光的聆听：基于计算成像的可视麦克风

研究人员发明了一种用光而非声波来听音的麦克风。与传统麦克风不同，这种视觉麦克风能捕捉声波引发物体表面的微小振动并将其转化为可听信号。

该研究团队负责人、北京理工大学的Xu-Ri Yao说："我们的方法简化并降低了用光捕捉声音的成本，同时还能用于传统麦克风无效的场景，比如透过玻璃窗交谈。只要光能穿过的地方，声音也能传递。"

研究人员在《光学快报》期刊上描述了这一新方法，首次将单像素成像技术应用于声音探测。他们采用不含昂贵元件的光学装置，证明该技术可以通过捕捉树叶和纸张等日常物体表面的振动来还原声音。

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Xu-Ri Yao表示："这项新技术可能改变我们记录和监测声音的方式，为环境监测、安全和工业诊断等诸多领域带来新机遇。例如，它可以让人们与被困在房间或车辆等封闭空间里的人对话。"

简化设置

尽管此前已有多种利用光探测声音的方法，但它们需要激光或高速摄像机等精密光学设备。在这项新研究中，研究人员尝试用单像素成像的计算成像方法来开发更简单、成本更低的光学声音探测技术。

单像素成像仅用一个光检测器（即像素）而非传统百万像素相机传感器来捕捉图像。它通过空间光调制器用随时间变化的结构化图案调制场景光线，由单像素检测器测量每个图案的调制光量，再由计算机利用这些测量数据重建物体信息。

为将单像素成像应用于声音探测，Xu-Ri Yao团队用高速空间光调制器编码振动表面反射的光线，声致运动引起的光强细微变化被单像素检测器捕获并解码为可听声音。他们采用基于傅里叶的定位方法追踪物体振动，实现了微小振动的高效精准测量。

Xu-Ri Yao说："单像素成像与傅里叶定位法结合，让我们能用更简单的设备以更低成本实现高质量声音探测。我们的系统可在自然光条件下使用纸片、树叶等日常物品探测声音，且无需振动表面以特定方式反射光线。"单像素检测器记录光强信息的另一优势是生成数据量较小，便于实时下载到存储设备或上传至互联网，实现长时间甚至连续录音。

捕捉声音

为验证这款视觉麦克风，研究人员测试了其还原中英文数字发音及贝多芬《致爱丽丝》片段的能力。他们以纸片和树叶作为振动目标，置于距声源0.5米处，系统成功重建了清晰可辨的音频，其中纸片效果优于树叶。

低频声音（<1千赫）还原准确，高频声音（>1千赫）虽有轻微失真但经信号处理滤波器后可改善。系统数据速率测试显示为4MB/秒，较低的数据速率能减少存储需求并支持长期录音。

Xu-Ri Yao表示："目前该技术仍停留在实验室阶段，适用于传统麦克风失效的特殊场景。我们计划将其扩展至人体脉搏和心率检测等其他振动测量应用，发挥其多功能信息感知能力。"

团队正致力于提升系统灵敏度和准确性，同时增强便携性以便日常使用，另一关键目标是延长有效距离以实现可靠远距离声音探测。

相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.565525