聲全息技術的案例
技術評論 | 快速寬帶聲全息技術簡介
<p>像統計最優近場聲全息（SONAH）和等效源（ESM）這樣的近場聲全息（NAH）方法僅限于低頻聲源成像，即平均麥克風間距小于聲波波長的一半，而波束形成（Beamforming）只能在中高頻率下提供有用的空間分辨率。通過適當的陣列設計，這兩種方法可以在同一個陣列中使用。但是，NAH要提供良好的低頻分辨率，需要較小的測量距離，而波束成形則需要較大的距離來限制旁瓣。</p><p><br></p><p>本文提出的寬帶聲全息（Wideband Holography, WBH）方法就是為了克服這一實際矛盾。只需在相對較短的距離內進行<strong>一次測量</strong>，就能獲得覆蓋<strong>全頻率范圍</strong>的單一結果，已申請為HBK專利技術。</p><p class="ql-align-center"><br></p><p>該方法采用<strong>壓縮感知</strong>（Compressed Sensing, CS）原理，假定聲場可以在一組給定的基函數下進行稀疏表示，使用不規則陣列進行測量，通過強制系數向量的稀疏性求解逆問題。本文提出的方法并沒有采用基于系數向量1-范數最小化的正則化方法，而是使用一種促進稀疏性的<strong>迭代求解程序</strong>。迭代法在大多數情況下都能得到非常相似的結果，而且計算效率更高。</p><p><br></p><p>WBH方法在處理分布式聲源（如振動板）有非常好的效果，典型的應用包括發動機或變速箱等，通常無法近距離測量，此時應用WBH會有很好的效果。</p><p><br></p><p>下面是一個實際測試案例，在一個沒有進行聲學處理的普通房間內，兩個4227型 Brüel & Kj?r嘴模擬器間隔12厘米，距離陣列36厘米。兩個聲源由兩個獨立的穩態隨機白噪聲發生器激勵，并調整到相等的聲壓級。
展開 如何使用更少的投入在研發階段進行高級噪聲源識別？
然后，基于聲音信號從聲源到陣列傳播時間的延遲求和波束形成技術，可用于計算噪聲云圖。
這被稱為聲壓貢獻圖。為了進行波束形成測量，需將陣列中的30個傳聲器齊平安裝在反射板上，從而顯著降低了來自背景噪聲的干擾。
聲學攝像機與反射板和平板設備一起使用
聲全息技術的詳細介紹
當必須對特定區域進行詳細調查時，可以將反射板移開，并將陣列放置在距被測設備5cm（傳聲器之間的平均間距）的位置。
在如此近的距離處，陣列傳聲器可以檢測到傳播波和倏逝波的所有振幅和相位信息，從而完整地描述聲場。這就是聲全息技術。
這些技術的有效頻率范圍并未涵蓋噪聲工程師所關注的整個頻率范圍。波束形成的分辨率與聲音的波長有關，因此在高頻下更有效；而聲全息成像可以在低頻下使用，其分辨率由傳聲器之間的距離決定。
然而，對于穩態噪聲，有一種稱為寬帶聲全息的解決方案。對于寬帶聲全息，數據是在距被測設備10cm處的陣列（傳聲器之間平均間距的兩倍）處測得的，該陣列處于聲全息和波束形成的理想位置之間。然后數據將被導入到“陣列聲學后處理”應用程序，用于WBH計算。該專利算法可出色地估計低頻和高頻聲功率值。
波束形成的分辨率與聲音的波長有關，因此在高頻下更有效，而在低頻下可以使用聲全息成像，其解決方案取決于傳聲器之間的距離。
在您的研發項目中結合使用聲學相機
綜上所述，BK Connect聲學攝像機是一款非常有價值的噪聲源識別工具，適合有明確工作要做的中小型企業。其所涉及的行業范圍很廣，包括汽車聲學包供應商，密封條生產商，計算機、泵和電動工具制造商。如果需要，在需要更大陣列時，或在進行額外的后處理（例如，寬帶聲全息，或BK Connect應用程序，如聲品質參數矩陣）時，可增強聲學攝像機的功能。
展開 全息顯示｜解密光場實驗室全息顯示技術SolidLight
