研究人員發(fā)明了一種用光而非聲波來聽音的麥克風(fēng)。與傳統(tǒng)麥克風(fēng)不同，這種視覺麥克風(fēng)能捕捉聲波引發(fā)物體表面的微小振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為可聽信號(hào)。

該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、北京理工大學(xué)的Xu-Ri Yao說："我們的方法簡(jiǎn)化并降低了用光捕捉聲音的成本，同時(shí)還能用于傳統(tǒng)麥克風(fēng)無效的場(chǎng)景，比如透過玻璃窗交談。只要光能穿過的地方，聲音也能傳遞。"

研究人員在《光學(xué)快報(bào)》期刊上描述了這一新方法，首次將單像素成像技術(shù)應(yīng)用于聲音探測(cè)。他們采用不含昂貴元件的光學(xué)裝置，證明該技術(shù)可以通過捕捉樹葉和紙張等日常物體表面的振動(dòng)來還原聲音。

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Xu-Ri Yao表示："這項(xiàng)新技術(shù)可能改變我們記錄和監(jiān)測(cè)聲音的方式，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全和工業(yè)診斷等諸多領(lǐng)域帶來新機(jī)遇。例如，它可以讓人們與被困在房間或車輛等封閉空間里的人對(duì)話。"

簡(jiǎn)化設(shè)置

盡管此前已有多種利用光探測(cè)聲音的方法，但它們需要激光或高速攝像機(jī)等精密光學(xué)設(shè)備。在這項(xiàng)新研究中，研究人員嘗試用單像素成像的計(jì)算成像方法來開發(fā)更簡(jiǎn)單、成本更低的光學(xué)聲音探測(cè)技術(shù)。

單像素成像僅用一個(gè)光檢測(cè)器（即像素）而非傳統(tǒng)百萬像素相機(jī)傳感器來捕捉圖像。它通過空間光調(diào)制器用隨時(shí)間變化的結(jié)構(gòu)化圖案調(diào)制場(chǎng)景光線，由單像素檢測(cè)器測(cè)量每個(gè)圖案的調(diào)制光量，再由計(jì)算機(jī)利用這些測(cè)量數(shù)據(jù)重建物體信息。

為將單像素成像應(yīng)用于聲音探測(cè)，Xu-Ri Yao團(tuán)隊(duì)用高速空間光調(diào)制器編碼振動(dòng)表面反射的光線，聲致運(yùn)動(dòng)引起的光強(qiáng)細(xì)微變化被單像素檢測(cè)器捕獲并解碼為可聽聲音。他們采用基于傅里葉的定位方法追蹤物體振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了微小振動(dòng)的高效精準(zhǔn)測(cè)量。

Xu-Ri Yao說："單像素成像與傅里葉定位法結(jié)合，讓我們能用更簡(jiǎn)單的設(shè)備以更低成本實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量聲音探測(cè)。我們的系統(tǒng)可在自然光條件下使用紙片、樹葉等日常物品探測(cè)聲音，且無需振動(dòng)表面以特定方式反射光線。"單像素檢測(cè)器記錄光強(qiáng)信息的另一優(yōu)勢(shì)是生成數(shù)據(jù)量較小，便于實(shí)時(shí)下載到存儲(chǔ)設(shè)備或上傳至互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間甚至連續(xù)錄音。

捕捉聲音

為驗(yàn)證這款視覺麥克風(fēng)，研究人員測(cè)試了其還原中英文數(shù)字發(fā)音及貝多芬《致愛麗絲》片段的能力。他們以紙片和樹葉作為振動(dòng)目標(biāo)，置于距聲源0.5米處，系統(tǒng)成功重建了清晰可辨的音頻，其中紙片效果優(yōu)于樹葉。

低頻聲音（<1千赫）還原準(zhǔn)確，高頻聲音（>1千赫）雖有輕微失真但經(jīng)信號(hào)處理濾波器后可改善。系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率測(cè)試顯示為4MB/秒，較低的數(shù)據(jù)速率能減少存儲(chǔ)需求并支持長(zhǎng)期錄音。

Xu-Ri Yao表示："目前該技術(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，適用于傳統(tǒng)麥克風(fēng)失效的特殊場(chǎng)景。我們計(jì)劃將其擴(kuò)展至人體脈搏和心率檢測(cè)等其他振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用，發(fā)揮其多功能信息感知能力。"

團(tuán)隊(duì)正致力于提升系統(tǒng)靈敏度和準(zhǔn)確性，同時(shí)增強(qiáng)便攜性以便日常使用，另一關(guān)鍵目標(biāo)是延長(zhǎng)有效距離以實(shí)現(xiàn)可靠遠(yuǎn)距離聲音探測(cè)。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.565525