声学成像技术的发展与原理

声学成像技术的发展

声学成像（acoustic imaging）是基于传声器阵列的一种测量技术，通过测量一定空间内的声波到达各传声器的信号相位的差异，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源能量的强弱，并以直观的图像方式指示出声源在空间的分布，从而得到空间声场分布云图－声像图，其中以图像的颜色和亮度表征声波能量的强弱。

将声像图与阵列上配装的可见光摄像头实所拍的视频图像叠合在一起，就形成了可直观分析被测物实时状态的视频流。这种利用声学、电子学和信息处理等技术，将声波能量变换成人眼可见的图像的技术可以帮助人们直观地认识声场、声波、声源，便捷地了解声音产生的部位和原因，物体（机器设备）的声像反映了其所处的状态。

声成像的研究开始于20 世纪20 年代末期。最早使用的方法是液面形变法。随后，很多种声成像方法相继出现，至70 年代已形成一些较为成熟的方法，并有了大量的商品化产品。声成像方法可分为主动声成像、扫描声成像和声全息。

声学成像技术的原理

声音是由物体振动产生的，通过介质传播。我们能够听见声音是因为在我们和发声物体之间存在介质- 空气。声音这种特殊的波，通过空气的传播，到达声学传感器- 麦克风处，利用若干个麦克风组成阵列，即可以分辨声音出现的位置，辅以可见光图像的叠加显示，我们可以直观分辨出发声的具体位置。此为声学

基于麦克风阵列的声源定位原理简介

一般来说，基于麦克风阵列的声源定位算法划分为三类：一是基于波束形成的方法；二是基于高分辨率谱估计的方法；三是基于声达时延差（TDOA）的方法。

波束形成（Beamforming）

基于最大输出功率的可控波束形成技术 Beamforming，它的基本思想就是将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波束，通过搜索声源的可能位置来引导该波束，修改权值使得传声器阵列的输出信号功率最大。这种方法既能在时域中使用，也能在波域中使用。它在时域中的时间平移等价于在波域中的相位延迟。在波域处理中，首先使用一个包含自谱和互谱的矩阵，我们称之为互谱矩阵(Cross-Spectral Matrix，CSM)。在每个感兴趣波长之处，阵列信号的处理给出了在每个给定的空间扫描网格点上或每个信号到达的能量水平。因此，阵列表示了一种与声源分布相关联的响应求和后的数量。这种方法适用于大型麦克风阵列，对测试环境适应性强。

基于高分辨率谱估计

基于高分辨率谱估计的方法包括了自回归 AR  模型、最小方差谱估计（MV）和特征值分解方法（如 Music 算法）等，所有这些方法都通过获取了传声器阵列的信号来计算空间谱的相关矩阵。在理论上可以进行有效估计，实际中若要获得较理想的精度，就要付出很大的计算量代价，而且需要较多的假设条件，当阵列较大时这种谱估计方法的运算量很大，对环境敏感，还很容易导致定位不准确，因而在现代的大型声源定位系统中很少采用。

声达时间差(TDOA)

声达时间差(TDOA) 的定位技术，这类声源定位方法一般分为二个步骤进行，先进行声达时间差估计，并从中获取传声器阵列中阵元间的声延迟(TDOA)；再利用获取的声达时间差，结合已知的传声器阵列的空间位置进一步定出声源的位置。

SV600 来说，此设备是采用了声达时间差原理设计制造的一款声学成像仪。

设备由 3 部分组成，声音的采集单元 - 麦克风；可见光图像的拍摄 - 摄像头；声音位置信息的分析运算以及与可见光的图像整合 - 边缘计算机，最终可以在电脑或者监控器中查看到最终的可视化图像。

声音的采集由 64 个呈向日葵阵列形式排布的 MEMS 声学传感器负责，优势在于相邻的麦克风之间距离相等，在声像噪声（旁瓣）的抑制方面有着优良的表现，在同一阵列区域内的麦克风数量也是测试后的较优选择，相对于数量加倍至  128  个麦克风带来的约  1dB  SPL  的增益，适当位置分布的 64 个麦克风可以带来 40 dB  SPL 的增益，可见是非常经济且高效的。

声音的频率和波长

声波中有些地方，就像水波的波峰或波谷，这里的空气分子向前或向后移动的位置变化最大。一个波峰到下一个波峰的距离，或者一个波谷到下一个波谷的距离就是声波的长度。

每秒钟经过一个特定点的波的数量称为声波频率。

声波频率与声波波长的乘积就是声波的速度（速度= 每秒钟经过的波的数量×每个波的长度）。在相同条件下，所有的声波的速度大致相同，这就意味着高频率声波的波长较短，低频率的声波波长较长。

声压

表示声音强弱的物理量，通常以Pa 为单位，例如基本声压 p0，相当于蚊子落于皮肤上引起的压力变化的千分之一。

声压级（SPL）

衡量声音强度大小的单位 - 分贝（dB），用某声音的声压（p）与基本声压（p0）之比的常用对数的20 倍来表示，即20 lg P/P0 . 1 分贝等于1/10 贝尔。如果一种声音比另一种声音高10分贝，那么这种声音的强度时它的10 倍。如果比另一种声音高20 分贝，那么这种声音的强度时它的10×10=100 倍，以此类推。

但是用这种方法获得的不是绝对的标度，而是相对的标度。必须在一定程度上标出另强度级，以便由此计算读数。这个级是在主观指数――人耳的最小听阈基础上选择的，其客观值等于10-12 瓦/ 平方米。这种声音的强度被取作0 分贝。

振幅

即声波的强度。声波的振幅与声音的响度成正比关系。

平方反比定律

假设我们有一个点源。它将在各个方向上平均分配能量。因此，如果要查找空间中能量强度相同的所有点，则必须在光源点周围绘制一个球体。球体的半径越大，能量散布的“表面”越大。

半径与球体表面积之间的关系是平方反比关系。这意味着强度将取决于1/r2。如果您离能量源的距离增加一倍，强度会降低到其值的四分之一；距离三倍将使强度下降到九分之一，依此类推。任何点源，只要它不受其范围的限制而均匀地向各个方向扩散，就会服从平方反比定律。

声波也是按照球形传播的，声能分布在波前表面的不断增加的直径上，随着传播距离的增加，声波的能量不断减弱。在自由场（无遮挡）情况下，与声源的距离每增加一倍，则声强就会减少6 分贝，此现象遵循平方反比定律。