CINNO Research產業資訊，長期以來，全息視頻的夢想一直是科幻小說的主要內容——《星球大戰》中R2-D2顯示的萊婭公主形象、《星際迷航：下一代》中的全息甲板，以及《回到未來II》是其中三個典型例子。現在，這種近乎幻想的顯示效果將走進現實，而且其顯示原理一點也不會違反物理定律。實現這一全息視屏顯示的公司叫做光場實驗室（Light Field Lab），它是一家來自美國硅谷的初創公司。該公司開發了世界上第一種真正的全息數字顯示技術。
根據外媒Techhive報道，這個技術它不是2012年在科切拉音樂會舞臺上用來復活Tupac Shakur的技術——這是一種被稱作Pepper's Ghost的顯示技術，已經存在了將近160年，其原理是使用煙霧和鏡子來反射2D懸浮圖像。另外，它肯定也不是三星、索尼、Looking Glass和Stream TV等公司多年來一直在展示的自動立體式3D技術。該技術原理上向用戶的每只眼睛呈現一幅獨立的2D圖像，只要用戶處在正確的位置就可以看到一幅3D影像。不過，這種技術有時會因為視覺輻輳-調節沖突（Vergence-AccommodationConflict）引起用戶的頭暈和惡心，同樣，這一問題也一直困擾著眼鏡式3D設備和頭戴式顯示設備的應用。
展開 電聲案例 | 助聽器開發中的機器人控制聲學全息技術
本圖顯示的3D保形繪圖是將SONAH計算獲得聲音云圖繪制到網格化的CAD模型上的結果
解決方案
GN ReSound傾向于能保證精度和可重復性的自動解決方案，因此選擇了Brüel & Kj?r 項目定制部門提供的基于統計優化近場聲全息（SONAH）技術的交鑰匙解決方案。
使用我們的專利SONAH技術、提供一個機器人整體解決方案，能實現GN ReSound所需要的準確性和可重復性。這個解決方案由三個主要部分組成：持有探針傳聲器的機器人、機器人控制器及LAN-XI模塊、PC工作站。
“采用這一系統，我們能測量聲強”Poul說：“這是我們之前無法做到的。采用SONAH系統，使這一流程可控。你可以使用自動控制裝置將傳聲器放置在某個特定位置上。我們現在可以測量精細網格，之前我們只能分析聲壓。”
配備探針傳聲器的自動控制裝置。探針傳聲器小巧、輕質，適合在靠近聲源的局促空間內測量聲壓
“在采用SONAH之前，我們在助聽器周圍移動傳聲器，以盡可能獲得聲音信息。但是由于這一過程要求精確，因此我們不得不進行大量測試，因此這一方法并不實用。而新方法則更為精確，并能提供更多信息。”
為GN ReSound提供的自動控制系統
SONAH 是什么？
Brüel & Kj?r獲得專利的先進全息技術，可采用比聲源更小的陣列實施測量，且不會出現嚴重的空間窗效應。
SONAH指“統計優化近場聲全息”
它在處理不規則陣列時依舊能實施空間FFT計算
它能實施3D保形繪圖
相比傳統的全息繪圖方法，頻率下限更低
結果
新系統使得聲強精確度達到更高的水準，還能實現小型物體的高分辨率映射。由于系統精確度很高，開發過程所需的時間——包括建模、模擬和驗證——已降低了20%。而且可重復性也提高了。
展開 
手持便攜式聲學相機漢航NTS.LAB ACP系統介紹
實際測量中，一般采用如圖4所示的條件進行遠近場模型轉換，近場球面波模型和遠場平面波模型的主要區別是聲波到達各傳聲器的時間差的計算方法不同，而波束形成的原理基本一致。
NTS.LAB聲學相機模塊的波束形成算法兼顧遠場和近場兩種測量情況，軟件可根據所設置的分析類型自動生成波束形成算法模型，實時高效計算出精確的聲源定位結果。
2.2聲全息算法原理
