文章來源：“中國激光雜誌社”公眾(zhong) 號

哈爾濱工程大學單明廣教授在《激光與(yu) 光電子學進展》發表題為(wei) “數字全息聲場成像測量技術綜述”的綜述文章被選為(wei) 61卷24期封麵。論文從(cong) 基本原理、當前主要測量方法和聲場相位恢複方法三個(ge) 方麵對數字全息聲場測量技術展開介紹和分析，並對數字全息技術在聲場測量中的應用前景進行了展望。

背景

聲場測量是對聲學特性不可見時空分布的可視化，是解決(jue) 聲音工程應用問題尤其噪聲問題的有效工具，已成為(wei) 聲學測試領域的研究熱點及技術難題。目前，麥克風陣列技術是聲場測量的主流，但其侵入性會(hui) 幹擾待測聲場，影響測量準確性，且受物理尺寸所限，不僅(jin) 分辨力低，且難以適用於(yu) 近場及狹小空間。相比之下，光學聲場測量技術憑借非侵入性優(you) 勢日益受到關(guan) 注，但仍麵臨(lin) 多重挑戰。隨著聲場測量需求增長，亟需一種更實時、精確且能直觀展現聲波傳(chuan) 播狀態的新技術。數字全息技術由於(yu) 具有分辨力高、全場非接觸、數字自聚焦、像差數字自補償(chang) 等能力，已被廣泛應用於(yu) 多個(ge) 測試領域，並被不斷拓展至新的領域。近些年來，隨著高速相機的發展，數字全息技術也已逐漸在聲場成像測量領域展現出巨大的潛力。

數字全息聲場測量方法

數字全息聲場測量技術是通過光學幹涉原理獲取蘊含聲場信息的全息圖序列，並運用數值重建處理技術將其轉化為(wei) 直觀可視的視頻圖像。該技術依賴於(yu) 聲光效應，具備高的空間分辨力，且測量精度不受聲場頻率影響，特別適用於(yu) 低頻聲場測量。從(cong) 光路結構來看，數字全息聲場測量方法可分為(wei) 分光路和共光路兩(liang) 大類。

圖1 分光路離軸數字全息聲場測量方法

共光路數字全息相較於(yu) 分光路技術，因物光與(yu) 參考光路徑高度重合，展現出單光束探測優(you) 勢，係統更為(wei) 緊湊穩定，有效彌補了分光路的不足。特別是共路離軸數字全息，可充分利用相機幀頻，實現高速采集成像。單明廣等提出了一種光柵離焦共路離軸數字全息聲場測量方法，不僅(jin) 結構緊湊穩定，還極大簡化了調整流程，契合了聲場快速穩定成像測量的需求。

圖2 共路離軸數字全息的聲場測量方法

數字全息聲場相位恢複方法

相位恢複是數字全息聲場測量中的關(guan) 鍵環節，但傳(chuan) 統方法常逐幀進行，易受背景相位幹擾導致相位包裹，增加了計算負擔。為(wei) 此，Yatabe等提出時間方向濾波法，通過相鄰兩(liang) 幀包裹相位差分來抑製背景相位。

圖3 時間方向濾波法流程

針對離軸數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(yu) 時間方向濾波法相比，有效解決(jue) 了時間方向濾波法幀間相位差恢複過程分離造成的約束多問題，同時極大地降低了計算負擔。

圖4 時間定向相除法流程

數字全息聲場測量技術的應用

作為(wei) 一種前沿技術，數字全息聲場測量正逐漸顯現其在多領域的應用潛力。Rajput等巧妙地將這一技術與(yu) 光學圖像加密技術相融合，實現了音頻信息的光學加密保護。

圖5 音頻加密結果。（a）數字全息記錄的音頻信息；（b）與(yu) 圖（a）對應的頻譜圖；（c）加密後音頻信息；（d）與(yu) 圖（c）對應的頻譜圖

Ishikawa等采用數字全息聲場測量技術，對樂(le) 器的發聲機製進行了研究。Ishikawa等利用數字全息聲場測量技術，對哨子產(chan) 生的氣流及其伴隨的聲場進行了成像分析。Yoshida等運用並行相移數字全息技術，對水下聲場進行了可視化測量。Yatabe等結合數字全息聲場測量技術與(yu) 計算機斷層掃描技術，實現了空間三維聲場的重建。

圖6 響板的成像結果。（a）敲擊瞬間；（b）敲擊2ms後

總結與(yu) 展望

數字全息技術以其非侵入、高分辨力定量成像的獨特優(you) 勢，在聲場測量中展現巨大潛力。它能精細捕捉聲場，實現可視化與(yu) 三維重建，為(wei) 航空航天、噪聲控製、樂(le) 器設計、水下探測等領域帶來技術支持。為(wei) 推動這一技術進一步發展，聲學與(yu) 光學專(zhuan) 家需緊密合作，深化理論研究，加強實踐探索。

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