给声音“照相”

云开

声音可以被看见吗？如果给声音“照张相”会发生什么事呢？

将声音拍下来

也许你会想，声音怎么能“看见”呢？不用奇怪，科学家已经摸索出了一些给声音“拍照”，让人们“看见”声音的方法。

彩旗飘飘，波浪翻滚，火焰摇曳，是什么让这些物体“动”起来的？我们现在知道，就是风在“推动”它们——风是因气压分布不均匀而产生的空气流动。同样，空气流动撞击人们的耳膜，我们就会听到声音。因此，空气的流动就是声音的“影像”。但是，空气没有色彩，我们如何看到它呢？

翻滚的波纹和摇曳的火焰当然是流动空气的间接表现，人们如果想“看到”声音，在声源附近放一盆水或点燃一根蜡烛，也能简单达到目的，但更直接的办法是给声音“染色”。你是否燃放过烟花爆竹？夜色下，烟花爆开时，我们会感觉到一股热浪喷涌而来，有时候甚至能真实地看见这股气流——一团白烟像鲜花一样盛开，随后快速消散。这并不是我们的错觉，而是空气的流动和热量的增加让局部的空气密度发生改变，当光线通过其中时就会产生折射，让原本无色的空气“显形”，这就是我们看到的“热浪”。

但是，靠给空气加热“看到”声音，既浪费能源又过于危险，这可怎么办呢？1864年，德国物理学家托普勒模仿光学拍照，发明了一种给声音“拍照”的方法，这种方法被称为纹影成像法。我们都学习过光的干涉现象：两束光线相遇时，会产生两种结果，或是相互叠加变得更明亮，或是相互抵消变暗甚至消失。这正是我们给透明空气“染色”的方法——光线穿过一片均匀透明的介质（比如空气）时，我们只会看到一片均匀的亮光，但如果再加入一束光线和它发生干涉，我们就能看清明暗相间的纹理。这片“染色”后的空气就像一块幕布，当声音在空气中传播时，其所到之处激起的波纹就会在幕布上显形。

纹影成像法实质是利用声波导致的不同密度的空气对光源进行扰动，将原本不可被肉眼看见的气流的变化，转化成可以被看见的图像。在纹影成像的基础上，科学家们又想出了新的方法，寻找不同密度气流对光线的折射规律，直接计算出发声时空气密度的变化，并把它转化成影像。

有了纹影成像法，各种物体发出的声音在我们的眼里就无所遁形了：大到太阳活动的声音、火箭发射的声音，小到蚂蚁咀嚼的声音、细胞运动的声音，都不再是无形而抽象的，它们都具有唯一的纹影图像。科学家可以据此研究声音产生和传播过程中的空气动力学。

“声学相机”拍摄飞机噪声

不过，纹影成像法虽然能“拍摄”到声音，但精度并不高，当有多个物体同时发声时，纹影成像法就束手无策了。

20世纪90年代诞生的波音777飞机，是当时许多远程航线的首选，它的动力和载客量等方面都达到了人们的需求，可是很快人们就发现了一个重大缺陷：在起飞和降落期间飞机常常发出类似口哨的啸叫，正常飞行不应发出这个声音。噪声的频率很快被测定为2000赫兹左右，可是飞机工程师却迟迟无法确定噪声的来源，因为飞行中除了巨大的发动机以外，飞机上其他各种部件的振动以及机身和空气的摩擦都会产生噪声，要在如此复杂的噪声源中找出一个不显眼的噪声，困难重重。

2001年，美国波音公司的研究人员终于想出了方法：用数百个麦克风在机场的跑道上布设了直径约46米的螺旋形陣列，用于记录飞越上空的波音777发出的噪声。研究人员最终找出了那个2000赫兹的啸叫声的来源——飞机主机翼前沿的加热孔，当迎面而来的气流穿过小孔时，犹如人们吹奏笛子一样，巨大的噪声就产生了。

波音公司的研究人员使用的麦克风阵列被称为“声学相机”，声波被转化为电信号，通过软件绘制声音能量分布情况，从而“拍摄”出声音。声学相机的雏形诞生于1880年，利用的是双耳定位的原理：通过计算接收声音的大小和时间差异来定位声源，使用越多麦克风接收声音，声源定位的准确程度就越高。

绘制声音的3D影像

不过显然，这种声学相机虽然能“拍摄”到声音，但成本极高，数据处理也非常复杂。在光学摄影技术的启发下，科学家制造了一款新型声学相机。

1947年，匈牙利科学家盖伯提出了一个拍摄3D影像的妙招：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。这样拍摄出的照片，利用光影变幻，能拍出与原来被拍摄物体完全相同的3D影像，这被称为“光全息技术”。声学研究者从中受到启发，提出了“声全息技术”的概念：发射超声波，使其与待测声源发生“碰撞”，将它们激发的水波或空气波变化转换成声音的3D图像。

声全息技术能更好地弥补纹影成像法的不足：由于声全息相机会多角度、全方位捕捉声音，将声场中的声波逐一收集，与纹影成像法相比，声全息相机在排除干扰、定位声源方面的能力更加强大。它的成像分辨率更高，声源定位更精准。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”。而与麦克风阵列相比，它的成本又要低得多。

声全息相机不仅能完美实现纹影成像法的各项应用，还能像声学相机一样用于寻找故障源，在军事武器的制造与改良中也有用武之地。有的国家已将声全息技术应用于战机的减振降噪，使战机噪声大幅降低，大大提高了战机的隐身性、可靠性和舒适度。声全息相机还能用于水下装备降噪和目标识别、提高水雷作战效能等。