相比波束形成，聲全息在中低頻具有較好的定位分辨率，它通常在噪聲源近場進行測量，并借助聲場空間變換算法，反演出噪聲源表面和聲場中的聲壓、質點振速等聲學信息，從而形成直觀的聲學圖像；由于近場測量數據中包含了豐富的倏逝波成分，聲全息成像分辨率可達到所分析聲波波長的幾十分之一，從而可以準確地實現噪聲源位置定位和強度量化。自聲全息技術提出以來，國內外學者發展出了空間Fourier變換法、逆邊界元法、Helmholtz方程最小二乘（HELS）法、統計最優法、等效源法等多種聲全息算法。其中基于等效源法的聲全息適用于任意形狀聲源、原理簡明、算法高效，因此得到了廣泛研究和應用。
等效源法的主要思想是：振動體產生的聲場可以由置于該振動體內部的一系列等效源產生的聲場疊加代替，而這些等效源的源強可以通過匹配振動體表面的法向振速或者聲場中的全息面聲壓得到。
展開 激光全息無損檢測技術
近年來，隨著激光技術的發展，全息照相在無損檢測領域中的應用范圍迅速擴大，激光全息無損檢測是在全息照相技術的基礎上發展起來的一種檢測技術，解決了許多過去其他方法難以解決的無損檢測問題。
激光全息無損檢測技術
激光全息無損檢測是利用激光全息干涉來檢測和計量物體表面和內部缺陷的，這種技術的原理是在不使物體受損的條件下，向物體施加一定的載荷，物體在外界載荷作用下會產生變形，這種變形與物體是否含有缺陷直接相關，物體內部的缺陷所對應的物體表面在外力作用下產生了與其周圍不相同的微差位移，并且在不同的外界載荷作用下，物體表面變形的程度是不相同的。用激光全息照相的方法來觀察和比較這種變形，并記錄在不同外界載荷作用下的物體表面的變形情況，進行比較和分析，從而判斷物體內部是否存在缺陷，達到評價被檢物體質量的目的。
具體做法是對被檢測物體加載，使其表面發生微小的位移（微差位移），物體表面的輪廓就發生變化，此時獲得的全息圖上的條紋與沒有加載時相比發生了移動。
展開 噪聲源識別與定位簡介
此性能與傳聲器的布置形式有關。
圖6 動態范圍
截止頻率就是能準確識別信號的最高頻率，越高越好，此性能與陣列張角和傳聲器間隔有關，陣列張角和傳聲器間隔越大，截止頻率越低。
總之，波束成形的優點是可以采集和重構任何類型的表面，陣列可以小于測試件。缺點是只能得到重構的聲壓，沒有聲功率，只適用于遠場，對于低頻的信號空間分辨率差。
近場聲全息（Near Field Acoustic Holography）
聲全息是在光全息的基礎上發展起來的，隨著計算機科技的發展，以計算機數字模擬方式實現的聲全息技術在70年代以后得到了充分發展，并成為實現聲全息技術的重要方法。目前，近場聲全息（NAH）是常用的聲源識別方法，其原理是借助源表面與全息面之間的空間變換關系，由全息面所測聲壓便可重建源面的聲場。如圖7所示。
展開 瞬間制造空心物體，IBM聲音全息3D打印技術專利
全息投影大家可能都聽說過，利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的技術。全息投影技術不僅可以產生立體的空中幻象，還可以使幻象與表演者產生互動，一起完成表演，產生令人震撼的演出效果。
那么這種思路能否用于3D打印中呢？通過全息技術直接制造出一個三維物體，而不再需要像當前的3D打印技術一樣還需要一層一層的去制造物體。
2019年1月7日，南極熊從外媒獲悉，2018年12月20日，IBM申請了一項專利，名為“3D printing on the surface of an acoustic hologram”（在聲音全息圖表面上進行3D打印）。該方法利用聲波發射器陣列生成由聲輻射力（ARF）組成的3D全息圖。 通過聲波駐波， 在聲波相互作用的地方存在不可見的力，并且精確控制波發射器允許定義波相互作用的形狀并因此限定全息圖的形狀。 通過在充滿氣態介質的腔室中產生全息圖，可以用反應材料的液滴噴射全息圖，該反應材料在暴露于氣態介質時凝固。 噴霧結合到聲全息圖的半有形表面并固化成空心殼。
