文章來源：“中國激光雜志社”公眾號

哈爾濱工程大學(xué)單明廣教授在《激光與光電子學(xué)進展》發(fā)表題為“數(shù)字全息聲場成像測量技術(shù)綜述”的綜述文章被選為61卷24期封面。論文從基本原理、當(dāng)前主要測量方法和聲場相位恢復(fù)方法三個方面對數(shù)字全息聲場測量技術(shù)展開介紹和分析，并對數(shù)字全息技術(shù)在聲場測量中的應(yīng)用前景進行了展望。

背景

聲場測量是對聲學(xué)特性不可見時空分布的可視化，是解決聲音工程應(yīng)用問題尤其噪聲問題的有效工具，已成為聲學(xué)測試領(lǐng)域的研究熱點及技術(shù)難題。目前，麥克風(fēng)陣列技術(shù)是聲場測量的主流，但其侵入性會干擾待測聲場，影響測量準(zhǔn)確性，且受物理尺寸所限，不僅分辨力低，且難以適用于近場及狹小空間。相比之下，光學(xué)聲場測量技術(shù)憑借非侵入性優(yōu)勢日益受到關(guān)注，但仍面臨多重挑戰(zhàn)。隨著聲場測量需求增長，亟需一種更實時、精確且能直觀展現(xiàn)聲波傳播狀態(tài)的新技術(shù)。數(shù)字全息技術(shù)由于具有分辨力高、全場非接觸、數(shù)字自聚焦、像差數(shù)字自補償?shù)饶芰?，已被廣泛應(yīng)用于多個測試領(lǐng)域，并被不斷拓展至新的領(lǐng)域。近些年來，隨著高速相機的發(fā)展，數(shù)字全息技術(shù)也已逐漸在聲場成像測量領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。

數(shù)字全息聲場測量方法

數(shù)字全息聲場測量技術(shù)是通過光學(xué)干涉原理獲取蘊含聲場信息的全息圖序列，并運用數(shù)值重建處理技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為直觀可視的視頻圖像。該技術(shù)依賴于聲光效應(yīng)，具備高的空間分辨力，且測量精度不受聲場頻率影響，特別適用于低頻聲場測量。從光路結(jié)構(gòu)來看，數(shù)字全息聲場測量方法可分為分光路和共光路兩大類。

圖1 分光路離軸數(shù)字全息聲場測量方法

共光路數(shù)字全息相較于分光路技術(shù)，因物光與參考光路徑高度重合，展現(xiàn)出單光束探測優(yōu)勢，系統(tǒng)更為緊湊穩(wěn)定，有效彌補了分光路的不足。特別是共路離軸數(shù)字全息，可充分利用相機幀頻，實現(xiàn)高速采集成像。單明廣等提出了一種光柵離焦共路離軸數(shù)字全息聲場測量方法，不僅結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，還極大簡化了調(diào)整流程，契合了聲場快速穩(wěn)定成像測量的需求。

圖2 共路離軸數(shù)字全息的聲場測量方法

數(shù)字全息聲場相位恢復(fù)方法

相位恢復(fù)是數(shù)字全息聲場測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)方法常逐幀進行，易受背景相位干擾導(dǎo)致相位包裹，增加了計算負擔(dān)。為此，Yatabe等提出時間方向濾波法，通過相鄰兩幀包裹相位差分來抑制背景相位。

圖3 時間方向濾波法流程

針對離軸數(shù)字全息聲場相位的重建，單明廣等提出一種時間定向相除法，與時間方向濾波法相比，有效解決了時間方向濾波法幀間相位差恢復(fù)過程分離造成的約束多問題，同時極大地降低了計算負擔(dān)。

圖4 時間定向相除法流程

數(shù)字全息聲場測量技術(shù)的應(yīng)用

作為一種前沿技術(shù)，數(shù)字全息聲場測量正逐漸顯現(xiàn)其在多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。Rajput等巧妙地將這一技術(shù)與光學(xué)圖像加密技術(shù)相融合，實現(xiàn)了音頻信息的光學(xué)加密保護。

圖5 音頻加密結(jié)果。（a）數(shù)字全息記錄的音頻信息；（b）與圖（a）對應(yīng)的頻譜圖；（c）加密后音頻信息；（d）與圖（c）對應(yīng)的頻譜圖

Ishikawa等采用數(shù)字全息聲場測量技術(shù)，對樂器的發(fā)聲機制進行了研究。Ishikawa等利用數(shù)字全息聲場測量技術(shù)，對哨子產(chǎn)生的氣流及其伴隨的聲場進行了成像分析。Yoshida等運用并行相移數(shù)字全息技術(shù)，對水下聲場進行了可視化測量。Yatabe等結(jié)合數(shù)字全息聲場測量技術(shù)與計算機斷層掃描技術(shù)，實現(xiàn)了空間三維聲場的重建。

圖6 響板的成像結(jié)果。（a）敲擊瞬間；（b）敲擊2ms后

總結(jié)與展望

數(shù)字全息技術(shù)以其非侵入、高分辨力定量成像的獨特優(yōu)勢，在聲場測量中展現(xiàn)巨大潛力。它能精細捕捉聲場，實現(xiàn)可視化與三維重建，為航空航天、噪聲控制、樂器設(shè)計、水下探測等領(lǐng)域帶來技術(shù)支持。為推動這一技術(shù)進一步發(fā)展，聲學(xué)與光學(xué)專家需緊密合作，深化理論研究，加強實踐探索。

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