声学照相机发明背景、工作原理及其应用案例

近年来，随着人类对环境噪声的重视，世界各发达国家纷纷制定了民航机起飞和降落时的噪声标准。由于其优良的噪声指标，九十年代中期推出的波音777成了许多远程航线的首选。虽然1995年进入国际航空市场的波音777已经达到了所有设计目标，但是不久人们发现，在起飞和降落期间它时常会发出类似口哨的啸叫，啸叫的频率很快被测定为2000赫兹左右，然而波音公司的工程师却一直无法确定啸叫来自何处？飞行中除了巨大的发动机以外，飞机上其他各种部件的振动以及机身和空气的摩擦都会产生噪声，要将如此复杂的噪声源从一个高速飞行的物体中一一分解出来，困难是可想而知的。波音公司的工程师无奈地将这种啸叫称作“神秘的两千周”(“2000-hertz mystery tone”)。

图1. 波音777主机翼的前沿有一排小孔。在寒冷的环境里，穿过小孔的气流将被加热，然后在机翼内循环以防止潮气在机翼上结冰（摘自“Commercial Aviation and the Environment”，Boeing，2005）

六年后2001年秋天，波音的研究人员把广泛应用于无线通讯的智能天线的原理推广到音频，用数百个麦克风在机场的跑道上布设了直径达150英尺的螺旋形的麦克风阵列来记录飞越上空的波音777发出的噪声。反复试验的结果表明2000赫兹的啸叫来自两翼的前沿。波音777主机翼的前沿有一排小孔（见图1），在寒冷的环境里，穿过小孔的气流将被加热，然后在机翼内循环以防止潮气在机翼上结冰。根据麦克风阵列检测的结果和对机翼结构的分析，波音的研究人员怀疑神秘啸叫的“罪魁祸首”是那两排小孔。当迎面而来的气流穿过形状和排列整齐的小孔时，犹如人们吹笛子一样，气流和机翼产生了2000赫兹的共振。为了证实这个猜测，声学专家斯多克（Rob Stoker）说服了波音公司有关部门，用胶带将一个机翼前沿的小孔全部封上，然后再比较两个机翼前沿的噪声强度。

图2. 一侧机翼前沿的小孔封上后2000赫兹的啸叫几乎完全消失了（摘自“Sound camera' silences a mystery”, Boeing Frontiers, March 2004, Volume 02, Issue 10）

图2显示的是一侧小孔封上后的测试结果。如斯多克预测，一侧机翼前沿的小孔封上后2000赫兹的啸叫完全消失了。波音的工程师终于解开了困扰他们多年的迷！根据麦克风阵列检测的结果，波音的设计师重新设计了机翼前沿防冻小孔的形状和排列。改进后的波音777-300ER系列彻底消除了那“神秘的两千周”的啸叫。

图3. 成功后激动的波音声学专家斯多克先生

麦克风阵列在波音飞机上成功应用的故事很快被流传到欧洲的空客和世界其他的飞机制造公司。如今，麦克风阵列不仅被用来研究飞机、汽车上的噪声源，而且还被用在潜水艇、建筑和家电等行业的噪声研究中。

以下本文将简单介绍麦克风阵列的原理、应用实例以及应用中常见的一些问题。为了让非专业的读者能够尽可能全面地了解这个新兴的技术，本文将尽量避免使用专业词汇和数学公式，于是有些假设可能会显得过于理想，有些解释可能会显得过于简单。

检测原理：图4是波音公司测试的示意图。圆圈内的黑点代表麦克风。红线代表声波从声源s(t) 到麦克风的传递路径。由于声源和各个麦克风间的距离不相等，每个麦克风接收到的声波有不同的时延ti（在频率域称作相位差），数学上可以大致描述成xi(t) = s(t-ti)+Ni(t) , 这里xi(t) 和 Ni(t)分别代表第i个麦克风接收到的信号和均值为零的干扰。因为麦克风阵列的结构和声音的传播速度是已知的，于是对空间每个位置上的声源，我们都可以用中学的三角和几何知识解出一组对应的时延 {ti }。假如对每个麦克风接收到的信号xi(t)分别补偿ti（也就是xi(t+ti)），将来自声源的声波对齐，然后把所有M个补偿后的信号xi(t+ti)相加，最后，得到干扰趋于零的（因为干扰 Ni(t)的均值为零）增强了的声波Ms(t)。

图4. 波音公司测试示意图