IBM聲全息3D打印機是一項令人難以置信的雄心勃勃的發明，它提供了在一個步驟中制造空心物體的潛力 - 但它真的可能嗎？
在IBM的專利中，聲學全息圖與激光一樣，由一系列整齊排列的發射器產生。通過控制由這些發射器產生的聲波的焦點和范圍，IBM科學家希望創造一種“可觸知”的聲音，可用于對材料施加力和操縱材料 - 想想非牛頓流體的揚聲器+玉米淀粉實驗。
正如專利摘要中所詳述的那樣：“由此產生的全息圖在三維打印區域內創造了一個漂浮在空間中的物體的觸覺錯覺，”
“當3D打印介質應用于全息圖的表面時，介質在全息圖的表面上凝固，以產生待打印物體形狀的空心殼。”
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：模擬 AR 系統中的全息光波導：第二部分
AR 系統通常使用全息圖將光耦合到波導中。本文展示了如何繼續改進本系列文章的第一部分中建模的初步設計。
AR是一種允許屏幕上的虛擬世界與現實場景結合并交互的技術。
本文演示了如何繼續改進在文章模擬AR系統中的全息光波導：第一部分中的系統。
優化系統
從第一部分文章的優化得到的最后系統開始優化，我們需要進一步提高其光學性能。首先，讓我們收緊規格參數：
設置入瞳直徑 = 4 mm
放大 FOV 到 +/- 8度
使波導薄于6 mm，如下所示
這時，你會發現當我們試圖收緊設計參數時，設計將會變得不切實際。為了解決這個問題，我們需要限制設計參數，以確保光線遵循滿足物理意義的路徑。我們將使用評價函數中的相關操作數強制執行以下 3 個條件：
當光線應該在波導內部時，它們不能在波導外部傳播
光線不能到達全息面的后方
光線必須從波導管的頂部射出而不撞擊側面
為了便于優化，我們首先在表面 13（設置材料為PMMA）之后添加一個虛擬面。這個曲面將被用作一個參考曲面，以確保系統的幾何形狀是正確的。接下來，在表面 17 的波導出口之后添加一個坐標間斷面，然后將現有的表面厚度剪切并粘貼到新的坐標間斷面厚度，這個新表面將用于傾斜像面。
為了更清晰地觀察系統視圖，對表面 14 的表面屬性 (Surface Properties) …繪圖 (Draw ) 做如下更改：
與此同時，為了實現我們的目標，我們可以在設計中加入更多的變量，讓設計更加自由。
展開 智能座艙聲振建模技術：HVAC噪音傳播與多孔吸聲材料
然而，包括機艙屬性在內，聲輻射更加復雜，因為它現在包括反射和吸收。
自由場（左）和機艙（右）的聲學傳播
過去的研究表明，將聲學和流動分開求解的混合方法可以提供比其他參考解決方案更具代表性的結果。使用這些技術，我們可以看到，在我們期望駕駛員耳朵的區域，安裝條件可以提供超過10
dB
的聲級。因此，一旦安裝，包括傳播中的座艙屬性，將對
HVAC
噪聲預測產生重大影響。
駕駛員位置的自由場和安裝的聲音水平
Simcenter 3D
現在還支持具有異質流體結構域的模型。這意味著可以將座椅和其他吸收的表面建模為重空氣或真實的多孔材料，而機艙的其余部分則以常規的空氣流為模型。
綜述
CFD和聲學耦合仿真為HVAC致機艙噪聲問題提供了一種解決方案，并通過優化的源建模和數據傳輸，同時將流量和聲學角色保持在自己的平臺上。可以有效地考慮機艙性能，而無需增加CFD解決方案的開銷。'
原文來源于SIEMENS博客，作者Korcan Kucukcoskun和Jonathan Melvin
展開 ZEMAX軟件技術應用專題：模擬 AR 系統中的全息光波導：第一部分
AR系統通常使用全息圖將光耦合到波導中，從而將光從顯示引擎傳輸到佩戴者的眼睛。本文演示了如何在OpticStudio中使用全息圖表面作為平面波導結構內的耦合器。
