Lokalizacja akustyczna - Acoustic location

Szwedzcy żołnierze obsługujący lokalizator akustyczny w 1940 roku

Lokalizacja akustyczna to wykorzystanie dźwięku do określenia odległości i kierunku jego źródła lub odbłyśnika. Lokalizacja może odbywać się aktywnie lub pasywnie i może mieć miejsce w gazach (takich jak atmosfera), cieczach (takich jak woda) i ciałach stałych (takich jak ziemia).

• Aktywna lokalizacja akustyczna polega na tworzeniu dźwięku w celu wytworzenia echa, które jest następnie analizowane w celu określenia lokalizacji danego obiektu.
• Pasywna lokalizacja akustyczna polega na wykryciu dźwięku lub wibracji wytwarzanych przez wykrywany obiekt, które są następnie analizowane w celu określenia lokalizacji danego obiektu.

Obie te techniki, gdy są stosowane w wodzie, są znane jako sonar ; Szeroko stosowany jest zarówno sonar pasywny, jak i sonar aktywny.

Lustra i talerze akustyczne w przypadku korzystania z mikrofonów są środkiem pasywnej lokalizacji akustycznej, natomiast w przypadku korzystania z głośników są środkiem lokalizacji aktywnej. Zwykle używane jest więcej niż jedno urządzenie, a następnie lokalizacja jest triangulowana między kilkoma urządzeniami.

Jako narzędzie wojskowej obrony powietrznej pasywna lokalizacja akustyczna była używana od połowy I do wczesnych lat II wojny światowej do wykrywania samolotów wroga poprzez wychwytywanie hałasu ich silników. Stał się przestarzały przed i podczas II wojny światowej przez wprowadzenie radaru , który był znacznie bardziej skuteczny (ale możliwy do przechwycenia). Techniki akustyczne miały tę zaletę, że dzięki dyfrakcji dźwięku „widziały” zakręty i wzgórza .

Cywilne zastosowania obejmują lokalizowanie dzikich zwierząt i lokalizowanie pozycji strzeleckiej broni palnej.

Przegląd

Lokalizacja źródła dźwięku jest zadaniem zlokalizowania źródła dźwięku na podstawie pomiarów pola akustycznego. Pole dźwiękowe można opisać za pomocą wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie akustyczne i prędkość cząstek. Mierząc te właściwości można (pośrednio) uzyskać kierunek źródła.

Tradycyjnie ciśnienie akustyczne mierzy się za pomocą mikrofonów. Mikrofony mają charakterystykę biegunową opisującą ich czułość jako funkcję kierunku padającego dźwięku. Wiele mikrofonów ma dookólną charakterystykę kierunkową, co oznacza, że ​​ich czułość jest niezależna od kierunku padającego dźwięku. Istnieją mikrofony z innymi wzorami biegunowymi, które są bardziej czułe w określonym kierunku. To jednak nadal nie jest rozwiązaniem problemu lokalizacji dźwięku, ponieważ próbuje się określić dokładny kierunek lub punkt pochodzenia. Oprócz mikrofonów, które mierzą ciśnienie akustyczne, możliwe jest również użycie sondy prędkości cząstek do bezpośredniego pomiaru prędkości cząstek akustycznych . Prędkość cząstek to kolejna wielkość związana z falami akustycznymi, jednak w przeciwieństwie do ciśnienia akustycznego, prędkość cząstek jest wektorem . Mierząc prędkość cząstek, uzyskuje się bezpośrednio kierunek źródła. Możliwe są również inne, bardziej skomplikowane metody wykorzystujące wiele czujników. Wiele z tych metod wykorzystuje technikę różnicy czasu dotarcia (TDOA).

Niektórzy nazwali akustyczną lokalizacja źródłowa „ odwrotny problem, ” tym, że pole akustyczne mierzone jest tłumaczony do położenia źródła dźwięku.

Metody

Możliwe są różne metody uzyskiwania kierunku lub lokalizacji źródła.

Wektor prędkości lub natężenia cząstek

Najprostszą, ale wciąż stosunkowo nową metodą jest pomiar prędkości cząstek akustycznych za pomocą sondy prędkości cząstek . Prędkość cząstek jest wektorem, a zatem zawiera również informacje o kierunku.

Różnica czasu przyjazdu

Tradycyjną metodą uzyskania kierunku źródła jest wykorzystanie metody różnicy czasu nadejścia (TDOA). Metodę tę można stosować z mikrofonami ciśnieniowymi, jak również z sondami do pomiaru prędkości cząstek.

