前言：近年来，随着人类对环境噪声的重视，世界各发达国家纷纷制定了民航机起飞和降落时的噪声标准。由于其优良的噪声指标，九十年代中期推出的波音777成了许多远程航线的首选。虽然1995年进入国际航空市场的波音777已经达到了所有设计目标，但是不久人们发现，在起飞和降落期间它时常会发出类似口哨的啸叫，啸叫的频率很快被测定为2000赫兹左右，然而波音公司的工程师却一直无法确定啸叫来自何处？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，要将如此复杂的噪声源从一个高速飞行的物体中一一分解出来，困难是可想而知的。波音公司的工程师无奈地将这种啸叫称作“神秘的两千周”(“2000-hertz mystery tone”)。

图1. 波音777主机翼的前沿有一排小孔。在寒冷的环境里，穿过小孔的气流将被加热，然后在机翼内循环以防止潮气在机翼上结冰

数年后，波音的研究人员声学摄像机阵列探头机场的跑道上布设了直径达150英尺的螺旋形的麦克风阵列来记录飞越上空的波音777发出的噪声。反复试验的结果表明2000赫兹的啸叫来自两翼的前沿。波音777主机翼的前沿有一排小孔（见图1），在寒冷的环境里，穿过小孔的气流将被加热，然后在机翼内循环以防止潮气在机翼上结冰。根据麦克风阵列检测的结果和对机翼结构的分析，波音的研究人员怀疑神秘啸叫的“罪魁祸首”是那两排小孔。当迎面而来的气流穿过形状和排列整齐的小孔时，犹如人们吹笛子一样，气流和机翼产生了2000赫兹的共振。为了证实这个猜测，声学专家斯多克（Rob Stoker）说服了波音公司有关部门，用胶带将一个机翼前沿的小孔全部封上，然后再比较两个机翼前沿的噪声强度。

图2. 一侧机翼前沿的小孔封上后2000赫兹的啸叫几乎完全消失了

图2显示的是一侧小孔封上后的测试结果。如斯多克预测，一侧机翼前沿的小孔封上后2000赫兹的啸叫完全消失了。波音的工程师终于解开了困扰他们多年的迷！根据麦克风阵列检测的结果，波音的设计师重新设计了机翼前沿防冻小孔的形状和排列。改进后的波音777-300ER系列彻底消除了那“神秘的两千周”的啸叫。

图3. 成功后激动的波音声学专家斯多克先生

声学摄像机在波音飞机上成功应用的故事很快被流传到欧洲的空客和世界其他的飞机制造公司。如今，麦克风阵列不仅被用来研究飞机、汽车上的噪声源，而且还被用在潜水艇、建筑和家电等行业的噪声研究中。

以下本文将简单介绍声学摄像机的原理、应用实例以及应用中常见的一些问题。为了让非专业的读者能够尽可能全面地了解这个新兴的技术，本文将尽量避免使用专业词汇和数学公式，于是有些假设可能会显得过于理想，有些解释可能会显得过于简单。

检测原理：图4是波音公司测试的示意图。圆圈内的黑点代表声学摄像机的阵列。红线代表声波从声源s(t) 到麦克风的传递路径。由于声源和各个麦克风间的距离不相等，每个麦克风接收到的声波有不同的时延t_i（在频率域称作相位差），数学上可以大致描述成x_i(t) = s(t-t_i)+N_i(t) , 这里x_i(t) 和 N_i(t)分别代表第i个麦克风接收到的信号和均值为零的干扰。因为麦克风阵列的结构和声音的传播速度是已知的，于是对空间每个位置上的声源，我们都可以用中学的三角和几何知识解出一组对应的时延 {t_i }。假如对每个麦克风接收到的信号x_i(t)分别补偿t_i（也就是x_i(t+t_i)），将来自声源的声波对齐，然后把所有M个补偿后的信号x_i(t+t_i)相加，最后，得到干扰趋于零的（因为干扰 N_i(t)的均值为零）增强了的声波Ms(t)。

图4. 波音公司测试示意图

以上我们提到了来自不同方向的声源对应于一组唯一的时延，反之，每组时延指向唯一的一个声源。于是乎，利用声波时延和声源位置这种一一对应的关系，我们可以通过对接收到的各路信号先进行时延补偿然后相加，逐点计算出空间声音强度的分布图。在这类应用中，麦克风阵列可以被视作“声学摄像机”（Acoustic Camera）。不过，普通照相机的镜头聚焦的是光波，而声学摄像机的麦克风阵聚焦的是声波。

