以上我們提到了來自不同方向的聲源對應(yīng)于一組唯一的時延，反之，每組時延指向唯一的一個聲源。于是乎，利用聲波時延和聲源位置這種一一對應(yīng)的關(guān)系，我們可以通過對接收到的各路信號先進行時延補償然后相加，逐點計算出空間聲音強度的分布圖。在這類應(yīng)用中，麥克風(fēng)陣列可以被視作“聲學(xué)照相機”（Acoustic Camera）。不過，普通照相機的鏡頭聚焦的是光波，而聲學(xué)照相機的麥克風(fēng)陣聚焦的是聲波。

圖5. 矩形（左圖）和螺旋形（右圖）麥克風(fēng)陣列計算得到的聲強空間分布。螺旋形麥克風(fēng)陣列準確無誤地檢測到三個聲源，矩形麥克風(fēng)陣列在檢測到三個真實的聲源的同時參雜了多個真實世界中不存在的虛假聲源。

聲學(xué)照相機圖像的分辨率和麥克風(fēng)的數(shù)量和陣列的形狀密切相關(guān)，一般來講，麥克風(fēng)越多，分辨率越高。而分辨率和麥克風(fēng)陣列形狀的關(guān)系就比較復(fù)雜，除了十字形、矩形陣列和分辨率有簡單的解析關(guān)系，其他形狀陣列和分辨率的關(guān)系不是一目了然的。十字形、矩形陣列結(jié)構(gòu)簡單，易安裝；螺旋形的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是數(shù)學(xué)上可以證明螺旋形的性能是最優(yōu)的。圖5顯示分別用矩形（左圖）和螺旋形（右圖）麥克風(fēng)陣列計算得到的聲強空間分布。雖然麥克風(fēng)的數(shù)量相同，螺旋形麥克風(fēng)陣列的結(jié)果明顯比矩形的好。螺旋形麥克風(fēng)陣列準確無誤地檢測到三個聲源，而矩形麥克風(fēng)陣列在檢測到三個真實的聲源的同時參雜了多個真實世界中不存在的虛假聲源。圖6是韓國SM Instruments 公司的螺旋形麥克風(fēng)陣列。

圖6. 韓國SM Instruments 公司的螺旋形麥克風(fēng)陣列（韓國SM Instruments公司提供）

在聲學(xué)照相機問世前，人們用聲全息（Near-Field Acoustic Holography）測試噪聲強度在空間的分布。和聲學(xué)照相機相比，聲全息通常要求麥克風(fēng)的陣列的面積至少和被測的物體的表面一樣大。另外，聲全息要求麥克風(fēng)和被測物體間的距離必須足夠?。ㄍǔＴ?0厘米以內(nèi)），然而，在波音的應(yīng)用中，被測飛機通常在麥克風(fēng)陣列上方150米左右。所以聲全息無法滿足波音的需求。聲全息的優(yōu)點是它低頻段的分辨率是固定的，不隨頻率而變；而聲學(xué)照相機，頻率越低，分辨率越差。

由于麥克風(fēng)陣列聚焦的功能，除了聲學(xué)照相機，它也被廣泛用作空間濾波器，增強來自指定方向的聲波。如今，許多視頻或電話會議的設(shè)備（包括微軟的Vista和XP等純軟件產(chǎn)品）都具有麥克風(fēng)陣列的功能。在那些應(yīng)用中，麥克風(fēng)陣列用來增強來自發(fā)言者方向的聲波，抑制所有其他方向的干擾。用聲學(xué)照相機得到是二維的聲強分布圖像，而以麥克風(fēng)陣列為基礎(chǔ)的空間濾波器的輸出通常是一維的聲音信號。