W przypadku układu czujników (na przykład układu mikrofonów ) składającego się z co najmniej dwóch sond, możliwe jest uzyskanie kierunku źródła przy użyciu funkcji korelacji krzyżowej między sygnałami każdej sondy. Funkcja korelacji krzyżowej między dwoma mikrofonami jest zdefiniowana jako

${\ Displaystyle R_ {x_ {1}, x_ {2}} (\ tau) = \ suma _ {n = - \ infty} ^ {\ infty} x_ {1} (n) x_ {2} (n + \ tau )}$

który określa poziom korelacji między wyjściami dwóch czujników i . Ogólnie rzecz biorąc, wyższy poziom korelacji oznacza, że ​​argument jest stosunkowo bliski rzeczywistej różnicy czasu nadejścia . W przypadku dwóch czujników obok siebie TDOA jest podawane przez ${\ displaystyle x_ {1}}$${\ displaystyle x_ {2}}$${\ displaystyle \ tau}$

${\ displaystyle \ tau _ {\ text {true}} = {\ frac {d _ {\ text {odstęp}}} {c}}}$

gdzie jest prędkość dźwięku w medium otaczającym czujniki i źródło. ${\ displaystyle c}$

Dobrze znanym przykładem TDOA jest międzyuszna różnica czasu . Między uszami różnica czasu to różnica w czasie nadejścia dźwięku między uszami. Międzyuszna różnica czasu jest podana przez

${\ Displaystyle \ Delta t = {\ Frac {x \ cos \ theta} {c}}}$

gdzie

${\ displaystyle \ Delta t}$ to różnica czasu w sekundach,

${\ displaystyle x}$ to odległość między dwoma czujnikami (uszami) w metrach,

${\ displaystyle \ theta}$ to kąt między linią podstawową czujników (uszu) a padającym dźwiękiem, w stopniach.

Triangulacja

W trygonometrii i geometrii triangulacja jest procesem określania położenia punktu poprzez pomiar kątów do niego ze znanych punktów na każdym końcu ustalonej linii bazowej, zamiast bezpośredniego pomiaru odległości do punktu ( trilateracja ). Punkt można następnie ustalić jako trzeci punkt trójkąta z jednym znanym bokiem i dwoma znanymi kątami.

W przypadku lokalizacji akustycznej oznacza to, że jeśli kierunek źródła jest mierzony w dwóch lub więcej miejscach w przestrzeni, można triangulować jego lokalizację.

Metody pośrednie

Metody sterowanej mocy odpowiedzi (SRP) to klasa pośrednich metod lokalizacji źródeł dźwięku. Zamiast szacowania zestawu różnic czasowych dotarcia (TDOA) między parami mikrofonów i łączenia uzyskanych oszacowań w celu znalezienia lokalizacji źródłowej, metody pośrednie szukają kandydującej lokalizacji źródłowej na siatce punktów przestrzennych. W tym kontekście metody takie jak transformacja fazowa mocy sterowanej odpowiedzi (SRP-PHAT) są zwykle interpretowane jako znajdowanie lokalizacji kandydata, która maksymalizuje moc wyjściową generatora wiązki opóźniającej i sumującej. Wykazano, że metoda jest bardzo odporna na hałas i pogłos, co motywuje do opracowania zmodyfikowanych podejść mających na celu zwiększenie jej wydajności w zastosowaniach przetwarzania akustycznego w czasie rzeczywistym.

Zastosowanie wojskowe

Lokalizator dźwięku T3 1927

Zdjęcie sprzed II wojny światowej japońskiego cesarza Shōwy (Hirohito) podczas inspekcji wojskowych lokalizatorów akustycznych zamontowanych na czterokołowych wagonach

Zastosowania wojskowe obejmują lokalizowanie okrętów podwodnych i samolotów. Pierwsze użycie tego typu sprzętu zgłosił dowódca Alfred Rawlinson z Królewskiej Marynarki Wojennej Ochotniczej Rezerwy , który jesienią 1916 r. Dowodził mobilną baterią przeciwlotniczą na wschodnim wybrzeżu Anglii. Potrzebował sposobu na zlokalizowanie Zeppelinów w pochmurnych warunkach i zaimprowizował aparat z pary tubek gramofonowych zamontowanych na obrotowym słupie. Kilka z tych urządzeń było w stanie dość dokładnie namierzyć zbliżające się sterowce, pozwalając na skierowanie broni na nie, mimo że były poza zasięgiem wzroku. Chociaż tą metodą nie uzyskano żadnych trafień, Rawlinson twierdził, że kiedyś zmusił Zeppelina do zrzucenia bomb.

Instrumenty obrony powietrznej składały się zwykle z dużych klaksonów lub mikrofonów podłączonych do uszu operatora za pomocą rurki, podobnie jak bardzo duży stetoskop .

Sprzęt do lokalizacji dźwięku w Niemczech, 1939 r. Składa się z czterech rogów akustycznych, pary poziomej i pary pionowej, połączonych gumowymi rurkami ze słuchawkami typu stetoskop, noszonymi przez dwóch techników po lewej i prawej stronie. Słuchawki stereo umożliwiły jednemu technikowi określenie kierunku, a drugiemu elewację samolotu.

