【噪音分析】「看見聲音」的時代：水下聲學攝影機如何解鎖海洋世界的隱藏資訊？

海洋絕非寂靜無聲。它是一個充滿活力、喧鬧嘈雜的世界，各種咔噠聲、哨聲和隆隆聲交織成一曲交響曲，傳遍數英里之外。在水下，光線通常在數百英尺內便迅速消散，聲音成為資訊傳遞的主要媒介。動物依靠聲音導航、溝通和捕獵，工業界也依靠聲音來監測其水下設備。然而，對於研究人員和工程師來說，最大的挑戰從來不是「聽見」聲音，而是「看見」聲音的來源。

當傳統水聽器記錄到一團嘈雜的「隆隆聲」或「滴答聲」時，我們無法準確判斷這是遠處的船隻、故障的機械，還是近處的生物活動。這種聲學數據與空間資訊的割裂，一直是水下監測與研究的盲點，也是聲學成像技術的突破性價值。

 

 

►成功案例: 如何使用聲學相機來可視化大象的秘密語言

Priv.Doz. Stoeger 博士在陸地上使用聲學攝影機進行成功研究之後，提出一個簡單而大膽的疑問：既然聲學攝影機已在陸地成功應用，能否將同樣的「視覺化」原理帶入複雜、高壓的水下環境呢？

這一挑戰推動了水下聲學成像（Underwater Acoustic Imaging）技術的誕生。它結合聲學陣列與先進演算法，將聲波的傳播差異轉換成可視化影像，讓使用者能在聲音混雜的環境中，精確地辨識噪音源位置與特徵。

 

｜將混沌聲波轉化為精準圖像

聲學成像的原理源於多點偵測的水聽器陣列（Hydrophone Array）。

當聲波抵達不同感測器時，會產生極微小的時間差（TDOA, Time Difference of Arrival）。
透過高精度資料擷取與運算模型，系統能反推聲源的空間位置，並以 2D 或 3D 形式呈現「聲音熱點圖（Acoustic Map）」。這種技術早已在陸地環境應用成熟，但要將其移植到複雜的水下環境，工程挑戰相當巨大——海水的密度變化、聲速梯度、信號衰減與反射干擾，都可能造成定位誤差。在這場「看見聲音」的革命中，Gfai 以多年聲學分析經驗為基礎，透過 HydroVision SeaStar 系統 成功實現了水下聲學成像的技術突破。其創新重點包括：

 

｜聲光同步技術（Acoustic-Optical Synchronization）

水下聲學資料若無法與視覺影像精確對齊，將大幅降低分析可信度。SeaStar 透過一個巧妙的同步機制——改良型 clicker 搭載 LED 閃光燈——在錄製瞬間同時產生聲波與光信號。

這使得每一筆聲學資料都能毫秒級地與影像畫面同步，實現聲音與畫面的融合式對應。

聲音不再只是波形圖，而是能準確映射於真實水下畫面中的定位訊號

 

｜高解析水聽器陣列設計

SeaStar 採用環形多聲道水聽器陣列（14 至 24 聲道可配置），外徑達 1.84 公尺，能大幅提升空間採樣密度與定位解析度。搭配高取樣率數據記錄器（例如 gfai tech Model 721B），可捕捉瞬態聲學變化，為高精度 TDOA 計算奠定基礎。

 

 

即使在高噪音、低能見度的海港或近岸環境，也能穩定辨識多重聲源。

 

技術的價值最終體現於實戰性能。HydroVision SeaStar 在與澳洲海軍合作、於西澳弗里曼特港（Fremantle Harbour）進行的的實地測試中，明了其在高噪音、低能見度環境下的噪音源分離能力：

低頻機械聲分離與精準定位: 精準鎖定推進器運轉狀態

在港口或工業水域，低頻噪音往往混雜且具有高穿透性，使得傳統單點水聽器難以區分不同機械設備的貢獻。HydroVision SeaStar 系統成功展示了在 1.5 kHz 至 1.8 kHz 的低頻窄帶範圍內，將背景中持續的「紅色噪音」（來自船隻怠速引擎聲）與特定目標 Hydrus 水下無人載具的推進器聲完美分離。

這項能力為水下載具的聲學特徵分析、遠端故障診斷和聲紋識別提供了決策級的證據，大幅提升了在複雜環境中對目標進行監測和追蹤的可靠性。

微小聲源偵測: 識別高頻微弱訊號中的臨界故障跡象

在高要求的工業維護和環境監測中，許多臨界的故障或活動（如高壓氣體洩漏、結構裂縫摩擦、微小生物的發聲）都會產生高頻、但強度微弱的聲音，這些聲音很容易被環境背景噪音掩蓋。透過優化的水聽器陣列和高靈敏度訊號處理，HydroVision SeaStar 系統證明了其在 5.7 kHz 至 8.1 kHz 頻率範圍內，能夠精準識別、定位並隔離這些高頻微弱聲源。

這項突破為海洋基礎設施的預防性維護開啟了新可能。工程師現在能夠在早期階段「看見」結構裂縫或細微洩漏發出的聲音，避免設備的災難性故障；同時也為海洋生物學家提供了鎖定特定物種或活動區域的高效工具。 

可靠性關鍵: 數據交叉驗證 (Cross-Validation)

該推進器定位結果已透過與 Hydrus 自身的數據日誌文件（記錄了推進器實際運轉狀態）進行比對，證實其驚人的精準度，定位誤差極低。

確立系統的數據可信賴性，證明聲學成像結果與實際機械運作狀態完全吻合，具備決策級的數據品質。

這些能力海洋設備維護與聲學監測開啟新可能，讓研究人員與工程師能在嘈雜的聲景中快速鎖定目標。

Gfai 技術發展方向：邁向工業級精準聲學感知

• 提升訊雜比 (SNR)：
  採用更高靈敏度的水聽器，並將感測器數量提升至 24 個以上，以增強頻率響應範圍與抗噪能力。

• 便攜與模組化設計:
  陣列結構輕量化，適配多種船舶與水下平台，支援快速部署與多場域測試。
• 操作極限研究：
  持續探索系統在不同深度、距離與頻段下的可用數據邊界，為未來工業規範制定提供實證依據。

｜聲學成像，開啟水下智慧監測的下一個十年

HydroVision SeaStar 展示了將 聲學成像（Acoustic Imaging）成功移植到水下環境的技術實力。
它不僅能即時呈現聲源的 2D/3D 視覺化熱點圖，更透過聲光同步技術，讓每一個聲音都能「被看見」。

這項創新正逐步改變我們對海洋監測、設備診斷與聲學研究的想像：
從潛艦聲紋追蹤、工業管線洩漏偵測，到生物聲學研究，水下聲學成像正成為新一代的「聲納之眼」。