聲學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展與原理

聲學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展

聲學(xué)成像（acoustic imaging）是基于傳聲器陣列的一種測量技術(shù)，通過測量一定空間內(nèi)的聲波到達(dá)各傳聲器的信號(hào)相位的差異，依據(jù)相控陣原理確定聲源的位置，測量聲源能量的強(qiáng)弱，并以直觀的圖像方式指示出聲源在空間的分布，從而得到空間聲場分布云圖－聲像圖，其中以圖像的顏色和亮度表征聲波能量的強(qiáng)弱。

將聲像圖與陣列上配裝的可見光攝像頭實(shí)所拍的視頻圖像疊合在一起，就形成了可直觀分析被測物實(shí)時(shí)狀態(tài)的視頻流。這種利用聲學(xué)、電子學(xué)和信息處理等技術(shù)，將聲波能量變換成人眼可見的圖像的技術(shù)可以幫助人們直觀地認(rèn)識(shí)聲場、聲波、聲源，便捷地了解聲音產(chǎn)生的部位和原因，物體（機(jī)器設(shè)備）的聲像反映了其所處的狀態(tài)。

聲成像的研究開始于20 世紀(jì)20 年代末期。最早使用的方法是液面形變法。隨后，很多種聲成像方法相繼出現(xiàn)，至70 年代已形成一些較為成熟的方法，并有了大量的商品化產(chǎn)品。聲成像方法可分為主動(dòng)聲成像、掃描聲成像和聲全息。

聲學(xué)成像技術(shù)的原理

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的，通過介質(zhì)傳播。我們能夠聽見聲音是因?yàn)樵谖覀兒桶l(fā)聲物體之間存在介質(zhì)- 空氣。聲音這種特殊的波，通過空氣的傳播，到達(dá)聲學(xué)傳感器- 麥克風(fēng)處，利用若干個(gè)麥克風(fēng)組成陣列，即可以分辨聲音出現(xiàn)的位置，輔以可見光圖像的疊加顯示，我們可以直觀分辨出發(fā)聲的具體位置。此為聲學(xué)

基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位原理簡介

一般來說，基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法劃分為三類：一是基于波束形成的方法；二是基于高分辨率譜估計(jì)的方法；三是基于聲達(dá)時(shí)延差（TDOA）的方法。

波束形成（Beamforming）

基于最大輸出功率的可控波束形成技術(shù) Beamforming，它的基本思想就是將各陣元采集來的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和形成波束，通過搜索聲源的可能位置來引導(dǎo)該波束，修改權(quán)值使得傳聲器陣列的輸出信號(hào)功率最大。這種方法既能在時(shí)域中使用，也能在波域中使用。它在時(shí)域中的時(shí)間平移等價(jià)于在波域中的相位延遲。在波域處理中，首先使用一個(gè)包含自譜和互譜的矩陣，我們稱之為互譜矩陣(Cross-Spectral Matrix，CSM)。在每個(gè)感興趣波長之處，陣列信號(hào)的處理給出了在每個(gè)給定的空間掃描網(wǎng)格點(diǎn)上或每個(gè)信號(hào)到達(dá)的能量水平。因此，陣列表示了一種與聲源分布相關(guān)聯(lián)的響應(yīng)求和后的數(shù)量。這種方法適用于大型麥克風(fēng)陣列，對(duì)測試環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

基于高分辨率譜估計(jì)

基于高分辨率譜估計(jì)的方法包括了自回歸 AR  模型、最小方差譜估計(jì)（MV）和特征值分解方法（如 Music 算法）等，所有這些方法都通過獲取了傳聲器陣列的信號(hào)來計(jì)算空間譜的相關(guān)矩陣。在理論上可以進(jìn)行有效估計(jì)，實(shí)際中若要獲得較理想的精度，就要付出很大的計(jì)算量代價(jià)，而且需要較多的假設(shè)條件，當(dāng)陣列較大時(shí)這種譜估計(jì)方法的運(yùn)算量很大，對(duì)環(huán)境敏感，還很容易導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確，因而在現(xiàn)代的大型聲源定位系統(tǒng)中很少采用。

聲達(dá)時(shí)間差(TDOA)

聲達(dá)時(shí)間差(TDOA) 的定位技術(shù)，這類聲源定位方法一般分為二個(gè)步驟進(jìn)行，先進(jìn)行聲達(dá)時(shí)間差估計(jì)，并從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲(TDOA)；再利用獲取的聲達(dá)時(shí)間差，結(jié)合已知的傳聲器陣列的空間位置進(jìn)一步定出聲源的位置。

