聲音可以被看見嗎

聲音可以被看見嗎？如果給聲音“照相”會發(fā)生什么事？也許你會想，聲音怎么能“看見”呢？不用奇怪，科學(xué)家已經(jīng)摸索出一些讓人們“看見”聲音的方法。

將聲音拍下來

彩旗飄飄、波浪翻滾、火焰搖曳……因氣壓分布不均勻而產(chǎn)生的空氣流動，讓這些物體“動”起來了。同樣，空氣流動撞擊耳膜，我們便會聽到聲音。因此，空氣的流動就是聲音的“影像”。但是，空氣沒有色彩，我們?nèi)绾慰吹剿兀?/p>

如果想“看到”聲音，最直接的辦法是給聲音“染色”。比如燃放煙花爆竹時，我們會感覺到一股熱浪噴涌而來，還能看見一團白煙像鮮花一樣盛開，隨后快速消散。這是由于空氣的流動和熱量的增加讓局部的空氣密度發(fā)生改變，光線通過其中就會產(chǎn)生折射，讓原本無色的空氣“顯形”。

但是，靠給空氣加熱“看到”聲音，既浪費能源又過于危險，該怎么辦？1864 年，德國物理學(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——紋影成像法。它是利用聲波導(dǎo)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(zhuǎn)化成可以被看見的圖像。

在紋影成像的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們又尋找不同密度氣流對光線的折射規(guī)律，直接計算出發(fā)聲時空氣密度的變化，并把它轉(zhuǎn)化成影像。

有了紋影成像法，大到太陽活動的聲音、火箭發(fā)射的聲音，小到螞蟻咀嚼的聲音、細胞運動的聲音，都有了紋影圖像。科學(xué)家可以據(jù)此研究聲音產(chǎn)生和傳播過程中的空氣動力學(xué)。

用“聲學(xué)相機”拍攝飛機噪聲

不過，紋影成像法雖然能“拍攝”到聲音，但精確度并不高。當有多個物體同時發(fā)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。但人們很快發(fā)現(xiàn)了一個重大問題：在起飛和降落期間，飛機常常發(fā)出類似口哨的巨響。飛機工程師遲遲無法確定噪聲的來源，因為飛行中除了巨大的發(fā)動機外，其他各種部件的振動以及機身和空氣的摩擦都會產(chǎn)生噪聲，要在如此復(fù)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(shù)百個麥克風(fēng)在機場的跑道上布設(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 發(fā)出的噪聲。最終，研究人員找出了噪聲的來源——飛機主機翼前沿的加熱孔。當迎面而來的氣流穿過小孔時，便會產(chǎn)生巨大的噪聲。

波音公司的研究人員使用的麥克風(fēng)陣列被稱為“聲學(xué)相機”，其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(fēng)接收聲音，聲源定位的準確程度就越高。

繪制聲音的3D 影像

聲學(xué)相機雖然能“拍攝”到聲音，但成本極高，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。

匈牙利科學(xué)家蓋伯提出了一個拍攝3D 影像的妙招，他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；另一束由被攝物體反射后再射向感光片。這樣一來，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(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。

據(jù)悉，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(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)，是靜止還是運動，都逃不過聲全息相機的“火眼金睛”。而且，與聲學(xué)相機相比，它的成本要低得多。

聲全息相機不僅能完美實現(xiàn)紋影成像法的各項應(yīng)用，還能像聲學(xué)相機一樣用于尋找故障源。

此外，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(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)機的減振降噪，使戰(zhàn)機噪聲大幅降低，大大提高了戰(zhàn)機的隱身性。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(zhàn)效能等方面。