图5. 矩形（左图）和螺旋形（右图）麦克风阵列计算得到的声强空间分布。螺旋形麦克风阵列准确无误地检测到三个声源，矩形麦克风阵列在检测到三个真实的声源的同时参杂了多个真实世界中不存在的虚假声源。

声学摄像机图像的分辨率和麦克风的数量和阵列的形状密切相关，一般来讲，麦克风越多，分辨率越高。而分辨率和麦克风阵列形状的关系就比较复杂，除了十字形、矩形阵列和分辨率有简单的解析关系，其他形状阵列和分辨率的关系不是一目了然的。十字形、矩形阵列结构简单，易安装；螺旋形的结构复杂，但是数学上可以证明螺旋形的性能是最优的。图5显示分别用矩形（左图）和螺旋形（右图）麦克风阵列计算得到的声强空间分布。虽然麦克风的数量相同，螺旋形麦克风阵列的结果明显比矩形的好。螺旋形麦克风阵列准确无误地检测到三个声源，而矩形麦克风阵列在检测到三个真实的声源的同时参杂了多个真实世界中不存在的虚假声源。

图6. 螺旋形麦克风阵列

在声学摄像机问世前，人们用声全息（Near-Field Acoustic Holography）测试噪声强度在空间的分布。和声学照相机相比，声全息通常要求麦克风的阵列的面积至少和被测的物体的表面一样大。另外，声全息要求麦克风和被测物体间的距离必须足够小（通常在10厘米以内），然而，在波音的应用中，被测飞机通常在麦克风阵列上方150米左右。所以声全息无法满足波音的需求。声全息的优点是它低频段的分辨率是固定的，不随频率而变；而声学照相机，频率越低，分辨率越差。

由于麦克风阵列聚焦的功能，除了声学摄像机，它也被广泛用作空间滤波器，增强来自指定方向的声波。如今，许多视频或电话会议的设备（包括微软的Vista和XP等纯软件产品）都具有麦克风阵列的功能。在那些应用中，麦克风阵列用来增强来自发言者方向的声波，抑制所有其他方向的干扰。用声学摄像机得到是二维的声强分布图像，而以麦克风阵列为基础的空间滤波器的输出通常是一维的声音信号。

图7.保时捷911的后轮和地面磨擦产生的噪声将远比汽车其他部位产生的噪声强。

应用案例：至今为止，声学摄像机主要被用于鉴别噪声源的位置。除了在本文开头介绍的用于分析飞行中飞机发出的各类噪声，声学摄像机也被成功地用来研究行驶中汽车、电力机车、磁悬浮列车的噪声。图7显示了行驶中保时捷911的测试结果，在这个实验中车速超过四十英里。通常人们以为飞速行驶中汽车的噪声主要来源于发动机和排气管，但是声学照相机产生的图像却告诉我们，车轮和地面摩擦产生的噪声要远远大于汽车其他部位发出的噪声。保时捷911是后轮驱动，发动机在后备箱内，车的重心偏后，因此后轮和地面磨擦产生的噪声将远比汽车其他部位产生的噪声强。

图8.TECLAB 螺旋形声学摄像机对长城汽车引擎室噪声定位诊断，发现500Hz噪声源于引擎主体，1000Hz噪声源于皮带轮，2500Hz源于管道系统

图9.TECLAB 螺旋形声学摄像机风力发电机组进行噪声源分析，发现多次异常噪声，频率在187Hz-206Hz之间


图10.TECLAB 螺旋形声学摄像机对和谐号动车组进行噪声分析后，可根据分析结果进针对车轮，铁轨及厢体等重点部位进行联合改造，改进设计结构，达到降低整体噪声的目的。

图11.TECLAB 螺旋形声学摄像机检测风扇，空调和抽油烟机进行噪声分析后，通过优化设计实现家电降噪提高静音效果的目的，提高用户体验和舒适度。

图12.TECLAB 螺旋形声学摄像机在工业车间有较强噪声干扰的环境下测量发现7MPa高压储气罐出现较强的振动，并准确找出振动源头，反映了该储气罐存在安全隐患。

展望：从波音公司首次将声学摄像机成功地用于早期波音777的噪声研究到今天，声学摄像机的应用对象已经从昂贵的大型客机迅速地扩展到小型的车用空调系统。声学摄像机从最初的一维阵列，十字阵列发展到最新最优的螺旋阵列，检测精度和效果不断升级改善。让我们的生活远离噪声了污染，生产安全性不断得到了提高。未来声学摄像机将在更多的领域发挥其强大而独特的功能，提高我们的生活质量。