SV600 來說，此設(shè)備是采用了聲達(dá)時(shí)間差原理設(shè)計(jì)制造的一款聲學(xué)成像儀。

設(shè)備由 3 部分組成，聲音的采集單元 - 麥克風(fēng)；可見光圖像的拍攝 - 攝像頭；聲音位置信息的分析運(yùn)算以及與可見光的圖像整合 - 邊緣計(jì)算機(jī)，最終可以在電腦或者監(jiān)控器中查看到最終的可視化圖像。

聲音的采集由 64 個(gè)呈向日葵陣列形式排布的 MEMS 聲學(xué)傳感器負(fù)責(zé)，優(yōu)勢在于相鄰的麥克風(fēng)之間距離相等，在聲像噪聲（旁瓣）的抑制方面有著優(yōu)良的表現(xiàn)，在同一陣列區(qū)域內(nèi)的麥克風(fēng)數(shù)量也是測試后的較優(yōu)選擇，相對(duì)于數(shù)量加倍至  128  個(gè)麥克風(fēng)帶來的約  1dB  SPL  的增益，適當(dāng)位置分布的 64 個(gè)麥克風(fēng)可以帶來 40 dB  SPL 的增益，可見是非常經(jīng)濟(jì)且高效的。

聲音的頻率和波長

聲波中有些地方，就像水波的波峰或波谷，這里的空氣分子向前或向后移動(dòng)的位置變化最大。一個(gè)波峰到下一個(gè)波峰的距離，或者一個(gè)波谷到下一個(gè)波谷的距離就是聲波的長度。

每秒鐘經(jīng)過一個(gè)特定點(diǎn)的波的數(shù)量稱為聲波頻率。

聲波頻率與聲波波長的乘積就是聲波的速度（速度= 每秒鐘經(jīng)過的波的數(shù)量×每個(gè)波的長度）。在相同條件下，所有的聲波的速度大致相同，這就意味著高頻率聲波的波長較短，低頻率的聲波波長較長。

聲壓

表示聲音強(qiáng)弱的物理量，通常以Pa 為單位，例如基本聲壓 p0，相當(dāng)于蚊子落于皮膚上引起的壓力變化的千分之一。

聲壓級(jí)（SPL）

衡量聲音強(qiáng)度大小的單位 - 分貝（dB），用某聲音的聲壓（p）與基本聲壓（p0）之比的常用對(duì)數(shù)的20 倍來表示，即20 lg P/P0 . 1 分貝等于1/10 貝爾。如果一種聲音比另一種聲音高10分貝，那么這種聲音的強(qiáng)度時(shí)它的10 倍。如果比另一種聲音高20 分貝，那么這種聲音的強(qiáng)度時(shí)它的10×10=100 倍，以此類推。

但是用這種方法獲得的不是絕對(duì)的標(biāo)度，而是相對(duì)的標(biāo)度。必須在一定程度上標(biāo)出另強(qiáng)度級(jí)，以便由此計(jì)算讀數(shù)。這個(gè)級(jí)是在主觀指數(shù)――人耳的最小聽閾基礎(chǔ)上選擇的，其客觀值等于10-12 瓦/ 平方米。這種聲音的強(qiáng)度被取作0 分貝。

振幅

即聲波的強(qiáng)度。聲波的振幅與聲音的響度成正比關(guān)系。

平方反比定律

假設(shè)我們有一個(gè)點(diǎn)源。它將在各個(gè)方向上平均分配能量。因此，如果要查找空間中能量強(qiáng)度相同的所有點(diǎn)，則必須在光源點(diǎn)周圍繪制一個(gè)球體。球體的半徑越大，能量散布的“表面”越大。

半徑與球體表面積之間的關(guān)系是平方反比關(guān)系。這意味著強(qiáng)度將取決于1/r2。如果您離能量源的距離增加一倍，強(qiáng)度會(huì)降低到其值的四分之一；距離三倍將使強(qiáng)度下降到九分之一，依此類推。任何點(diǎn)源，只要它不受其范圍的限制而均勻地向各個(gè)方向擴(kuò)散，就會(huì)服從平方反比定律。

聲波也是按照球形傳播的，聲能分布在波前表面的不斷增加的直徑上，隨著傳播距離的增加，聲波的能量不斷減弱。在自由場（無遮擋）情況下，與聲源的距離每增加一倍，則聲強(qiáng)就會(huì)減少6 分貝，此現(xiàn)象遵循平方反比定律。