增強現實 (AR) 是一種將在屏幕上的虛擬世界與現實世界的場景結合并交互的技術。本文演示了如何利用全息技術在序列模式下建立一個用于增強現實的光學系統。
增強現實系統和全息圖
全息圖是記錄在高分辨率感光乳劑上的干涉圖案。全息系統的使用中存在兩個不同的階段：構造階段和重構階段，分別適用于全息圖的構建和作為光學元件的使用。有關該主題的詳細內容，請參考文章：“如何在 OpticStudio 中建模全息圖”。
在普通的AR系統中，光通過全息圖耦合到波導中，從而將相關信息從顯示器傳輸到眼睛。波導的優點是它很大程度上是透明的，不會阻擋來自現實世界的光。在這篇文章中，我們將指導您使用嵌入PMMA材料的反射全息圖來建模一個簡單的AR設計。
規格和設計策略
我們將從一個簡單的設計開始，然后進一步完善系統。初始規格是：
出瞳距離= 15mm
瞳孔直徑= 3mm
FOV = 10度
波導厚度= 10mm
光線將通過全息圖耦合到波導中。全息圖將被嵌入到PMMA材料中且出口面將會傾斜45度。
根據程序的實際工作方式，系統會被“反向”建模。現實中（物理系統中），AR系統的光源是微顯示器，而成像平面將是人眼的視網膜（AR系統的出瞳和人眼系統的入瞳將被放置在同一位置）。但為了在OpticStudio中準確建模且有效優化系統，物理系統的出瞳被定義為在OpticStudio中建模系統的入瞳，而微顯示器被視為系統的“像平面”。因此，本文中任何光線都是按照在OpticStudio中建模的方式來描述的。
展開 
基于全息技術的平視顯示器：更方便飛行員或駕駛員觀看！
研究人員在美國光學會雜志《Applied Optics》上，展示了一種平視顯示器功能原型，它采用全息光學元件實現的眼動范圍，比沒有全息元件的眼動范圍要大很多。研究人員稱，他們的方案可以在幾年之內轉化為商用產品，也會用于增加顯示面積。
論文的第一作者，Blanche 實驗室的博士生 Colton Bigler 表示：“在傳統的平視顯示器中，增加眼動范圍或者顯示圖像，需要增加投影光學器件、中繼鏡（ relay lenses）以及所有相關光學器件的尺寸，這樣會占據儀表盤過多的空間。而我們使用全息技術，不是依賴傳統的光學器件，而是制造出一種超薄的光學器件，最終可以直接應用到擋風玻璃上。”
技術
激光相互作用，可用于制造全息圖像，防止信用卡偽造。然而，同樣的技術也可以采用光敏材料，來制造透鏡和濾鏡等光學元件。這些全息元件不僅比傳統光學元件要小，而且可以大規模量產，因為它們易于制造。
對于新型平視顯示器來說，全息光學元件可以將光線，從小型圖像重定向到一片玻璃上。光線局限在那里，直到到達另一個全息光學元件中，這個全息光學元件會提取光線。提取出的全息圖像，代表了更大的眼動范圍上的可視圖像，其尺寸比原始圖像要更大。
下圖所示：這種新型平視顯示器使用全息光學元件將圖像注入到玻璃或者波導中（左）。光線進入玻璃并在前后邊緣之間來回反射，直到它到達另外一個全息元件，該全息元件會提取每次反射中少部分離開玻璃的光線（右）。提取出的全息圖像創造出一個可視圖像，每次反射都按比例地增加了圖像的眼動范圍。
（圖片來源： Pierre-Alexandre Blanche / 亞利桑那大學）
價值
Blanche 表示：“我們正在與霍尼韋爾合作開發的用于航空器的顯示器，就像在汽車中使用的那些一樣簡單。我們方案無需昂貴的實驗設備以及開發新材料。
展開 吸聲降噪技術：多孔性吸聲材料的流阻
圖2 流阻率與材料容重以及纖維直徑的關系
有了計算流阻率的經驗公式以后，我們就可以通過材料的容重和纖維的直徑這兩個很容易獲得的參量來進行多孔材料流阻率的估算，進而再由流阻率計算得到多孔性材料的吸聲系數頻譜曲線。
上式中還有兩個系數K1和K2，表1中給出了不同材料以及不同纖維直徑范圍，K1和K2的取值。
表1 流阻經驗公式中的K1和K2系數取值
