声学相机的原理和应用
对我们的耳朵来说，听到各式各样的声音理所当然，但让眼睛观察声音，似乎就有点“强眼所难”了。更不用说有些声音甚至人耳也难以听到。但在现代科技的加持下，看见声音成为现实 - 声学相机让声音不再隐秘，以前无法想象的细节尽在眼前展现。
什么是声学相机
声学相机（Acoustic Camera，也被称为声像仪、声学摄像机等）的概念首次出现在 19 世纪末期，由生理学家 J.R.Ewald 研究内耳功能时提出。它是一种用于分析、定位和可视化声源的设备，不仅可以让人知道声音来自哪里，还可以进一步展现声音的特征。
完整的现代声学相机通常由麦克风阵列、摄像头和显示设备构成。麦克风采集声音，经处理后以不同颜色的光斑和摄像头拍摄的画面叠加（投影）并在显示器中显示。
工作原理是什么
我们可以将自己的耳朵与麦克风类比。
声音以声波的形式传播，因为头部的存在，它到达左右耳的时间存在细微时间差，我们便能依此判断声音来自何处。
我们需要至少两只耳朵或两个麦克风才能定位声音 - 声学相机比耳朵更精确，它通常包含 64 至 1024 支组成特定阵列的麦克风。
从麦克风的测量数据中获取声学图像的一种常见方法是使用波束形成（beamforming）技术：通过相对延迟每个麦克风信号并将它们相加，将特定方向的信号放大，而其它方向的信号削弱。之后计算信号功率，并在与方向对应的屏幕像素上绘制出能量图。
波束形成体现的是声信号的空间选择性，主要应用于让麦克风专注于采集你想听到的声音。多支麦克风组成一个阵列，来自这些“相控阵麦克风”的信号通过处理，实现麦克风对一个或多个方向的声音更敏感的效果。
发展
直到几年前，声学相机都还只在大型企业出现，因为这些专业工具非常昂贵，维护成本也非常高。但随着 MEMS 数字麦克风和人工智能等软硬件的跨越式发展，声学相机的成本大大降低。更低价格和更高质量的声学相机在市场上涌现。
声学相机的应用场景宽泛，这里只介绍最常见的应用。
声音定位
声音定位就是找到声源，这是声学相机存在的根本意义。
大多数情况下，我们都是要找到那个令人讨厌的不该存在的声音。它可能是建筑物内部或外部的噪声，又或者来自产品的某个部件。
我们需要根据声音频率选择不同类型的声学相机。低频下，声波很长，一般需要大尺寸麦克风阵列；在较高的频率范围内，较小的麦克风阵列也能很好地工作。
另一个区别是我们希望在何处和如何使用声学相机进行测量。比如某些声学相机只有传感器部分，始终需要连接计算机，并通过计算机软件进行复杂的测量和计算。
也有自带屏幕的便携设备，开机即用，适合现场快速测量。
噪声监测
噪声监测与声音定位类似。它主要用于城市等繁忙地区。不同之处在于，噪声监测是一个持续的过程。
一个城市总会在某个时刻变得更嘈杂，比如上下班高峰期。我们在周一下午 5 点测得的噪声与周六凌晨 1 点肯定有天壤之别。只有持续监测才能了解宏观的噪声情况。
在城市环境和高速公路上，交通引起的噪声污染也相当严重。通过声学相机，市政或环保部门可以绘制噪声分布图，并根据这些数据采取行动，使城市更加宁静。
此外，声学相机还能让超过标准的嘈杂车辆无处遁形。
噪声投诉
人们最常抱怨的噪声之一就是暖通空调系统（HVAC）产生的噪声。在拥挤的住宅区，许多家庭和公寓楼都安装了多个 HVAC 设备。HVAC 噪声可能源于各种因素，如安装维护不当、设备老化、零件故障、隔声不足或系统设计不当等。找到原因可能需要花费很长时间，因为需要检查很多 HVAC 设备。声学相机可用于检测哪个 HVAC 设备正在产生噪声，甚至更具体地说 - 需要修复哪个部件。
环境噪声
暖通空调系统并不是人们在日常生活中要处理的唯一噪声污染。在美国，56% 的噪声干扰来自邻居和交通。关上窗户很容易，但如果这不能止住噪声呢？声学相机可以用于检测门窗和外墙的泄漏情况。当你知道房子里的一个角落或窗框漏风并让噪声进入家中时，解决问题也可以轻松些了。
减少局部放电和气体泄漏
工业场地管道中的气体和气体泄漏不仅给维护人员带来诸多困扰，更造成大量能源浪费。传统的检修方法是喷洒特定气体/液体并观察其流动情况，从而判断泄漏位置。而声学相机一次就可以进行大范围的扫描并明确标识泄露位置甚至计算泄露情况，节约大量时间和成本。任何具备基本的移动设备操作技能的人都能进行作业。
类似的场景当然也出现在高压输电线路的巡查之中。
声行为
这个应用可能听起来有点奇怪，但实际上非常有趣。声音行为是指在特定环境中观察和分析声音传播模式。通过研究声音行为，我们可以获得有关声音是如何反射、传播和被吸收的。
声音行为的研究可以应用于许多领域，包括建筑设计、产品设计等。通过了解声音在不同环境中的行为，我们可以选择合适的材料和布局，以优化声学效果，确保良好的音质和听觉体验。通过研究声波如何在一个产品表面运动，可以更进一步优化产品设计。
智能体育场中的球迷互动
此外，还有一个更有趣的应用：智能体育场。通过声学相机观察体育场内球迷的行为并进行互动。例如，可以显示某个区域的声音有多大，并让球迷相互比拼。或者可以将照明系统与声学相机互联，让声音最大的球迷处在聚光灯下，成为真正的焦点。
结论
声学相机是一种强大的工具，用于可视化声音，并定位声源。它们有许多应用领域，包括声音定位、声音监测和声音行为的研究。无论是产品开发、建筑设计、还是城市规划，声学相机都能提供有用的见解和数据。相信随着技术的进步，声学相机将变得更加易用和经济实惠，让更多人能够从中受益。