近场声全息四十年

近场声全息四十年：

对文章“Nearfield acoustic holography: I. Theory of generalized holography and the development of NAH”的回顾

作者：石同阳

有人曾经说过“如果一张图片的信息量是1000个字符，那一个全息的结果包含了1000^（3/2）个字符”。Gabor在光学显微领域首先发现了全息的原则，他通过一束参照光线和未知物体散射光线的相互作用得到了该物体的3D模型。凭借这一发现，Gabor得到了诺贝尔物理学奖。全息的基本理论迅速从显微领域和光学领域渗透到了包括声学在内的其他学科。早期的声全息研究的侧重分析复杂声辐射体、散射体的各种性质。当时研究中遇到的最重要问题是大多数声源辐射的声波波长大于声源本身，这意味着声源重建结果的空间分辨率非常的粗糙，很难从声全息的重建结果中得到声源的细节。这个问题被称为波长分辨率限制。

基于对问题的深入认识，一组研究人员提出了一个突破性想法：不同于光学中的消逝波，声学中的消逝波可以被监测并记录，进而他们提出通过捕捉声源辐射的消逝波去克服波长分辨率的限制，使得声源和散射体的成像在理论上可以达到分辨率无限小。这一发现挑战了已有的全息概念并在声学和物理上做出了重要突破。

图1：两个点声源的全息重建结果。（a）近场声全息；（b）传统长波长全息。来源：J. D. Marynard, E. G. Williams, and Y. Lee, J. Acoust. Soc. Am. 78, 1395-1413 (1985). Copyright 1985 Acoustical Society of America

文章概述

1985年10月，J.D. Maynard, E.G. Williams和Y. Lee在美国声学学报上发表了题为 “Nearfield acoustic holography: I. Theory of generalized holography and the development of NAH” 的代表性文章，介绍了上述新发现的声全息方法。这篇文章在讨论问题范围的广度和具体细节上做到了很好的平衡，并为接下来围绕声全息的各类研究打下了坚实的基础。这篇文章提出了“广义全息”的原理，展示了在全息过程中引入消逝波可以克服波长分辨率的限制，并清晰地介绍了基于积分关系、空间卷积和空间傅里叶变换的通用全息公式。文章中同时也奠定了声全息的理论基石：基于文章的理论，包括声压、质点振速、声强、声辐射强度和声场指向性等声场全部信息均可被估算。文章介绍了该声全息方法在平面、圆柱和球面坐标系下的公式，分析了误差来源，并通过搭建一个256通道的麦克风阵列，展示了该方法在实际应用中的效果。作者们在文章中提供了不同近场声全息重建声源的例子，展示了这一新方法的巨大潜力。

文章影响

文章所介绍的声全息方法得到了广泛的应用，大量诸如声源重建方法、测量设置、传感原理等研究基于这篇文章展开。文章中介绍的方法也被用于各种工程问题，如机舱震动、轮胎与地面的振动耦合、各类电声设备的设计、各类乐器的声辐射。譬如助听器设计的一个挑战是提高助听器的增益，为了做到这一点，必须控制助听器的反馈。Brüel & Kjær通过统计优化的近场声全息方法，识别了助听器造成声音泄露的零件，控制了振动反馈，帮助助听器制造商设计出更好的助听器。除此之外，声全息也被广泛应用于噪声源检查，局部放电检查，NVH优化等相关问题。目前近场声全息可以让研究者更好的表征声学材料的性质、分析复杂室内声场、了解声学超材料设计原理、决定被掩埋物的弹性性质。更重要的是，声全息中推导的各种公式已经被用于诸如声场控制、声场分析与重建等先进领域

图2：声全息在NVH诊断中的应用

这项Maynard, Williams,和Lee的开拓性工作继续在声全息领域起着关键作用，他们提出的方法允许研究者观察到无法通过传统测量或模拟观察的复杂声学现象。在他们文章的最后一段，作者们指出“在同等努力的情况下，全息方法可以最快捷的提供最完整的信息”。这一评价在经历了四十年的考验后依然有效。

原文链接：

Four decades of near-field acoustic holography: The Journal of the Acoustical Society of America: Vol 152, No 1 (scitation.org)

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