什么是声望远镜?

什么是声望远镜?

[拼音]：sheng wangyuanjing

[外文]：acoustic telescope

一种指向性很强的声接收系统。将声望远镜对准某方向来的声波，这方向的声波在望远镜上的响应最大，而其他方向来的声波则相对较小。借助于声望远镜，可以求得声源的空间分布，能对一定范围内的环境进行声学分析，求出各个噪声源的位置和强度，为防治噪声污染提供科学依据。

将电子计算机技术应用于声望远镜，可实现声望远镜的空间自动扫描，可对高速度运动声源（如火车）进行分析，并可对所接收的声信号进行频谱分析，从而得出在不同频段内声源的空间分布。

声望远镜按工作原理和结构，可分为声透镜、声反射镜和传声器阵声望远镜等类型。

声透镜

由许多倾斜隔板组成长度不同的窄缝构成。声波通过这些窄缝时经历的路程长度比没有这些隔板时长，因此产生了时间延迟现象。由于窄缝的长度不同，声波通过每个窄缝时延迟的时间也不同。图1所示的声透镜是使正对透镜前面来的声波通过各窄缝到达透镜左边F点的距离都相等；这样声通过各窄缝到达F点的时间也相等，因而在F点上声得到加强。F点被称为声透镜的焦点。

实际使用的声透镜是在它的焦点处放置传声器，用喇叭筒把传声器和隔板时延声透镜封闭起来，但敞开的ADB面仍接受迎面而来的声波。为使聚焦效果良好，隔板之间的距离应该远小于所接收声波的波长。同时，ADB面的尺度也应比声波波长大得多。这样，才能使声透镜有很强的指向性。将声透镜安装在旋转支架上，便可测量来自不同方向的声波。

声反射镜

它的工作原理和光学上反射聚焦类似。如图2，a中抛物面的反射镜能把远处来的平行光线聚到焦点上，同样声反射性能良好的抛物面，在其焦点处置传声器，然后转动声反射镜，使其正对远处各方向传来的声波，便能检测各远处的声源。如果声源不很远，则利用光学上椭球反射面共轭焦点的原理，如图2，b所示，在椭球反射面较近的焦点上放置传声器，而将椭球反射面对准另一较远焦点上的声源，这样声波到达反射面后，经过反射而聚焦于传声器。实际使用的椭球面声反射镜往往在焦点附近放置几个传声器，以便同时接收几个方向传来的声波。传声器可排成一列，垂直于椭球的长轴。每个传声器的输出，对应于从某一方向传来的声波。在焦点下方的传声器接收从焦点上方的声源传来的声波；距焦点远的传声器相应地接收距另一焦点较远的声源的声波。

和声透镜一样，为了获得良好的指向性，声反射镜的尺度应比所接收的声波波长大很多。测量的声源的距离取决于声反射镜的大小，声反射镜越大，能测的距离越远。必须使声反射镜的结构具有很好的声反射性能。

传声器阵声望远镜

这种声望远镜是由若干个传声器组成的阵列。如这些传声器排列在一条直线上，称为线列阵。线列阵传声器是最基本的传声器阵声望远镜。设声源分布在直线XY上，则传声器线列阵的位置应和XY直线平行（图3）。控制这些传声器的输出信号，可以使声望远镜聚焦在XY直线上的某一点，这点称为聚焦点。传声器的控制方法是使每个传声器的输出信号发生适当的时延，再将这些时延了的信号相加。传声器输出的延迟时间取决于传声器和聚焦点的距离。传声器的延迟时间和声波由聚焦点传到该传声器的时间有关。这样，对于在聚焦点上的声源来说，所有传声器的输出信号经过时延其相位相同，则相加后的信号最强。对于XY线上其他位置的声源，由于各传声器输出的相位不同，相加后将相互抵消而使信号减弱。如果声源距传声器阵较近时，必须对每个传声器的输出信号幅度按该传声器距聚焦点的距离成正比例地加权。

传声器阵声望远镜的工作可以用模拟电路来完成。目前一般采用小型计算机或微处理机控制。先对传声器的输出信号采样，经模拟-数字转换器后送到计算机，通过计算机自动更换聚焦点的位置，在XY 线上扫描，得出在XY线上的声源强度分布。同时还可用快速傅里叶变换的方法计算出各点的声频谱。

用线列阵传声器的声望远镜，每次只能对分布在一条线上的声源进行分析。如果要同时分析几个方向的声源的分布情况，必须用几个传声器线列阵或其他形式的传声器阵，如立方阵等。

传声器阵声望远镜的另一种原理是：首先做声望远镜中两个传声器输出信号的互相关函数。然后，利用时延做傅里叶变换得出频谱。频谱与两个传声器之间的距离有关。用两传声器的距离做傅里叶变换，就可以得到从不同方向传来的不同频带声波的强度关系。这些步骤都是通过计算机完成的。

参考书目

J.Billingsley，R.Kinns，The Acoustic Telescope，Journal of Sound and Vibration，Vol.48，No.4，1976.M.Chiollaz，B.Escudie，Imagerie Spatiofrequentielle des Sources Sonores par des Methodes Interferometriques， Revue d'Accustique，1980.