Większość prac nad dźwiękiem przeciwlotniczym wykonali Brytyjczycy. Opracowali rozległą sieć luster dźwiękowych, które były używane od I do II wojny światowej. Lustra dźwiękowe zwykle działają, używając ruchomych mikrofonów, aby znaleźć kąt, który maksymalizuje amplitudę odbieranego dźwięku, który jest również kątem namiaru na cel. Dwa lustra dźwiękowe w różnych pozycjach wygenerują dwa różne łożyska, co pozwala na użycie triangulacji w celu określenia położenia źródła dźwięku.

W miarę zbliżania się II wojny światowej radar stał się wiarygodną alternatywą dla lokalizacji dźwiękowej samolotów. Dla typowych prędkości samolotów w tamtym czasie lokalizacja dźwiękowa dawała tylko kilka minut ostrzeżenia. Akustyczne stacje lokalizacyjne pozostawiono w eksploatacji jako zapasowe dla radaru, jak na przykładzie bitwy o Anglię . Dziś opuszczone miejsca nadal istnieją i są łatwo dostępne.

Po II wojnie światowej dźwięk dźwiękowy nie odgrywał już roli w działaniach przeciwlotniczych.

Lokalizatory aktywne / pasywne

Aktywne lokalizatory oprócz urządzenia nasłuchującego mają jakieś urządzenie generujące sygnał. Te dwa urządzenia nie muszą znajdować się razem.

Sonar

SONAR lub sonar (nawigacja dźwiękowa i określanie odległości) to technika wykorzystująca propagację dźwięku pod wodą (lub sporadycznie w powietrzu) ​​do nawigacji, komunikacji lub wykrywania innych statków. Istnieją dwa rodzaje sonarów - aktywne i pasywne. Pojedynczy sonar aktywny może lokalizować zasięg i namiar, a także mierzyć prędkość radialną. Jednak pojedynczy sonar pasywny może zlokalizować tylko bezpośrednio namiar, chociaż Analiza ruchu celu może być wykorzystana do zlokalizowania w określonym zakresie w określonym czasie. Wiele sonarów pasywnych może być używanych bezpośrednio do lokalizacji zasięgu przez triangulację lub korelację.

Lokalizacja echa biologicznego

Delfiny , wieloryby i nietoperze wykorzystują echolokację do wykrywania ofiar i unikania przeszkód.

Lokalizacja czasu przybycia

Mając głośniki / nadajniki ultradźwiękowe emitujące dźwięk w znanych pozycjach i czasie, położenie celu wyposażonego w mikrofon / odbiornik ultradźwięków można oszacować na podstawie czasu nadejścia dźwięku. Dokładność jest zwykle słaba w warunkach braku widoczności , gdy między nadajnikami a odbiornikami są blokady.

Badania sejsmiczne

Trójwymiarowa, echo brzmiąca reprezentacja kanionu pod Morzem Czerwonym przez statek badawczy HMS Enterprise

Badania sejsmiczne obejmują generowanie fal dźwiękowych do pomiaru podziemnych konstrukcji. Fale źródłowe są generalnie tworzone przez mechanizmy udarowe zlokalizowane w pobliżu ziemi lub powierzchni wody, zwykle upuszczone ciężarki, ciężarówki wibroszy lub materiały wybuchowe. Dane są zbierane za pomocą geofonów, a następnie przechowywane i przetwarzane przez komputer. Obecna technologia umożliwia generowanie obrazów 3D podziemnych konstrukcji skalnych przy użyciu takiego sprzętu.

Inny

Ponieważ koszt powiązanych czujników i elektroniki spada, wykorzystanie technologii pomiaru zasięgu dźwięku staje się dostępne do innych zastosowań, takich jak lokalizowanie dzikich zwierząt.

Zobacz też

• Kamera akustyczna
• Rekonstrukcja dźwięku 3D
• Lokalizacja dźwięku 3D
• Lokalizacja dźwięku
• Bumerang
• Multilateracja
• Lustro akustyczne
• Akustyczne odnajdywanie drogi , praktyka wykorzystywania sygnałów dźwiękowych i znaczników dźwiękowych do poruszania się po przestrzeniach wewnętrznych i zewnętrznych
• Echolokacja zwierząt, zwierzęta emitujące dźwięk i nasłuchujące echa w celu lokalizacji obiektów lub nawigacji
• Echo sondujące , słuchanie echa impulsów dźwiękowych w celu pomiaru odległości do dna morza, szczególny przypadek sonaru
• Lokalizator strzałów
• Echolokacja człowieka , wykorzystanie echolokacji przez osoby niewidome
• Przyłów ludzi
• Ultrasonografia medyczna , czyli wykorzystanie echa ultradźwiękowego do zajrzenia do wnętrza ciała
• Substytucja sensoryczna

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• "Wielkie ucho lokalizuje samoloty i mówi o ich szybkości" Popular Mechanics , grudzień 1930 r., Artykuł o wykrywaczu dźwięku we francuskich samolotach ze zdjęciem.
• Wiele odniesień można znaleźć w Odniesieniach do formowania wiązki
• Empiryczne studium lokalizacji współpracujących źródeł akustycznych