像鮮花一樣盛開，隨后快速消散。這并不是我們的錯覺，而是空氣的流動和熱量的增加讓局部的空氣密度發生改變，當光線通過其中時就會產生折射，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，既浪費能源又過于危險，這可怎么辦呢？1864年，德國物理學家托普勒模仿光學拍照，發明了一種給聲音“拍照”的方法，這種方法被稱為紋影成像法。我們都學習過光的干涉現象：兩束光線相遇時，會產生兩種結果，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（比如空氣）時，我們只會看到一片均勻的亮光，但如果再加入一束光線和它發生干涉，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，當聲音在空氣中傳播時，其所到之處激起的波紋就會在幕布上顯形。

紋影成像法實質是利用聲波導致的不同密度的空氣對光源進行擾動，將原本不可被肉眼看見的氣流的變化，轉化成可以被看見的圖像。在紋影成像的基礎上，科學家們又想出了新的方法，尋找不同密度氣流對光線的折射規律，直接計算出發聲時空氣密度的變化，并把它轉化成影像。

有了紋影成像法，各種物體發出的聲音在我們的眼里就無所遁形了：大到太陽活動的聲音、火箭發射的聲音，小到螞蟻咀嚼的聲音、細胞運動的聲音，都不再是無形而抽象的，它們都具有唯一的紋影圖像。科學家可以據此研究聲音產生和傳播過程中的空氣動力學。

“聲學相機”拍攝飛機噪聲

不過，紋影成像法雖然能“拍攝”到聲音，但精度并不高，當有多個物體同時發聲時，紋影成像法就束手無策了。

20世紀90年代誕生的波音777飛機，是當時許多遠程航線的首選，它的動力和載客量等方面都達到了人們的需求，可是很快人們就發現了一個重大缺陷：在起飛和降落期間飛機常常發出類似口哨的嘯叫，正常飛行不應發出這個聲音。噪聲的頻率很快被測定為2000赫茲左右，可是飛機工程師卻遲遲無法確定噪聲的來源，因為飛行中除了巨大的發動機以外，飛機上其他各種部件的振動以及機身和空氣的摩擦都會產生噪聲，要在如此復雜的噪聲源中找出一個不顯眼的噪聲，困難重重。

2001年，美國波音公司的研究人員終于想出了方法：用數百個麥克風在機場的跑道上布設了直徑約46米的螺旋形陣列，用于記錄飛越上空的波音777發出的噪聲。研究人員最終找出了那個2000赫茲的嘯叫聲的來源——飛機主機翼前沿的加熱孔，當迎面而來的氣流穿過小孔時，猶如人們吹奏笛子一樣，巨大的噪聲就產生了。

波音公司的研究人員使用的麥克風陣列被稱為“聲學相機”，聲波被轉化為電信號，通過軟件繪制聲音能量分布情況，從而“拍攝”出聲音。聲學相機的雛形誕生于1880年，利用的是雙耳定位的原理：通過計算接收聲音的大小和時間差異來定位聲源，使用越多麥克風接收聲音，聲源定位的準確程度就越高。

繪制聲音的3D影像

不過顯然，這種聲學相機雖然能“拍攝”到聲音，但成本極高，數據處理也非常復雜。在光學攝影技術的啟發下，科學家制造了一款新型聲學相機。

1947年，匈牙利科學家蓋伯提出了一個拍攝3D影像的妙招：他采用激光作為照明光源，將光源發出的光分為兩束，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。這樣拍攝出的照片，利用光影變幻，能拍出與原來被拍攝物體完全相同的3D影像，這被稱為“光全息技術”。聲學研究者從中受到啟發，提出了“聲全息技術”的概念：發射超聲波，使其與待測聲源發生“碰撞”，將它們激發的水波或空氣波變化轉換成聲音的3D圖像。

聲全息技術能更好地彌補紋影成像法的不足：由于聲全息相機會多角度、全方位捕捉聲音，將聲場中的聲波逐一收集，與紋影成像法相比，聲全息相機在排除干擾、定位聲源方面的能力更加強大。它的成像分辨率更高，聲源定位更精準。無論聲源是穩態還是非穩態，是靜止還是運動，都逃不過聲全息相機的“火眼金睛”。而與麥克風陣列相比，它的成本又要低得多。

聲全息相機不僅能完美實現紋影成像法的各項應用，還能像聲學相機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。有的國家已將聲全息技術應用于戰機的減振降噪，使戰機噪聲大幅降低，大大提高了戰機的隱身性、可靠性和舒適度。聲全息相機還能用于水下裝備降噪和目標識別、提高水雷作戰效能等。