表2中給出了按照上式計算的玻璃纖維棉在不同容重和不同纖維直徑下的流阻率的結果。從中可以看出，常用的吸聲性能較好的容重為24kg/m3和32kg/m3的玻璃棉，其流阻率正是位于圖1中所反映的 (8~18)*103Pa·s/m2流阻率區間內。
表2 玻璃纖維棉的流阻率計算結果
我們再以10cm厚的Basotect三聚氰胺泡沫為例，先通過上式計算流阻率，然后再由流阻率計算吸聲系數。圖3中給出了最終計算得到的吸聲系數和用駐波管測量得到的吸聲系數的對比，看到這兩根曲線的吻合程度，是不是有種要把你家的駐波管再打幾個孔改裝成笛子吹，再也不用它來測吸聲系數的感覺？
圖3 經驗模型和實測的三聚氰胺泡沫吸聲系數對比
圖4中我們給出了三聚氰胺泡沫在不同流阻率情況下，吸聲系數頻譜的變化特征。從圖中可以清楚地看出，三聚氰胺泡沫在流阻率為20*103Pa·s/m2附近，吸聲性能曲線達到最佳，由此我們可以更加清楚地理解Basotect三聚氰胺泡沫參數優化在該點的道理。
展開 新發現 | 當小米10手機遇見BK Connect聲學攝像機
在今年小米10系列手機發布會上，小米雷總向大家介紹了小米10 Pro的對稱式雙揚聲器，分別位于頂部和底部，能夠給用戶帶來沉浸式立體聲感受，特別是玩游戲和看大片時。
發布會中，小米展示了使用
BK Connect聲學攝像機拍攝的對稱式立體聲聲場圖。
在下圖中，最左側是小米10 Pro的聲場圖，頂部和底部的兩個顏色區域代表揚聲器發聲的位置。
雷總是如何通過
聲學測試來揭示MI10 Pro這個對稱式立體聲呢？
這就是在發布會上出現的“黑科技” ——
BK Connect聲學攝像機，它是由30個麥克風組成的陣列，是一個用于實時噪聲源識別（NSI）的完整系統，利用波束形成和聲全息技術進行聲源成像，可用于穩態和非穩態測量，既可以固定在三腳架上，也可以手持式邊走邊測，非常適合于
NSI故障排查、異響（BSR）檢測和高頻聲泄漏檢測等。
展開 利用全息3D打印技術，「Prellis」想讓“打印器官”在5年內可用
近日，總部位于舊金山的3D組織打印公司Prellis Biologics宣布，它們的打印技術在速度和分辨率上取得了突破性進展，可以打印出功能性毛細血管來構建人體組織，并預計在未來5年內可以將打印人體替代器官產品推向市場。
Prellis 全息3D打印（圖片來源：Prellis官網）
毛細血管的重要作用是讓血液與組織之間進行氣體和物質交換，是構建人體組織必不可少的關鍵部分。而如何構建可用的毛細血管，已經成為目前人體組織工程學的核心難題。
就3D打印方法來說，具體難點包括打印速度、打印精度兩塊。
打印速度。細胞在沒有血液供應的情況下存活時間非常。除非通過毛細血管立即提供氧氣和營養物質，否則由細胞密集填塞的組織將在不到30分鐘內死亡。
打印精度。毛細管的直徑在5微米到10微米之間（人的頭發為75微米到100微米），需要極高的打印精度。
目前，打印毛細血管構建人體組織單元需要幾周或更長時間。Prellis的方法是使用基于激光的全息打印技術，其分辨率可以達到0.5微米，速度比傳統方式快1000倍。
Prellis的聯合創始人兼首席執行官Matheu博士表示：“我們所能達到的速度僅受光學系統配置的限制。我們正在探索定制光學系統的開發，這將大大提高我們的能力。我們的最終目標是在12小時或更短時間內打印腎臟的整個血管系統。”
Prellis估計，由于需要人體組織和器官替代替代品，以及用于藥物發現和毒理學測試的人體組織，全球組織工程市場到2024年將達到940億美元，高于2015年的230億美元。
3D 打印在生物醫療方面的應用已不鮮見。
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