声成像定义

传声器阵列发展史

声相仪的指标定义

研制单位

声成像定义

声相（像）仪，又名声学照相机，是利用传声器阵列测量一定范围内的声场分布的专用设备，可用于测量物体发出的声音的位置和声音辐射的状态，并用云图方式显示出直观的图像，即声成像测量。

声成像（acoustic imaging）是基于传声器阵列测量技术，通过测量一定空间内的声波到达各传声器的信号相位差异，依据相控阵原理确定声源的位置，测量声源的幅值，并以图像的方式显示声源在空间的分布，即取得空间声场分布云图－声像图，其中以图像的颜色和亮度代表声音的强弱。将声像图与阵列上配装的摄像实所拍的视频图像以透明的方式叠合在一起，就形成了可直观分析被测物产生噪声状态。这种利用声学、电子学和信息处理等技术，将声音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，便捷地了解机器设备产生噪声的部位和原因，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。

目前国内比较先进的声相仪，是由中国科学院声学研究所噪声振动实验室自行研制的声相仪系统，具有世界先进水平。

由于很多声检测器均能记录声波的幅度和相位，并将其转换成相应的电信号，记录换能器阵列各单元接收信号的幅度和相位，即可重现物体声像。

声成像质量的主要指标有图像的分辨率、信噪比、畸变和虚像等。声成像的质量不仅与所用的仪器设备有关，而且在很大程度上还与声波在介质中传播的特性（如反射、折射和波型转换）有关。

传声器阵列发展史

传声器阵列检测技术最早应用于目标探测与跟踪。

法国科学家Sergeant Jean Perrin最早设计了采用12个传声器的探测阵列，其中每6个传声器构成一个圆阵，两个完全一样的圆阵相距一定距离组成双阵，该阵可通过人耳监听的方法确定声源方位和距离，并因此而获得诺贝尔物理学奖，这是人类最早将声探测阵列技术成功地应用。

随着微型测量传声器技术的发展，传声器阵列朝着多元化、小型化发展，先进数字信号处理技术的发展推动了传声器阵列技术朝着智能化发展，利用图像显示声源位置和强度的方式比单纯听一个传声器的声音和看一个传声器的信号波形更直观，能够提取到更多有用的信息。现代快速信号处理技术更可以使得传声器阵列可以实时分离检测多个声源，用于测量可记录复杂的声场，用于分析机器设备的多声源特性可以提高对机器设备的故障诊断能力，这正是传声器阵列发展的生命力。

声相仪的指标定义

1. 本底噪声

在测量或记录中与信号存在与否无关的一切干扰声音信号，主要由畸变、电路热噪声和量化误差等引起的噪声。

2. 动态范围

由单个传声器本身特性决定。是指声相仪工作时能够接收到的最小信号和在无非线性失真情况下最大声压之间的范围，以dB表示。

3. 频率范围（上限频率、下限频率）

声相仪上限频率由阵列的阵元的最小间距决定，定义为在摄像头视角范围内不出现声源虚像的最高频率，其理论值是最小半波长应大于最小阵元间距； 声相仪下限频率由阵列的分辨能力决定，定义为当两个声源位置处于摄像头视角边缘，声相仪所能够分辨出两个声源的最低频率，其理论值是最大半波长应小于阵列孔径。

4. 主瓣宽度（°）

主瓣宽度是表示波束图中主瓣尖锐程度的参数。通常用波束图中的半功率点或主瓣的零点之间的对应的角度量度。3dB指向角指在以声相仪的指向性函数β(θ,φ)从最大值降低3dB(幅值降低一半）所对应的方位角和仰角(θ1,φ1)范围。对于具有对称性能的阵列通常以(±θ1,±φ1)表示。也可以用6dB指向角或者12dB指向角来表示。

5. 声相仪的角分辨率（°）

声相仪角分辨率是以波束主瓣宽度来量度，通常定义为主瓣的两个零点之间的角度范围，或主瓣半功率点之间的角度范围。小的主瓣宽度给出更好的角度分辨率。

6. 旁瓣抑制（-dB）

由于主瓣以外的第一个旁瓣是所有旁瓣中幅度响应最大的一个，因此用第一个旁瓣的相对于主瓣的高低差来定义其旁瓣级。旁瓣级决定了声相仪对观测方向以外方向上到干扰达信号的抑制能力。

7.阵列增益（dB）

声相仪增益定义为传声器阵列输出信噪比与阵元输出信噪比之比。

8. 信号增强

阵列对正前方向声波测量输出的放大量，即相对于个传声器测量的信号增益，以dB表示。

9. 指向性函数β(θ,φ)

在以声相仪的等效中心为球心的大球面上，不同方位(θ,φ)处的声压幅值p(θ,φ)与最大响应方向上的声压幅值p(θ0,φ0)之比称为声相仪的指向性函数β(θ,φ) 。

10. 声像与视频偏离度（°）

指阵上视频图像与阵列计算所得出的声像图重叠时的偏差，通常以°为单位。阵列需要用一下标准源来校验，该准源为一个无限小声源，且声音强度足够大，可以发出单频（如1kHz）正弦声音和较高亮度的光，声音的频率最好可以在一定范围（如100Hz-10kHz）内调节。

11.响应速度（秒/帧）

声相仪计算一帧声像图所需要的时间，反映声相仪的信号处理速度，能让人眼感觉图像连续变化的速度是40ms。

12. 最大探测距离（m）

声相仪能够取得清晰声像的最远距离，与声源的强度和信噪比有关。

13. 视场虚像率（dB）

视场内出现的最大虚像相对于主声源的衰减量。

14. 全景虚像率（dB）

不涉及视频图像，由阵列声成像所涉及的最大范围内的虚像，相对于主声源的衰减量。

研制单位

目前国内比较先进的声相仪，是由中国科学院声学研究所噪声振动实验室自行研制的声相仪系统。