給聲音“照相”

云開

將聲音拍下來

也許你會想，聲音怎么能被看見呢？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空氣流動的間接表現，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，也能簡單地達到目的，但是更直接的辦法是給聲音“染色”。詞典中有“熱浪”這個詞，有時候我們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，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。

紋影成像法實質上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，但是精度并不高，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，人們很快就發現了波音777飛機的一個重大缺陷：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2 000赫茲左右，可是飛機工程師遲遲無法確定噪聲的來源。因為飛行中除了發動機會發出巨大噪聲，飛機上其他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飛機發出的噪聲。研究人員最終找出了那個2 000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的分布情況，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，使用的麥克風越多，聲源定位的準確程度就越高。

繪制聲音的3D影像

顯然，這種聲學相機雖然能“拍攝”到聲音，但是成本極高，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。

匈牙利科學家蓋伯曾經提出了一個拍攝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”。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。

文章來源：《科學之謎》

（責任編輯：嵇刊）