文章来源：“中国激光杂志社”公众号

哈尔滨工程大学单明广教授在《激光与光电子学进展》发表题为“数字全息声场成像测量技术综述”的综述文章被选为61卷24期封面。论文从基本原理、当前主要测量方法和声场相位恢复方法三个方面对数字全息声场测量技术展开介绍和分析，并对数字全息技术在声场测量中的应用前景进行了展望。

背景

声场测量是对声学特性不可见时空分布的可视化，是解决声音工程应用问题尤其噪声问题的有效工具，已成为声学测试领域的研究热点及技术难题。目前，麦克风阵列技术是声场测量的主流，但其侵入性会干扰待测声场，影响测量准确性，且受物理尺寸所限，不仅分辨力低，且难以适用于近场及狭小空间。相比之下，光学声场测量技术凭借非侵入性优势日益受到关注，但仍面临多重挑战。随着声场测量需求增长，亟需一种更实时、精确且能直观展现声波传播状态的新技术。数字全息技术由于具有分辨力高、全场非接触、数字自聚焦、像差数字自补偿等能力，已被广泛应用于多个测试领域，并被不断拓展至新的领域。近些年来，随着高速相机的发展，数字全息技术也已逐渐在声场成像测量领域展现出巨大的潜力。

数字全息声场测量方法

数字全息声场测量技术是通过光学干涉原理获取蕴含声场信息的全息图序列，并运用数值重建处理技术将其转化为直观可视的视频图像。该技术依赖于声光效应，具备高的空间分辨力，且测量精度不受声场频率影响，特别适用于低频声场测量。从光路结构来看，数字全息声场测量方法可分为分光路和共光路两大类。

图1 分光路离轴数字全息声场测量方法

共光路数字全息相较于分光路技术，因物光与参考光路径高度重合，展现出单光束探测优势，系统更为紧凑稳定，有效弥补了分光路的不足。特别是共路离轴数字全息，可充分利用相机帧频，实现高速采集成像。单明广等提出了一种光栅离焦共路离轴数字全息声场测量方法，不仅结构紧凑稳定，还极大简化了调整流程，契合了声场快速稳定成像测量的需求。

图2 共路离轴数字全息的声场测量方法

数字全息声场相位恢复方法

相位恢复是数字全息声场测量中的关键环节，但传统方法常逐帧进行，易受背景相位干扰导致相位包裹，增加了计算负担。为此，Yatabe等提出时间方向滤波法，通过相邻两帧包裹相位差分来抑制背景相位。

图3 时间方向滤波法流程

针对离轴数字全息声场相位的重建，单明广等提出一种时间定向相除法，与时间方向滤波法相比，有效解决了时间方向滤波法帧间相位差恢复过程分离造成的约束多问题，同时极大地降低了计算负担。

图4 时间定向相除法流程

数字全息声场测量技术的应用

作为一种前沿技术，数字全息声场测量正逐渐显现其在多领域的应用潜力。Rajput等巧妙地将这一技术与光学图像加密技术相融合，实现了音频信息的光学加密保护。

图5 音频加密结果。（a）数字全息记录的音频信息；（b）与图（a）对应的频谱图；（c）加密后音频信息；（d）与图（c）对应的频谱图

Ishikawa等采用数字全息声场测量技术，对乐器的发声机制进行了研究。Ishikawa等利用数字全息声场测量技术，对哨子产生的气流及其伴随的声场进行了成像分析。Yoshida等运用并行相移数字全息技术，对水下声场进行了可视化测量。Yatabe等结合数字全息声场测量技术与计算机断层扫描技术，实现了空间三维声场的重建。

图6 响板的成像结果。（a）敲击瞬间；（b）敲击2ms后

总结与展望

数字全息技术以其非侵入、高分辨力定量成像的独特优势，在声场测量中展现巨大潜力。它能精细捕捉声场，实现可视化与三维重建，为航空航天、噪声控制、乐器设计、水下探测等领域带来技术支持。为推动这一技术进一步发展，声学与光学专家需紧密合作，深化理论研究，加强实践探索。

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