應(yīng)用案例：至今為止，聲學(xué)照相機主要被用于鑒別噪聲源的位置。除了在本文開頭介紹的用于分析飛行中飛機發(fā)出的各類噪聲，聲學(xué)照相機也被成功地用來研究行駛中汽車、電力機車、磁懸浮列車的噪聲。圖7顯示了行駛中保時捷911的測試結(jié)果，在這個實驗中車速超過四十英里。通常人們以為飛速行駛中汽車的噪聲主要來源于發(fā)動機和排氣管，但是聲學(xué)照相機產(chǎn)生的圖像卻告訴我們，車輪和地面摩擦產(chǎn)生的噪聲要遠遠大于汽車其他部位發(fā)出的噪聲。保時捷911是后輪驅(qū)動，發(fā)動機在后備箱內(nèi)，車的重心偏后，因此后輪和地面磨擦產(chǎn)生的噪聲將遠比汽車其他部位產(chǎn)生的噪聲強。

圖8. 瑞典Sound View公司的工程師用兩列平行的麥克風(fēng)陣在西德拉登市分析運行中的磁懸浮列車產(chǎn)生的噪聲（瑞典Sound View公司提供）
圖8和圖9分別顯示了在西德拉登市（Lathen, Germany）和韓國檢測磁懸浮列車噪聲的現(xiàn)場。西德的麥克風(fēng)陣列由兩列平行的麥克風(fēng)組成，而韓國用的是十字形的麥克風(fēng)陣。雖然螺旋形的麥克風(fēng)陣有比較好的分辨率，但是安裝比較困難，因此在許多應(yīng)用中工程師還是傾向于選用結(jié)構(gòu)簡單的方形或十字形陣列。

圖9. 韓國用十字形的麥克風(fēng)陣分析運行中磁懸浮列車的噪聲（韓國SM Instruments公司提供）

聲學(xué)照相機除了被廣泛用來分析運行中汽車、磁懸浮、飛機產(chǎn)生的噪聲，近年來也被用到家電和其他的行業(yè)。以下就是對車用空調(diào)噪聲源定位的應(yīng)用。

圖10. 聲學(xué)照相機產(chǎn)生的圖像顯示，噪聲主要來自于傳動皮帶

三電（上海）汽車空調(diào)有限公司是國內(nèi)主要汽車零部件供應(yīng)商，其主要產(chǎn)品和業(yè)務(wù)是壓縮機和車用空調(diào)的組裝，客戶包括上海通用汽車、上海大眾和東風(fēng)標致等國內(nèi)外知名汽車企業(yè)。過去三電用單一麥克風(fēng)測試空調(diào)系統(tǒng)噪聲等級。雖然總體的噪聲水平符合標準，但是有用戶反映壓縮機部分噪聲太大。于是三電用聲學(xué)照相機測試，結(jié)果顯示，壓縮機的噪聲并不大，用戶聽到的噪聲主要來自于傳動皮帶（見圖10），在某些頻段傳動皮帶產(chǎn)生的噪聲的能量相當(dāng)可觀。在測試中，工程師還聽到類似口哨的嘯叫，嘯叫的頻率被確定為2.38 kHz左右，但是找不到嘯叫的聲源。用聲學(xué)照相機，工程師馬上發(fā)現(xiàn)，嘯叫來自于制冷管道的接入部分（見圖11），而非壓縮機。上述的檢測結(jié)果都說明壓縮機的質(zhì)量是合格的。三電對此分析十分滿意，認為分析的結(jié)果對于他們今后設(shè)計實驗平臺非常有價值。

