声学全息
声学全息是一种通过测量和记录声场的空间信息（例如声压的幅值和相位），并利用这些信息重构出整个声场（特别是声源的空间分布）或实现声波前精密调控的技术。其核心思想借鉴了光学全息术，但作用对象是声波。
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第一步：基本原理与光学全息的类比
- 在光学全息术中，需要用一束参考光与从物体反射或透射的物光发生干涉，记录在感光介质上。这张干涉图（全息图）同时包含了物光的振幅和相位信息。
- 声学全息的核心步骤与此类似。为了记录一个声场，我们需要在空间中的一个平面（测量面）上，同时测量来自声源的声波（可视为“物声波”）的声压幅值和相对于某个参考信号的相位。这个参考信号可以是真实的参考声源，也可以是电信号参考。
- 这些在离散空间点（由传声器阵列扫描或一次性测量得到）上记录的幅值与相位数据集合，就构成了一张“声全息图”。它是声场在某一时刻、某一平面的“快照”。
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第二步：关键技术与测量方法
- 实现声学全息的关键在于能同步、精确地测量空间各点的声压及其相位。这通常通过精心布置的传声器阵列来实现。
- 测量方法主要分为两类：
- 近场声全息：这是最常用和有效的方法。将传声器阵列放置在非常靠近声源（通常在辐射声场的一个波长范围内）的位置进行测量。由于距离近，测量信号信噪比高，并能捕捉到倏逝波（一种随距离急剧衰减、不向远场传播的波）成分。利用近场数据，通过特定的算法（如空间傅里叶变换）可以高分辨率地重构出声源表面的振速分布和声辐射特性，甚至实现“声源识别”——精确定位复杂设备上的噪声源。
- 远场声全息：传声器阵列放置在远离声源的辐射远场。这种方法更简单，但丢失了倏逝波信息，因此空间分辨率较低，主要用于分析声场的主要辐射模式和方向性。
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第三步：核心算法与声场重构
- 仅有测量平面的数据是不够的。声学全息的精髓在于，通过求解声波方程（例如亥姆霍兹方程），利用测量面上的声压和相位数据，反向推算（逆传播）出声源面上的声学量，或正向推算（正传播）到其他任何位置的声场。
- 最经典的算法是空间傅里叶变换法。其过程是：将测量面的复声压（含幅值和相位）数据进行二维空间傅里叶变换，得到波数谱；然后让这个波数谱乘以一个与传播距离和波数相关的传递函数（格林函数），这个函数控制着波数分量的传播（传播波）或衰减（倏逝波）；最后进行逆傅里叶变换，即可得到重构面（如声源面）上的声压或法向振速分布。
- 通过这个数学过程，我们得以“看到”声场是如何从声源产生并传播的，实现了声场的“三维可视化”。
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第四步：核心应用之一——声源识别与故障诊断
- 这是声学全息在工业领域最重要的应用。例如，对于一台运行的汽车、飞机或大型机械，其表面不同部件可能同时产生噪声。
- 将传声器阵列布置在设备附近进行近场扫描，通过全息算法重构出设备表面（或非常接近表面）的声强或声压分布图。这张图能直观、定量地显示出哪些部位辐射的声能量最强，从而精准定位主要的噪声源。
- 这种方法是非接触式、全局性的，对于改进产品NVH性能、进行设备状态监测与故障诊断（如识别轴承早期损坏）具有极高价值。
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第五步：核心应用之二——声波前调控与声学显示
- 声学全息的另一个强大方向是“主动生成”特定的声场，即声学全息图设计。其目标是：通过设计一个扬声器阵列的驱动信号（幅值和相位），使其辐射出的声波在目标区域形成预先设定的声压图案。
- 这个过程是“记录-重构”的逆过程：首先设定一个期望的声场分布（例如，在空间中形成某个字母形状的高声压区，或形成一个安静的“声学空洞”），然后通过算法反向计算出扬声器阵列各单元所需的驱动信号。
- 这项技术使得复杂声场的精密操控成为可能，应用包括：
- 声镊与颗粒操控：生成多个声压极小值（陷阱）或涡旋场，用于非接触地捕获、移动和旋转微小颗粒、细胞或液滴。
- 个性化声学治疗：调控超声波在人体内的聚焦形状，使其与肿瘤形状匹配，提高治疗精度和安全性。
- 空间声重现与高级音频：创造更加沉浸和个性化的听觉体验。