聲成像

聲成像圖片集萃(20張)

聲學照相機，又名聲相（像）儀，是利用傳聲器陣列測量一定範圍內的聲場分佈的專用設備，可用於測量物體的位置和輻射的狀態，並用雲圖方式顯示出直觀的圖像，即聲成像測量。

將聲像圖與陣列上配裝的攝像實所拍的視頻圖像以透明的方式疊合在一起，就形成了可直觀分析被測物產生狀態。這種利用聲學、電子學和信息處理等技術，變換成人眼可見的圖像的技術可以幫助人們直觀地認識聲場、聲波、聲源，便捷地瞭解機器設備產生的部位和原因，物體（機器設備）的聲像反映了其所處的狀態。

聲成像的研究開始於20世紀20年代末期。最早使用的方法是液麪形變法。隨後，很多種聲成像方法相繼出現，至70年代已形成一些較為成熟的方法，並有了大量的商品化產品。聲成像方法可分為主動聲成像、掃描聲成像和聲全息。

目前國內比較先進的聲相儀，是由中國科學院聲學研究所實驗室自行研製的聲相儀系統，具有世界先進水平。

由於很多聲檢測器均能記錄聲波的波長、幅度和相位，並將其轉換成相應的電信號，記錄換能器陣列各單元接收信號的波長、幅度和相位，即可重現物體聲像。

聲成像質量的主要指標有圖像的分辨率、信噪比、畸變和虛像等。聲成像的質量不僅與所用的儀器設備有關，而且在很大程度上還與聲波在介質中傳播的特性（如反射、折射和波型轉換）有關。

acoustic imaging

用聲波獲得物體內部結構特點的可見圖像的方法。聲成像利用聲學、電子學和信息處理等技術。聲波可以在很多不透光的物體中傳播，利用聲波可以獲得這些物體內部結構的聲學特性的信息；而聲成像技術則可將其變換成人眼可見的圖像，即可以獲得不透光物體內部聲學特性分佈的圖像。物體的聲學特性分佈可能與光學特性分佈不盡相同，因而同一物體的聲像可能與其相應的光學像有差別。

聲成像的研究開始於20世紀20年代末期。最早使用的方法是液麪形變法。隨後，很多種聲成像方法相繼出現，至70年代已形成一些較為成熟的方法，並有了大量的商品化產品。聲成像方法可分為常規聲成像、掃描聲成像和聲全息。

從光學透鏡成像方法引伸而來。用聲源均勻照射物體，物體的散射聲信號或透射聲信號，經聲透鏡聚焦在像平面上形成物體的聲像，它實質上是與物體聲學特性相應的聲強分佈。用適當的暫時性或永久性記錄介質，將此聲強分佈轉換成光學分佈，或先轉換成電信號分佈，再轉換為熒光屏上的亮度分佈。如此即可獲得人眼能觀察到的可見圖像。

將聲強分佈變成光學分佈的永久性記錄介質有多種，如經過特殊處理的照相膠片，以及利用聲致光效應和聲致熱效應的多種聲敏材料。這些材料可對聲像“拍照“，使其變成可直接觀察的圖像。但這種聲記錄介質的靈敏度較低,其閾值為0.1瓦/釐米2至數瓦/釐米2，信噪比也較低，且使用不便。

聲強分佈的臨時性記錄，可用液麪或固體表面的形變來實現。其方法是用準直光照射形變表面，或用激光束逐點掃描形變表面，其衍射光經光學系統處理可得到與聲強分佈相應的光學像。此外，還可用聲像管將聲像轉換為視頻信號，並顯示在熒光屏上。聲像管的結構與電視攝像管類似,只是用壓電晶片代替了光敏靶。聲像管可用於聲像實時顯示，其靈敏度閾值約為10-4瓦/釐米2。與掃描成像技術相比，工藝比較複雜、孔徑有限而且靈敏度偏低。

通過掃描，用聲波從不同位置照射物體，隨後接收含有物體信息的聲信號。經過相應的處理，獲得物體聲像，並在熒光屏上顯示成可見圖像。

70年代以來，掃描聲成像方法發展迅速。聲束掃描經歷了手動掃描、機械掃描、電子掃描或電子掃描與機械掃描相結合的幾個階段。聲束聚焦也由透鏡聚焦發展到電子聚焦、計算機合成。獲得圖像的方式和圖像所含的內容也各有不同。

平行於聲束傳播方向的物體斷層的聲像。廣泛採用的有線掃描和扇掃描方式。線掃描採用換能器線陣,通過電子切換方法使聚焦聲束沿線陣方向掃描,並逐次照射物體的不同部位，接收聚焦聲束所達區域內的物體散射聲信號，從而獲得掃描斷面內物體聲散射信號的圖像。扇掃描則是用相控掃描方法，旋轉聚焦聲束得到有一定張角的扇形截面內物體聲散射信號的圖像。

圖像為垂直於聲束傳播方向的物體斷層的聲像。它採用換能器面陣（或線陣加機械掃描）使聚焦聲束在面陣範圍內掃描，選取由焦點處散射的信號並加以顯示，即可得到焦平面內物體聲散射信號的圖像。

物體內任意斷層的聲像。與C型的區別在於，掃描聚焦聲束的焦點不固定，需根據欲成像的斷層位置作相應調整。

基於最大輸出功率的可控波束形成技術 Beamforming，它的基本思想就是將各陣元採集來的信號進行加權求和形成波束，通過搜索聲源的可能位置來引導該波束，修改權值使得傳聲器陣列的輸出信號功率最大。這種方法既能在時域中使用，也能在波域中使用。它在時域中的時間平移等價於在波域中的相位延遲。在波域處理中，首先使用一個包含自譜和互譜的矩陣，我們稱之為互譜矩陣(Cross-Spectral Matrix，CSM)。在每個感興趣波長之處，陣列信號的處理給出了在每個給定的空間掃描網格點上或每個信號到達的能量水平。因此，陣列表示了一種與聲源分佈相關聯的響應求和後的數量。這種方法適用於大型麥克風陣列，對測試環境適應性強。

基於高分辨率譜估計的方法包括了自迴歸 AR 模型、最小方差譜估計（MV）和特徵值分解方法（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來計算空間譜的相關矩陣。在理論上可以進行有效估計，實際中若要獲得較理想的精度，就要付出很大的計算量代價，而且需要較多的假設條件，當陣列較大時這種譜估計方法的運算量很大，對環境敏感，還很容易導致定位不準確，因而在現代的大型聲源定位系統中很少採用。

聲達時間差(TDOA)的定位技術，這類聲源定位方法一般分為二個步驟進行，先進行聲達時間差估計，並從中獲取傳聲器陣列中陣元間的聲延遲(TDOA)；再利用獲取的聲達時間差，結合已知的傳聲器陣列的空間位置進一步定出聲源的位置。