圖11. 2.38 kHz的嘯叫聲來自于制冷管道的接入部分（美國國家儀器有限公司的虛擬聲學(xué)照相機的分析面版）

虛擬聲學(xué)照相機：和其他傳統(tǒng)的測試和測量不一樣，對于不同的檢測對象，所需的麥克風(fēng)的陣列和相應(yīng)軟件要求的差異可能會很大。通常，被測頻率越低，麥克風(fēng)陣的尺寸就越大：如果被測物體靜止不動（比如空調(diào)系統(tǒng)），分析軟件就相應(yīng)比較簡單；假如要測試運動中的汽車和飛機，那么系統(tǒng)就必須具備精確跟蹤運動中汽車和飛機位置以及多普勒效應(yīng)校正的功能。雖然目前有幾家歐洲的聲學(xué)公司提供傳統(tǒng)形式、性能不可更改的聲學(xué)照相機，但是具有一定編程能力的用戶還是鐘情于比較靈活的基于PC的所謂的虛擬聲學(xué)照相機。和其他聲學(xué)照相機供應(yīng)商不同，美國國家儀器有限公司（簡稱NI）的聲學(xué)照相機是以 PXI系統(tǒng)和LabVIEW為平臺的可擴展的虛擬儀器。用戶可以直接用NI預(yù)設(shè)的功能完成簡單的測量（比如空調(diào)系統(tǒng)），也可以方便地添加自己需要的功能從而完成非常復(fù)雜的測試（比如行駛中的保時捷911、磁懸浮和波音飛機的噪聲分析）。用戶不僅可以用NI的聲學(xué)照相機發(fā)現(xiàn)噪聲源，還可以用它重放來自用戶指定的聲源發(fā)出的聲音。和其他廠家性能不可更改的聲學(xué)照相機相比，NI的虛擬聲學(xué)照相機更是具備了靈活和高性價比等諸多優(yōu)點。

選擇應(yīng)用聲學(xué)照相機時的主要考慮之一是麥克風(fēng)的成本，其實，聲學(xué)照相機對麥克風(fēng)的要求并不高。用戶完全可以用類似手機上的普通麥克風(fēng)替代昂貴的測量用標準麥克風(fēng)。圖12顯示由巴西圣卡特瑞納聯(lián)邦大學(xué)聲學(xué)和震動實驗室（Federal University of Santa Catarina Florianópolis, SC, Brazil）設(shè)計的用于聲學(xué)照相機的簡易麥克風(fēng)，這種麥克風(fēng)的核是每個不到兩塊美金的Panasonic’s Electret Condenser Microphone (WM-61A)。圖13是簡易麥克風(fēng)的電路圖。

圖12.巴西 圣卡特瑞納聯(lián)邦大學(xué)聲學(xué)和震動實驗室（Federal University of Santa Catarina Florianópolis, SC, Brazil）設(shè)計的用于聲學(xué)照相機的簡易麥克風(fēng)

圖13. 簡易麥克風(fēng)電路圖

展望：從波音公司首次將聲學(xué)照相機成功地用于早期波音777的噪聲研究到今天短短五年里，聲學(xué)照相機的應(yīng)用對象已經(jīng)從昂貴的大型客機迅速地擴展到小型的車用空調(diào)系統(tǒng)。但是要進一步推廣，工程師卻將面臨許多挑戰(zhàn)，比如圖像的分辨率和產(chǎn)品的標準化。然而，隨著人類對生活品質(zhì)要求的日益提高，各國對聲學(xué)照相機研發(fā)的投入也越來越大，相信不久的將來聲學(xué)照相機的應(yīng)用一定會更廣泛，讓我們的社區(qū)更安靜。

作者簡介：
錢世鍔：
NI信號處理資深架構(gòu)師，主要工作包括數(shù)字信號處理算法的研究、LabVIEW工具包的開發(fā)以及信號處理相關(guān)應(yīng)用的技術(shù)支持。在過去的近二十年里，他曾和多個國際著名研究機構(gòu)和公司合作解決了無線電、雷達、聲納、聲音與振動、地震、生物工程等領(lǐng)域里降噪和特征提取等問題，和他的同事在國際權(quán)威信號處理期刊上聯(lián)合發(fā)表了十五篇論文。1996和2000先后兩次和世界最大的教育出版社Prentice Hall合作出版了兩本時頻聯(lián)合分析和小波分析方面的英文專著。由于在時頻聯(lián)分析方法和應(yīng)用方面的獨創(chuàng)性工作，他和他的同事陳大龐博士共同被 IEEE Signal Processing Magazine 聘為其1999年3月時頻聯(lián)合分析特刊的特邀編輯。目前，錢世鍔和他的同事們在美國、歐洲和日本共擁有17項信號處理方法的專利。